La velocidad del sonido (III). Transporte hipersónico

10 de abril de 2017

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Bruno Henríquez

 

 

 

Si todo está bajo control, entonces usted está yendo muy despacio.
Mario Andretti
Corredor de fórmula I

 

 

 

En trabajos anteriores me refería a la velocidad de los cuerpos comparada con la velocidad del sonido. Hay varios términos que hemos tratado como subsónico, transónico y supersónico, y la barrera del sonido, hoy trataré de lo hipersónico.

 

Cuando la velocidad de un objeto es superior a 5 veces la velocidad del sonido, se le denomina Mach 5 y se dice que es hipersónica.

 

 

Si bien la barrera del sonido se corresponde con un fenómeno físico en el que se produce la compresibilidad extrema del aire y el avión se mueve a la misma velocidad que las ondas de presión, a velocidades mayores no se debe producir un cambio físico comparable, pero se considera que la velocidad hipersónica sería el siguiente nivel por encima de la velocidad supersónica, en el cual el aire circundante de la nave se calienta hasta tal punto que se ioniza.

En el diseño de un vehículo hipersónico prima no solo su capacidad para alcanzar velocidades altas sino también que pueda ser capaz de resistir los enormes esfuerzos mecánicos y térmicos que sufre en su superficie a la vez que disipa de forma eficiente el calor que recibe.

En la actualidad se sigue discutiendo acerca del término hipersónico, ya que no todos los especialistas están de acuerdo en que exista un cambio físico entre supersónico e hipersónico, como si ocurre entre subsónico y supersónico, ya que la ionización del aire solo se produce en condiciones determinadas. Algunas fuentes atribuyen el cambio de supersónico a hipersónico a una alteración del estado de la nave. Sin embargo, ya en el Mach 3, se comienzan a notar deformaciones o cambios mecánicos, pero, a su vez, algunos materiales empiezan a verse afectados a velocidades cercanas a Mach 7. Lo que sí está claro es la existencia del efecto que tiene el calentamiento aerodinámico sobre la estructura de la nave según aumenta la velocidad.

Lo hipersónico, aunque ya existía en la naturaleza, aparece en la historia de la tecnología con el desarrollo de aviones mucho más rápidos que el sonido en la aviación militar.

Cuando la velocidad de un objeto es superior a Mach 5 se le llama hipersónico y hay aviones a los que se les denomina así; además hay un valor notable, Mach 33, que corresponde a una velocidad de la que todos hemos oído hablar alguna vez. ¿sabe cuál es?

Pues sí, es la llamada velocidad de escape. Es la velocidad que debe tener un proyectil para poder ponerse en órbita o escapar de la atracción gravitacional de la Tierra y la conocemos desde la escuela con el valor de 11,2 km/s. si recordamos que la velocidad del sonido en el aire es aproximadamente de 340 m/s, o 0.340 km/h vemos que la velocidad de escape es 33 veces superior a la velocidad del sonido, lo que se llama Mach33.

En la novela De la Tierra a la Luna de Julio Verne los viajeros a la Luna, despegan de la Tierra lanzados por un cañón que le comunica esta velocidad y sobreviven. En la realidad esto no podría haber ocurrido, porque la aceleración que recibirían los cuerpos de los viajeros los aplastaría contra el fondo de la nave-bala. Además la nave se habría calentado a muy altas temperaturas por la fricción con el aire, como cuando cae un meteorito.

 

 

En la práctica de la astronáutica para enviar cuerpos a la órbita, se usan cohetes de varias etapas, que permiten alcanzar, en pasos sucesivos, grandes alturas, donde la velocidad requerida para abandonar la Tierra es menor, así no es necesaria una gran cantidad de energía de una sola vez, y en el caso de las naves tripuladas las personas no están sometidas a aceleraciones que pueden resultar mortales, sino a varias aceleraciones menores, soportables por el cuerpo humano, según ascienden.

En el camino inverso, o sea en la reentrada de las naves espaciales o cuando ocurre la caída de meteoritos a la Tierra, también se alcanzan velocidades hipersónicas. En el caso de las naves, estas deben protegerse con escudos térmicos y utilizar para su frenado cohetes, y cuando la velocidad lo permita paracaídas, hasta alcanzar con seguridad la superficie de la Tierra.

El ingreso a la atmósfera a velocidad hipersónica, produce ionización del aire, calentamiento de la superficie y un gran desprendimiento de calor lo que da lugar a un espectáculo que al tratarse de un meteorito que no tiene otros dispositivos de frenado recibe el nombre de estrella fugaz y deja un rastro luminoso y una estela de ionización en la alta atmósfera que incluso ha llegado a utilizarse en las telecomunicaciones para reflejar en ella las ondas de radio igual que ocurre en la ionosfera. O sea las estrellas fugaces y lluvias de estrellas son causadas por meteoritos que entran la atmósfera a velocidad hipersónica.

 

 

En general se mencionan tres niveles de velocidad hipersónica y se relacionan con las tecnologías y fenómenos comunes para cada una.

Estas son:

Hipersónica, entre mach 5 y mach 10, de 6 150 a 12 300 km/h. Se alcanza en aviones militares caracterizados por tener fuselaje estrecho y alas pequeñas.

Hipersónica alta, entre Mach 10 y Mach25, son velocidades entre 12300 y 30740 km/h. Es muy importante realizar un control térmico, la fricción del aire produce altísimas temperaturas, se producen reacciones químicas del oxígeno del aire con la superficie de la nave los diseños de las superficies son faceteados y parecen contradictorios con los conceptos que se tiene de lo aerodinámico.

Velocidades de reentrada atmosférica. Superiores a Mach25, más de 30740 km/h. Las naves necesitan escudos térmicos y una estructura compacta que resista las tensiones a la vez que disipa el calor. Es frecuente en los meteoritos.

 

Si usted pensaba que no había observado alguna vez en la vida fenómenos hipersónicos, recuerde las veces que observó una estrella fugaz y pidió algún deseo. Lo que ocurría en ese destello que atravesaba la atmósfera era la reentrada hipersónica de un cuerpo proveniente del espacio exterior quizás un meteorito, una nave espacial o un pedazo de basura cósmica que de esos también hay muchos.