El profesor Prashant Khare es director del Laboratorio de Hypersonics de UC y jefe del Departamento de Mecánica de Ingeniería e Ingeniería Aeroespacial de la UC. Crédito: Andrew Higley
La ingeniería aeroespacial siempre ha tenido una preocupación por la velocidad. Ahora los investigadores de la Universidad de Cincinnati están empujando los límites de lo que es posible, práctico, confiable y seguro a cinco veces la velocidad del sonido, o más de 3.800 mph.
“La conclusión para el aeroespacial es ir más lejos, más rápido con más carga útil. Esa es la pregunta fundamental para cualquier cosa que vuele”, dijo Prashant Khare, director del laboratorio de hipersonics de UC. “Y nos esforzamos todos los días para crear nuevas tecnologías o conceptos científicos que puedan conducir a mejoras”.
Hypersonics está recibiendo una atención cada vez mayor para las aplicaciones militares en la carrera para desarrollar armas más rápidas, y quizás un avión de un día, con la capacidad de evadir la tecnología disuasoria.
Las armas como el cohete V-2 de Alemania se desplegaron ya en la Segunda Guerra Mundial. Más recientemente, Rusia utilizó misiles hipersónicos en sus ataques contra Ucrania.
“Y China probó uno de los suyos. Por lo tanto, ha habido mucha inversión en la mejora de las tecnologías hipersónicas”, dijo Khare, jefe del Departamento de Mecánica de Ingeniería e Ingeniería Aeroespacial de la UC.
“Desde el punto de vista de la física, la limitación es la velocidad de la luz”, dijo. “El desafío no es solo lo rápido que podemos ir, sino que tenemos materiales que resistirán las velocidades que queremos ir?”
La tripulación del Apolo 10 tiene el récord de velocidad para el vuelo humano, llegando a más de 24,000 millas por hora en su viaje de regreso desde la luna. A velocidades tan extremas, la fricción con la atmósfera genera un calor intenso. Los módulos espaciales deben soportar temperaturas de más de 2.700 ° F.
Los investigadores están encontrando nuevas formas de resistir este infierno, dijo.
“La fricción crea el calor. ¿Podemos encontrar nuevos materiales o tecnologías de enfriamiento para que podamos ir rápido?” Preguntó Khare. “La siguiente pregunta es ¿cómo vamos tan rápido? Eso está más relacionado con la propulsión tradicional o las ciencias de la combustión”.
El estudiante de Ingeniería de la UC Jeremy Redding dijo que los ingenieros aeroespaciales empujan el sobre de lo que es posible y seguro, comenzando con los primeros cohetes en la década de 1940, lo que lleva a las primeras misiones humanas al espacio en las décadas de 1950 y 1960.
El trabajo del laboratorio de Hypersonics en Digital Futures ha examinado cómo la dinámica de la superficie cambiante altera la física fundamental de los sistemas de vuelo hipersónico. Los ingenieros también están aprendiendo más sobre la extraña física observada a altas velocidades, dijo Khare. Los fluidos se comportan extrañamente a velocidades hipersónicas a medida que las moléculas se separan y se reforman, creando un estado de no equilibrio.
“Mucho de esto es contradictorio o incluso alucinante para pensar”, dijo Khare.
Y su colaboración con el Laboratorio de Investigación del Ejército está conduciendo a mejoras en el motor para evitar el estancamiento a velocidades tan altas, dijo Redding.
“Este es solo el comienzo”, dijo Redding. “Hypersonics es un campo de investigación multidisciplinario que requiere la visión de una comunidad apasionada que persigue intencionalmente el conocimiento que tiene que ir más rápido y más alto”.
Al menos por ahora, el vuelo hipersónico no es práctico para la aviación comercial debido a los pasajeros masivos gravitacionales o de las fuerzas G tendrían que resistir. Pero es de inmenso interés en las aplicaciones militares y de carga, dijo Khare.
En su laboratorio, Khare y sus alumnos usan simulaciones por computadora para estudiar los fundamentos de los nuevos sistemas de propulsión para los motores de detonación giratoria, que son más eficientes que los motores a reacción actuales y los motores de ramjet de combustión supersónica.
Los ingenieros están implementando herramientas como espectroscopía, dispersión Raman y velocidad de doppler fotónica para estudiar Hypersonics. Mientras tanto, las supercomputadoras permiten que Khare y sus alumnos registren variables hipersónicas con excelente detalle en simulaciones. Capturar solo un milisegundo de vuelo hipersónico en simulación puede requerir millones de horas de computación.
“Con los avances en el diagnóstico experimental, la tecnología y la computación, ahora estamos en un punto en el que podemos entenderlo porque tenemos estas nuevas herramientas”, dijo Khare.
Pero todavía hay mucho que explorar. Y con tanto interés externo en este tema de las agencias gubernamentales y las empresas aeroespaciales, las carreras en tecnología hipersónica son prometedores, dijo.
“Cuando la gente habla de algo simple, a menudo dicen”, no es ciencia espacial “, dijo Khare.” Pero esto es. Esta es la ciencia espacial “.
Proporcionado por la Universidad de Cincinnati
Cita: las simulaciones y el diagnóstico arrojan luz sobre la física compleja de vuelo hipersónico (2025, 24 de abril) Recuperado el 24 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-simulations-diagnostics-complex-physics-hypersonic.html
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