*Αθανάσιος Τσάκαλος

Πώς προστατεύονται τα υπερ-υπερηχητικά οχήματα από τις πολύ υψηλές θερμοκρασίες άνω των 2.200 °C που αναπτύσσονται, όταν πετούν με ταχύτητες άνω των 5 Mach; Σύμφωνα με το RTX Technology Research Center, το οποίο είναι τμήμα της RTX corporation (πρώην Raytheon Technologies Corporation), η απάντηση είναι να τα κάνεις να… ιδρώσουν.

Η υπερ-υπερηχητική πτήση υπόσχεται να φέρει την επανάσταση στην αεροναυπηγική σε βαθμό που δεν έχει παρατηρηθεί από το “σπάσιμο” του ηχητικού φράγματος το 1947. Ωστόσο, αποδεικνύεται ότι η μετάβαση από υπερηχητική πτήση σε υπερ-υπερηχητική πτήση αποδεικνύεται πολύ πιο δύσκολη από το να μεταβείς από υποηχητική σε υπερηχητική. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις είναι η τεράστια θερμότητα που παράγεται από ένα σώμα που πετάει με ταχύτητα μεγαλύτερη από πενταπλάσια του ήχου.

Διαβάστε επίσης: Raytheon | Πρώτη πτήση για τον υπερ-υπερηχητικό πύραυλο της

Τα υπερ-υπερηχητικά βλήματα μπορούν να διασχίσουν την ατμόσφαιρα ταχύτερα από ένα μίλι ανά δευτερόλεπτο. Αλλά σε αυτές τις ταχύτητες, τα εν λόγω συστήματα θερμαίνονται τόσο πολύ που πολλά υλικά θα έλιωναν.

The problem 

Αυτό σημαίνει ότι οι υψηλής ακρίβειας μηχανικά σχεδιασμένες και επεξεργασμένες γραμμές ενός υπερ-υπερηχητικού οχήματος, ειδικά στις μπροστινές άκρες του, θα στρογγυλοποιηθούν γρήγορα και θα παραμορφωθούν, αλλοιώνοντας πλήρως την αεροδυναμική του οχήματος. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται θερμοκαυτηριασμός (ablation), το οποίο αλλοιώνει το μπροστινό άκρο του οχήματος από τρίγωνο σε τραπεζοειδές σχήμα.

Σε αυτές τις θερμοκρασίες, όλα εκτός από τα πιο “εξωτικά” υλικά λιώνουν ή γίνονται μη-λειτουργικά και έτσι, υπάρχει μια αύξηση της οπισθέλκουσας (drag), η οποία καταλήγει να επιβραδύνει το όχημα, γεγονός που επηρεάζει το πόσο γρήγορα και μακριά μπορεί να πετάξει.

Ο προφανής τρόπος για να αποφευχθεί αυτό είναι να ψυχθεί ο εξωτερικός φλοιός του οχήματος. Δυστυχώς, με τα συμβατικά συστήματα, αυτό σημαίνει προσθήκη βάρους και πολυπλοκότητας.

Heatproofing hypersonics

Το Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογίας RTX έχει αναπτύξει μία αντιπροσωπευτική επίδειξη της ιδέας (proof-of-concept) για ένα θερμομονωτικό υπερ-υπερηχητικό όχημα, το οποίο δύναται να διατηρήσει το σχήμα του ακόμα και κάτω από τις προαναφερθείσες θερμοκρασίες. Στο πλαίσιο μιας σύμβασης με την Υπηρεσία Έρευνας Προηγµένων Αµυντικών Προγραµµάτων (Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA), η RTX εξετάζει την ψύξη υπερ-υπερηχητικών σκαφών χρησιμοποιώντας τον ίδιο μηχανισμό που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι για να νικήσουν τη ζέστη – την εφίδρωση.

Ως εκ τούτου, για να κρατήσουν το όχημα μακριά από την υπερθέρμανση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια μέθοδο που ονομάζεται ψύξη μέσω διάχνωσης (transpiration cooling), η οποία είναι παρόμοια με τον τρόπο που ιδρώνουν οι άνθρωποι. Ως εκ τούτου, δημιούργησαν χιλιάδες πόρους στο υλικό δοκιμής και μετά το υπέβαλαν σε υπερβολική θερμότητα. Ένα υγρό εντός αυτού ανέβηκε στην επιφάνεια του, διατηρώντας το εντός της θερμοκρασίας που είναι ανεκτή για να το βοηθήσει να διατηρήσει το σχήμα του.

Ειδικότερα, η ιδέα είναι ότι τα μπροστινά άκρα ενός υπερ-υπερηχητικού οχήματος θα ενσωματώνουν ένα δίκτυο μικροκαναλιών που τροφοδοτούν ένα υγρό στην επιφάνεια του φλοιού με τρόπο παρόμοιο με τους ανθρώπινους ιδρωτοποιούς αδένες. Καθώς το υγρό φτάνει στην επιφάνεια, εξατμίζεται, αποβάλλοντας τη θερμότητα. Με αυτόν τον τρόπο, το σκάφος μπορεί να διατηρηθεί αρκετά δροσερό για να διατηρήσει την αεροδυναμική του.

The solution

Σύμφωνα με τον επικεφαλής της ομάδας του έργου του RTX Technology Research Center, John Sharon, η προγνωστική μοντελοποίηση και η προηγμένη μικρο-κατεργασία χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία ενός δοκιμαστικού αντικειμένου σε σχήμα σφήνας στο μέγεθος μιας πιστωτικής κάρτας. Αυτό υποβλήθηκε πρώτα σε ένα καυστήρα, ο  οποίος στοχεύει έναν πυρσό που τροφοδοτείται από φυσικό αέριο και οξυγόνο προς το αντικείμενο δοκιμής για να μιμηθεί τις αλλαγές στη θερμοκρασία που θα συνέβαιναν σε υπερ-υπερηχητικές ταχύτητες. 

Στη συνέχεια διεξήγαγαν πιο περίπλοκες δοκιμές σε μια εγκατάσταση που χρησιμοποιεί ένα ηλεκτροκάμινο τόξου για τη θέρμανση και την επέκταση των αερίων σε υψηλές θερμοκρασίες και ταχύτητες, που προσομοίωσαν περισσότερο τις συνθήκες υπερ-υπερηχητικής πτήσης.

The result

Οι δοκιμές πρόσφεραν προκαταρκτική απόδειξη ότι η ιδέα θα λειτουργούσε, αλλά ο Sharon είπε ότι θα χρειαστούν περισσότερη έρευνα και βελτιώσεις προτού η ψύξη μέσω διάχνωσης είναι έτοιμη για χρήση σε υπερ-υπερηχητικούς πυραύλους. Οι υπόλοιπες προκλήσεις περιλαμβάνουν τον τρόπο με τον οποίο θα γίνουν ακόμη μικρότερα τα κανάλια και ο προσδιορισμός του εάν τα ευρήματά τους σε ένα δοκιμαστικό αντικείμενο μεγέθους πιστωτικής κάρτας θα κλιμακωθούν σε ένα υπερ-υπερηχητικό όχημα πλήρους μεγέθους.

Εάν η τεχνική αποδειχθεί επιτυχής, μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε άλλα προβλήματα, όπως η προστασία των πτερυγίων αεριοστροβίλου.

Σε κάθε περίπτωση τα επόμενα χρόνια θα είναι καθοριστικά για την ωρίμανση της τεχνολογίας των υπερ-υπερηχητικών αεροχημάτων και της επανάστασης που αυτά θα επιφέρουν.

Διαβάστε επίσης: Υπερ-υπερηχητικά (hypersonic) όπλα | Οι τελευταίες εξελίξεις – VIDEO