El vuelo hipersónico es un vuelo a través de la atmósfera por debajo de unos 90 km a velocidades que oscilan entre Mach 5-10 , una velocidad en la que la disociación del aire comienza a ser significativa y existen altas cargas de calor .
Historia
El primer objeto fabricado para lograr un vuelo hipersónico fue el cohete Bumper de dos etapas , que consiste en una segunda etapa WAC Corporal colocada en la parte superior de una primera etapa V-2 . En febrero de 1949, en White Sands , el cohete alcanzó una velocidad de 8.288,12 km / h (5.150 mph), o aproximadamente Mach 6,7. [1] Sin embargo, el vehículo se quemó al reingresar a la atmósfera y solo se encontraron restos carbonizados. En abril de 1961, el mayor ruso Yuri Gagarin se convirtió en el primer ser humano en viajar a velocidad hipersónica, durante el primer vuelo orbital pilotado del mundo . Poco después, en mayo de 1961, Alan Shepard se convirtió en el primer estadounidense y la segunda persona en lograr un vuelo hipersónico cuando su cápsula volvió a entrar en la atmósfera a una velocidad superior a Mach 5 al final de su vuelo suborbital sobre el Océano Atlántico. [2]
En noviembre de 1961, el Mayor de la Fuerza Aérea Robert White voló el avión de investigación X-15 a velocidades superiores a Mach 6. [3] [4] El 3 de octubre de 1967, en California, un X-15 alcanzó Mach 6.7, pero para cuando el vehículo se acercó a la Base de la Fuerza Aérea Edwards, el intenso calentamiento asociado con las ondas de choque alrededor del vehículo había derretido parcialmente el pilón que unía el motor ramjet al fuselaje. [ cita requerida ]
El problema de reentrada de un vehículo espacial se estudió ampliamente. [5] El NASA X-43 A voló en scramjet durante 10 segundos y luego planeó durante 10 minutos en su último vuelo en 2004. El Boeing X-51 Waverider voló en scramjet durante 210 segundos en 2013, alcanzando finalmente Mach 5.1 en su cuarta prueba de vuelo. Desde entonces, el régimen hipersónico se ha convertido en objeto de más estudio durante el siglo XXI y de la competencia estratégica entre China, India, Rusia y EE . UU. [6]
Física
El punto de estancamiento del aire que fluye alrededor de un cuerpo es un punto donde su velocidad local es cero. [5] En este punto, el aire fluye alrededor de esta ubicación. Se forma una onda de choque que desvía el aire del punto de estancamiento y aísla el cuerpo de vuelo de la atmósfera. [5] Esto puede afectar la capacidad de elevación de una superficie de vuelo para contrarrestar su resistencia y posterior caída libre . [7] Ning describe un método para interrelacionar el número de Reynolds con el número de Mach. [8]
Para maniobrar en la atmósfera a velocidades más rápidas que las supersónicas, las formas de propulsión aún pueden ser sistemas de respiración de aire, pero un estatorreactor ya no es suficiente para que un sistema alcance Mach 5, ya que un estatorreactor ralentiza el flujo de aire a subsónico. [9] Algunos sistemas ( waveriders ) usan un cohete de primera etapa para impulsar al cuerpo al régimen hipersónico. Otros sistemas ( vehículos propulsores-planeadores ) utilizan scramjets después de su refuerzo inicial, en el que la velocidad del aire que pasa a través del scramjet sigue siendo supersónica. Otros sistemas ( municiones ) utilizan un cañón para su impulso inicial. [10]
Efecto de alta temperatura
El flujo hipersónico es un flujo de alta energía. [11] La relación entre la energía cinética y la energía interna del gas aumenta con el cuadrado del número de Mach. Cuando este flujo entra en una capa límite, hay efectos de alta viscosidad debido a la fricción entre el aire y el objeto de alta velocidad. En este caso, la alta energía cinética se convierte en parte en energía interna y la energía del gas es proporcional a la energía interna. Por lo tanto, las capas límite hipersónicas son regiones de alta temperatura debido a la disipación viscosa de la energía cinética del flujo. Otra región de flujo de alta temperatura es la capa de choque detrás de la onda de choque de arco fuerte. En el caso de la capa de choque, la velocidad de los flujos disminuye de manera discontinua a medida que pasa a través de la onda de choque. Esto da como resultado una pérdida de energía cinética y una ganancia de energía interna detrás de la onda de choque. Debido a las altas temperaturas detrás de la onda de choque, la disociación de moléculas en el aire se vuelve térmicamente activa. Por ejemplo, para el aire a T> 2000 K, la disociación del oxígeno diatómico en radicales de oxígeno está activa: O 2 → 2O [ cita requerida ]
Para T> 4000 K, la disociación del nitrógeno diatómico en radicales N está activa: N 2 → 2N [ cita requerida ]
En consecuencia, en este rango de temperatura, la disociación molecular seguida de la recombinación de radicales de oxígeno y nitrógeno produce óxido nítrico: N 2 + O 2 → 2NO, que luego se disocia y se recombina para formar iones: N + O → NO + + e - [ cita requerida ]
Flujo de baja densidad
En condiciones estándar de aire a nivel del mar, la trayectoria libre media de las moléculas de aire es de aproximadamente . El aire de baja densidad es mucho más delgado. A una altitud de 104 km (342.000 pies), la trayectoria libre media es. Debido a esta gran trayectoria media libre, los conceptos, ecuaciones y resultados aerodinámicos basados en el supuesto de un continuo comienzan a romperse, por lo que la aerodinámica debe considerarse desde la teoría cinética. Este régimen de aerodinámica se denomina flujo de baja densidad. Para una condición aerodinámica dada, los efectos de baja densidad dependen del valor de un parámetro adimensional llamado número de Knudsen. , definido como dónde es la escala de longitud típica del objeto considerado. El valor del número de Knudsen basado en el radio de la punta,, puede estar cerca de uno.
Los vehículos hipersónicos vuelan con frecuencia a altitudes muy elevadas y, por lo tanto, se encuentran en condiciones de baja densidad. Por lo tanto, el diseño y análisis de vehículos hipersónicos a veces requiere considerar el flujo de baja densidad. Las nuevas generaciones de aviones hipersónicos pueden pasar una parte considerable de su misión a grandes altitudes, y para estos vehículos, los efectos de baja densidad serán más significativos. [11]
Capa fina de choque
El campo de flujo entre la onda de choque y la superficie del cuerpo se llama capa de choque. A medida que aumenta el número de Mach M, el ángulo de la onda de choque resultante disminuye. Este ángulo de Mach se describe mediante la ecuacióndonde a es la velocidad de la onda de sonido yv es la velocidad del flujo. Dado que M = v / a, la ecuación se convierte en. Los números de Mach más altos colocan la onda de choque más cerca de la superficie del cuerpo, por lo tanto, a velocidades hipersónicas, la onda de choque se encuentra muy cerca de la superficie del cuerpo, lo que da como resultado una capa de choque delgada. Con un número de Reynolds bajo, la capa límite se vuelve bastante gruesa y se fusiona con la onda de choque, lo que da lugar a una capa de choque completamente viscosa. [12]
Interacción viscosa
La capa límite de flujo compresible aumenta proporcionalmente al cuadrado del número de Mach e inversamente a la raíz cuadrada del número de Reynolds.
A velocidades hipersónicas, este efecto se vuelve mucho más pronunciado, debido a la dependencia exponencial del número de Mach. Dado que la capa límite se vuelve tan grande, interactúa de manera más viscosa con el flujo circundante. El efecto general de esta interacción es crear una fricción cutánea mucho mayor de lo normal, lo que provoca un mayor flujo de calor en la superficie. Además, la presión de la superficie aumenta, lo que resulta en un coeficiente de resistencia aerodinámica mucho mayor. Este efecto es extremo en el borde de ataque y disminuye en función de la longitud a lo largo de la superficie. [11]
Capa de entropía
La capa de entropía es una región de grandes gradientes de velocidad causados por la fuerte curvatura de la onda de choque. La capa de entropía comienza en el morro del avión y se extiende corriente abajo cerca de la superficie del cuerpo. Aguas abajo de la nariz, la capa de entropía interactúa con la capa límite, lo que provoca un aumento del calentamiento aerodinámico en la superficie del cuerpo. Aunque la onda de choque en la punta a velocidades supersónicas también es curva, la capa de entropía solo se observa a velocidades hipersónicas porque la magnitud de la curva es mucho mayor a velocidades hipersónicas. [11]
Desarrollo de armas hipersónicas
En el último año, China ha probado más armas hipersónicas de las que tenemos en una década. Tenemos que arreglar eso.
- Michael Griffin , subsecretario de Defensa de Estados Unidos para Investigación e Ingeniería , Flightglobal (2018) [14]
Dos tipos principales de armas hipersónicas son los misiles de crucero hipersónicos y los vehículos deslizantes hipersónicos . [15] Las armas hipersónicas, por definición, viajan cinco o más veces la velocidad del sonido. Los misiles de crucero hipersónicos, que funcionan con scramjet , están restringidos por debajo de los 100.000 pies; Los vehículos de deslizamiento hipersónico pueden viajar más alto. En comparación con una trayectoria balística (parabólica), un vehículo hipersónico sería capaz de desviaciones de gran ángulo de una trayectoria parabólica. [9] Según un informe de julio de 2019 de CNBC, Rusia y China lideran el desarrollo de armas hipersónicas, seguido por Estados Unidos, [16] [6] [17] y en este caso el problema se está abordando en un programa conjunto de todo el Departamento de Defensa. [18] Para satisfacer esta necesidad de desarrollo, el Ejército está participando en un programa conjunto con la Armada y la Fuerza Aérea para desarrollar un cuerpo deslizante hipersónico. [26] India también está desarrollando este tipo de armas. [27] Francia y Australia también pueden estar buscando la tecnología. [9] Japón está adquiriendo tanto scramjet (misil de crucero hipersónico) como armas de propulsión y planeo (proyectil de deslizamiento de hipervelocidad). [28]
El lanzamiento de armas hipersónicas de Waverider es una vía de desarrollo. El XingKong-2 de China (星空 二号, Starry-sky-2 ), un waverider, realizó su primer vuelo el 3 de agosto de 2018. [29] [30] [31]
En 2016, se cree que Rusia realizó dos pruebas exitosas de Avangard , un vehículo de deslizamiento hipersónico. La tercera prueba conocida, en 2017, falló. [32] En 2018, se lanzó un Avangard en la base de misiles Dombarovskiy , alcanzando su objetivo en el campo de tiro de Kura , una distancia de 3700 millas (5955 km). [33] Avangard utiliza nuevos materiales compuestos que deben soportar temperaturas de hasta 2.000 grados Celsius (3.632 grados Fahrenheit). [34] El entorno del Avangard a velocidades hipersónicas alcanza tales temperaturas. [34] Rusia consideró que su solución de fibra de carbono no era confiable, [35] y la reemplazó con materiales compuestos. [34] Primero se montarán dos vehículos deslizantes hipersónicos (HGV) Avangard [36] en misiles balísticos intercontinentales SS-19 ; el 27 de diciembre de 2019, el arma se envió por primera vez a la División de Misiles Yasnensky, una unidad en el Óblast de Orenburg . [37] En un informe anterior, Franz-Stefan Gady nombró a la unidad como el 13º Regimiento / División Dombarovskiy (Fuerza de Misiles Estratégicos). [36]
Estas pruebas han provocado respuestas de Estados Unidos en el desarrollo de armas [38] [39] [40] [41] por John Hyten 's USSTRATCOM comunicado 05:03, 8 de Agosto 2018 (UTC). [42] Al menos un proveedor está desarrollando cerámicas para manejar las temperaturas de los sistemas hipersónicos. [43] Hay más de una docena de proyectos hipersónicos de EE. UU. A partir de 2018, señala el comandante de USSTRATCOM; [42] [44] [45] del cual se busca un futuro misil de crucero hipersónico, quizás para el cuarto trimestre del año fiscal 2021. [46] El CFT de fuegos de precisión de largo alcance (LRPF) está apoyando la búsqueda de hipersónicos del Comando de Defensa de Misiles y Espacio . [49] Los programas conjuntos en hipersónicos se basan en el trabajo del Ejército; [50] [51] sin embargo, a nivel estratégico, la mayor parte del trabajo hipersónico permanece en el nivel Conjunto. [56] Los fuegos de precisión de largo alcance (LRPF) son una prioridad del Ejército y también un esfuerzo conjunto del Departamento de Defensa. [51] El Cuerpo de deslizamiento hipersónico común (C-HGB) del Ejército y la Armada tuvo una prueba exitosa de un prototipo en marzo de 2020. [57] [55] Se construirá un túnel de viento para probar vehículos hipersónicos en Texas (2019). [58] El misil hipersónico terrestre del Ejército "está destinado a tener un alcance de 1.400 millas". [59] : p.6 [25] Al agregar propulsión de cohetes a un proyectil o cuerpo deslizante, el esfuerzo conjunto redujo cinco años el tiempo de campo probable para los sistemas de armas hipersónicas. [60] [61] Las contramedidas contra los hipersónicos requerirán la fusión de datos de sensores: se requerirán datos de seguimiento de sensores de radar e infrarrojos para capturar la firma de un vehículo hipersónico en la atmósfera. [66] También existen sistemas hipersónicos desarrollados de forma privada. [67]
El Departamento de Defensa probó un cuerpo deslizante hipersónico común (C-HGB) en 2020. [57] [68] [69] Según el científico jefe de la Fuerza Aérea, Dr. Greg Zacharias , EE. UU. Anticipa tener armas hipersónicas para la década de 2020, [70] hipersónicas drones para la década de 2030 y aviones no tripulados hipersónicos recuperables para la década de 2040. [71] El enfoque del desarrollo del Departamento de Defensa estará en los sistemas hipersónicos de deslizamiento y impulso de respiración de aire. [72] Contrarrestar las armas hipersónicas durante su fase de crucero requerirá un radar con mayor alcance, así como sensores espaciales y sistemas de seguimiento y control de fuego. [72] [73] [74] [75]
Rand Corporation (28 de septiembre de 2017) estima que hay menos de una década para prevenir la proliferación de misiles hipersónicos. [76] De la misma manera que los misiles antibalísticos se desarrollaron como contramedidas a los misiles balísticos , las contramedidas a los sistemas hipersónicos aún no estaban en desarrollo, a partir de 2019. [9] [77] [35] [78] Pero por En 2019, se asignaron 157,4 millones de dólares en el presupuesto del Pentágono para el año fiscal 2020 para la defensa hipersónica, de los 2.600 millones de dólares para toda la investigación relacionada con los hipersónicos. [59] $ 207 millones del presupuesto del año fiscal 2021 se asignaron a hipersónicos defensivos, en comparación con la asignación presupuestaria del año fiscal 2020 de $ 157 millones. [79] Tanto Estados Unidos como Rusia se retiraron del Tratado de Fuerzas Nucleares de Alcance Intermedio (INF) en febrero de 2019. Esto estimulará el desarrollo de armas, incluidas las armas hipersónicas, [80] [81] en el año fiscal 2021 y en adelante. [82]
Australia y los EE. UU. Han comenzado el desarrollo conjunto de misiles hipersónicos lanzados desde el aire, como se anunció en una declaración del Pentágono el 30 de noviembre de 2020. El desarrollo se basará en la Experimentación de Investigación de Vuelo Internacional Hipersónico de 54 millones de dólares (HIFiRE) bajo la cual ambas naciones colaboraron en más de un año. Período de 15 años. [83] Las pequeñas y grandes empresas contribuirán al desarrollo de estos misiles hipersónicos. [84]
En 2021, el Departamento de Defensa está codificando las pautas de prueba de vuelo, el conocimiento adquirido del ataque rápido convencional (CPS) y los otros programas hipersónicos. [85]
Aviones volados
Avión hipersónico
- Aerojet General X-8 [86]
- X-15 norteamericano (tripulado) [87]
- Lockheed X-17 [88]
- NASA X-43
- Boeing X-51 [89]
- DF-ZF [90] [91]
- Avangard [92]
- HSTDV [93]
Aviones espaciales
- Orbitador del transbordador espacial (tripulado)
- Buran (clasificado para humanos, solo voló sin tripulación) [94]
- RLV-TD [95]
- Boeing X-37 [96]
- Shenlong [97]
- IXV [98]
- BOR-4 [99]
- Martin X-23 PRIME [100]
- Martin X-24 (tripulado) [101]
- ACTIVO [102]
- HYFLEX [103]
- Chongfu Shiyong Shiyan Hangtian Qi (disputado)
- Jiageng-1 [104]
Avión cancelado
Avión hipersónico
- Silbervogel (bombardero Sänger) [105]
- Bombardero Keldysh [106]
- Tupolev Tu-360 , continuación a Tu-160
- Tupolev Tu-2000 [107]
- Lockheed L-301
Aviones espaciales
- Boeing X-20 Dyna-Soar
- Rockwell X-30 (avión aeroespacial nacional)
- Ciencias orbitales X-34
- Mikoyan-Gurevich MiG-105
- Tsien Spaceplane 1949 [108]
- ESPERANZA-X [109]
- XCOR Lynx
- Lockheed Martin X-33 [110]
- Hermes [111]
- Prometeo [112]
- Sistema de lanzamiento de personal HL-20
- HL-42
- Mostaza BAC [113]
- Kliper [114]
- HOTOL
- Valier Raketenschiff [115]
- Rockwell C-1057 [116]
Aviones en desarrollo y propuestos
Avión hipersónico
- Plano I [117]
- 14-X
- Avatar (nave espacial) [118]
- Vehículo de tecnología avanzada [119]
- DARPA XS-1 [120]
- Cazador de sueños [121]
- NASA X-43 [122] [123]
- HyperSoar [124]
- Avión de pasajeros hipersónico HyperStar [125]
- Falcon HTV-2 [126]
- Avión de pasajeros hipersónico Boeing Commercial Airplanes Concept [127] [128]
- Lockheed Martin SR-72 [129]
- Vehículo de deslizamiento de impulso táctico [130] [131] [132]
- Kholod
- Programa para demostradores en órbita reutilizables en Europa (PRIDE)
- Sänger II [133]
- HyShot
- Hytex [134]
- Horus [135]
- SHEFEX
- Skylon [136]
- Motores de reacción A2
- Espartano [137]
- HEXAFLY [138]
- SpaceLiner [139]
- STRATOFLY [140]
- Transporte Hyper Sonic de emisión cero
Misiles de crucero y ojivas
- Arma hipersónica avanzada [141]
- AGM-183A Arma de respuesta rápida lanzada desde el aire (ARRW, pronunciado "flecha") [142] [143] [59] [144] Los datos de telemetría se han transmitido con éxito desde ARRW —AGM-183A IMV-2 (Vehículo de medición instrumentada) al Estaciones terrestres de Point Mugu, que demuestran la capacidad de transmitir radio con precisión a velocidades hipersónicas. [145] La Fuerza Aérea busca cientos de ARRW u otras armas hipersónicas. [146]
- Demostrador multi-misión hipersónico prescindible de respiración de aire ("Mayhem") [147] Basado en HAWC y HSSW: "misil de crucero convencional hipersónico sólido impulsado por cohetes, que respira aire", una continuación del AGM-183A. Hasta el momento no se ha realizado ningún trabajo de diseño.
- Concepto de arma hipersónica de respiración de aire (HAWC, pronunciado "halcón") [142] [59] [148] [149] Es más fácil poner un buscador en un vehículo subsónico de respiración de aire. [150]
- Arma de ataque convencional hipersónica (cancelada)
- Kh-45 (cancelado)
- Avangard
- Kinzhal [77]
- Circón
- Vehículo de demostración de tecnología hipersónica
- Vehículo de planeo hipersónico HGV-202F
- / Brahmos-II
- DF-ZF
Ver también
- Velocidad hipersónica
- Transporte supersónico
- Cuerpo de elevación
- Entrada atmosférica
- Impulsar el deslizamiento
- Scramjet
- Ramjet
- Lista de planos X
- Thunderbird 1
Referencias
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enlaces externos
- Un análisis comparativo del rendimiento de vehículos de hipervelocidad de largo alcance.
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