Voos supersônicos

A velocidade supersônica se refere a qualquer velocidade acima da velocidade do som. Os mais modernos aviões de caça voam acima da velocidade do som, mas também existiram aviões supersônicos de passageiros e projéteis de modernas armas de fogo.

Avião rompendo a barreira do som: note o cone branco formado pela compressão e condensação do vapor d'água devido à compressão das camadas de ar e formação do cone de Mach.

Avião rompendo a barreira do som: note o cone branco formado pela compressão e condensação do vapor d’água devido à compressão das camadas de ar e formação do cone de Mach.

O som viaja através de ondas,  usando um meio de propagação, como o ar. Essas ondas movem-se da mesma maneira como quando jogamos uma pedra sobre um lago: uma onda circular se forma no ponto em que a pedra atinge o lago e se afasta, expandindo-se a uma velocidade constante. Se atirarmos várias pedras no mesmo ponto em intervalos regulares, formaremos ondas concêntricas. Na atmosfera padrão (ao nível do mar), a velocidade do som equivale a 340 m/s (ou 1255 km/h). Primeiramente, é importante comentar que velocidade do som diminui ligeiramente com a altitude, devido às baixas temperaturas encontradas. A altitudes ainda mais elevadas, onde a temperatura começa a aumentar, também ocorre o aumento na velocidade do som.

Uma unidade de medida de velocidade muito utilizada é o número de Mach (pronuncia-se “mak”), que é definida como a relação entre a velocidade do objeto e a velocidade do som. Assim, se um corpo voa a Mach 1, voa na velocidade do som ao nível do mar. A origem do nome é uma homenagem ao físico e filósofo austríaco Ernst Mach, que publicou em 1877 a sua teoria sobre a possibilidade de um corpo ser capaz de ultrapassar a velocidade do som.

A velocidade transônica está entre a velocidade sub e supersônica, iniciando-se quando as primeiras partes do corpo alcançam Mach maior que 1 e começa a aparecer uma barreira de ar fortemente comprimido em volta das asas do avião. Segue-se um forte estrondo sonoro quando o avião excede Mach 1, formado por uma abrupta diferença de pressão. Essa é a “onda de choque” (ou barreira do som), que estende-se da traseira à dianteira com uma forma de cone (chamado cone de Mach). Interessante é que o piloto da aeronave não consegue ouvir este ruído, pois ele e o avião estão mais rápidos que o som, sendo possível ouvir o som somente após a passagem do avião. Veja um vídeo com alguns caças supersônicos ilustrando essa situação:

Quando o ar em fluxo supersônico é comprimido, sua pressão e densidade aumentam, formando a onda de choque. As ondas de choque geradas por um avião em voo supersônico atingirão o solo depois da passagem do avião que as está produzindo, pois esse é mais veloz. Esse fenômeno pode, em certas circunstâncias, ser forte o suficiente para produzir danos materiais no solo, como quebra de vidros, rachaduras em paredes, muros e outros estragos (como a quebra de vidros do Superior Tribunal Federal em Brasília em 2012). Outro problema é o calor e dilatação enfrentados durante um voo supersônico (veja mais no post Entortando o trilho de trem).

Em meados dos anos 60 acreditava-se que a próxima revolução no transporte de passageiros se daria através dos voos supersônicos. Existiram dois modelos de aviões supersônicos para passageiros: Concorde e Tupolev Tu-144.

Tupolev Tu-144 (acima) e Concorde: o nariz do avião durante o pouso se inclina 25 graus para baixo, para visualização da pista e também para que o arrasto seja maior, substituindo os para-quedas traseiros como freio aerodinâmico.

Tupolev Tu-144 (acima) e Concorde: o nariz do avião durante o pouso se inclina 25 graus para baixo, para visualização da pista e também para que o arrasto seja maior, substituindo os para-quedas traseiros como freio aerodinâmico.

O Concorde operava em velocidades supersônicas (Mach 2,02) sobre o mar, acelerando após deixar o continente e alcançar altitudes elevadas, minimizando os efeitos do estrondo sônico. A construção dessa aeronave foi realizada por um consórcio formado entre empresas britânica e francesa, sendo o primeiro voo realizado em 1969. Foram encomendadas várias aeronaves por diversas companhias, mas devido a a crise do petróleo dos anos 1970, dificuldades financeiras por parte dos parceiros das companhias aéreas, e problemas ambientais como ruído, poluição e gasto de combustível elevado, apenas Air France e British Airways sobreviveram como únicas compradoras do Concorde. Em 25 de julho de 2000, um Concorde da Air France acidentou-se (com perda total) por causa de uma peça de um DC-10 da Continental Airlines que estava no meio da pista e havia decolado 5 minutos antes do Concorde, causando a paralisação de toda a frota francesa e britânica. Este acidente foi o começo do fim para o Concorde, que fez seu último voo em 2003.

Durante o programa de testes do avião soviético Tupolev Tu-144, o avião atingiu Mach 1 em junho de 1969 (3 meses antes do concorrente franco-britânico), e superou, como primeiro avião comercial do mundo, a marca de Mach 2, em maio de 1970. A Boeing, com seu ousado Boeing 2707 de asas com geometria variável, acabou abandonado a corrida antes mesmo da conclusão dos protótipos devido a diversos problemas de engenharia, alto custo do projeto e atrasos consecutivos no cronograma. Maior e mais largo que o Concorde, tinha 65 metros de comprimentos e era capaz de transportar até 140 pessoas a Mach 2,0, equivalente a 2.142 km/h. Seu alcance deveria ficar entre 5 mil e 6 mil quilômetros, dependendo da carga. Operado pela companhia estatal soviética Aeroflot, realizou apenas 102 voos comerciais até ser oficialmente retirado de serviço, em 1978, principalmente por causa da falta de confiabilidade e exagerada complexidade da aeronave.

No final do mês de março de 2013, a NASA apresentou ao mundo seu projeto de um avião hipersônico (voa acima de Mach 5). Durante alguns minutos, o protótipo batizado de X-43A voou sobre o oceano Pacífico a quase 8 mil km/h (Mach 7), uma velocidade dez vezes maior que os atuais aviões comerciais. Com esta velocidade, uma viagem pelo eixo Rio – São Paulo pode ser feita em cerca de quatro minutos. O recorde anterior de velocidade era do avião-espião Blackbird, que atinge 3500 km/h.

Investigadores do MIT (Massachusetts Institute of Technology) estão desenvolvendo o motor de propulsão iônica, capaz de superar os motores a jato convencionais. O “vento iônico” é formado quando uma corrente elétrica passa entre dois eletrodos (um mais fino que o outro), o que cria um fluxo de ar; se a diferença de potencial for grande o suficiente, o vento resultante pode ser forte o suficiente para gerar o empuxo da aeronave sem utilizar a queima de combustível. Os motores a jato produzem cerca de 2N/kW de impulsão, enquanto que a propulsão iônica pode gerar 110N/kW de impulsão. São também silêncios, não produzem calor, não polui e é também bastante eficiente. Porém, aspectos tecnológicos ainda restringem a utilização viável dessa novidade. No projeto mais simples de motor iônico, os íons frequentemente colidem com a grade aceleradora, desgastando-a e provocando eventuais falhas. Grades aceleradoras menores diminuem a probabilidade de colisões, porém também diminuem a quantidade de carga elétrica que podem acumular, diminuindo assim a aceleração. Veja mais no site do MIT e no vídeo abaixo (motor iônico simples funcionando):

Fontes: Folha de São Paulo, Wikipedia e Jalopnik.

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