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En aerodinámica , una velocidad hipersónica es aquella que excede cinco veces la velocidad del sonido , a menudo se establece como una velocidad que comienza a partir de Mach 5. [1]
El número de Mach preciso al que se puede decir que una nave vuela a velocidad hipersónica varía, ya que los cambios físicos individuales en el flujo de aire (como la disociación molecular y la ionización ) ocurren a diferentes velocidades; estos efectos colectivamente se vuelven importantes alrededor de Mach 5-10. El régimen hipersónico también se puede definir alternativamente como velocidades donde la capacidad calorífica específica cambia con la temperatura del flujo a medida que la energía cinética del objeto en movimiento se convierte en calor. [2]
Si bien la definición de flujo hipersónico puede ser bastante vaga y generalmente debatible (especialmente debido a la ausencia de discontinuidad entre los flujos supersónicos e hipersónicos), un flujo hipersónico puede caracterizarse por ciertos fenómenos físicos que ya no pueden descartarse analíticamente como en el flujo supersónico. [ cita requerida ] Las peculiaridades de los flujos hipersónicos son las siguientes: [ cita requerida ]
A medida que aumenta el número de Mach de un cuerpo, también aumenta la densidad detrás de un arco de choque generado por el cuerpo, lo que corresponde a una disminución del volumen detrás del choque debido a la conservación de la masa . En consecuencia, la distancia entre el arco de choque y el cuerpo disminuye a números de Mach más altos. [3]
A medida que aumentan los números de Mach, el cambio de entropía a través del choque también aumenta, lo que da como resultado un fuerte gradiente de entropía y un flujo altamente vorticial que se mezcla con la capa límite .
Una parte de la gran energía cinética asociada con el flujo a números de Mach altos se transforma en energía interna en el fluido debido a los efectos viscosos. El aumento de la energía interna se materializa como un aumento de la temperatura. Dado que el gradiente de presión normal al flujo dentro de una capa límite es aproximadamente cero para números de Mach hipersónicos bajos a moderados, el aumento de la temperatura a través de la capa límite coincide con una disminución de la densidad. Esto hace que la parte inferior de la capa límite se expanda, de modo que la capa límite sobre el cuerpo se vuelve más gruesa y a menudo puede fusionarse con la onda de choque cerca del borde delantero del cuerpo. [ cita requerida ]
Las altas temperaturas debidas a una manifestación de disipación viscosa provocan propiedades de flujo químico que no están en equilibrio, como excitación vibracional y disociación e ionización de moléculas, lo que da como resultado un flujo de calor convectivo y radiativo . [ cita requerida ]
Aunque "subsónico" y "supersónico" suelen referirse a velocidades inferiores y superiores a la velocidad local del sonido respectivamente, los aerodinamistas suelen utilizar estos términos para referirse a rangos particulares de valores de Mach. Cuando una aeronave se aproxima a velocidades transónicas (alrededor de Mach 1), entra en un régimen especial. Las aproximaciones habituales basadas en las ecuaciones de Navier-Stokes , que funcionan bien para diseños subsónicos, comienzan a fallar porque, incluso en la corriente libre, algunas partes del flujo superan localmente Mach 1. Por lo tanto, se necesitan métodos más sofisticados para manejar este comportamiento complejo. [4]
El "régimen supersónico" se refiere generalmente al conjunto de números de Mach para los que se puede utilizar la teoría linealizada; por ejemplo, cuando el flujo ( de aire ) no reacciona químicamente y cuando la transferencia de calor entre el aire y el vehículo puede descuidarse razonablemente en los cálculos. En general, la NASA define hipersónico "alto" como cualquier número de Mach de 10 a 25, y velocidades de reentrada como cualquier velocidad superior a Mach 25. Entre las naves espaciales que operan en estos regímenes se encuentran las cápsulas espaciales Soyuz y Dragon que regresan; el transbordador espacial que ya estuvo en servicio ; varias naves espaciales reutilizables en desarrollo como la Starship de SpaceX y la Rocket Lab Electron ; y aviones espaciales (teóricos) . [ cita requerida ]
En la siguiente tabla se hace referencia a los "regímenes" o "rangos de valores de Mach" en lugar de los significados habituales de "subsónico" y "supersónico". [ cita requerida ]
La categorización del flujo de aire se basa en una serie de parámetros de similitud , que permiten la simplificación de un número casi infinito de casos de prueba en grupos de similitud. Para el flujo transónico y compresible , los números de Mach y Reynolds por sí solos permiten una buena categorización de muchos casos de flujo. [ cita requerida ]
Sin embargo, los flujos hipersónicos requieren otros parámetros de similitud. En primer lugar, las ecuaciones analíticas para el ángulo de choque oblicuo se vuelven casi independientes del número de Mach a números de Mach altos (~>10). En segundo lugar, la formación de choques fuertes alrededor de cuerpos aerodinámicos significa que el número de Reynolds de corriente libre es menos útil como una estimación del comportamiento de la capa límite sobre un cuerpo (aunque sigue siendo importante). Finalmente, el aumento de la temperatura del flujo hipersónico significa que los efectos reales del gas se vuelven importantes. Por lo tanto, la investigación en hipersónica a menudo se llama aerotermodinámica, en lugar de aerodinámica . [5]
La introducción de efectos de gas real significa que se requieren más variables para describir el estado completo de un gas. Mientras que un gas estacionario puede describirse mediante tres variables ( presión , temperatura , índice adiabático ) y un gas en movimiento mediante cuatro ( velocidad de flujo ), un gas caliente en equilibrio químico también requiere ecuaciones de estado para los componentes químicos del gas, y un gas en no equilibrio resuelve esas ecuaciones de estado utilizando el tiempo como una variable adicional. Esto significa que para el flujo en no equilibrio, pueden requerirse entre 10 y 100 variables para describir el estado del gas en un momento dado. Además, los flujos hipersónicos enrarecidos (generalmente definidos como aquellos con un número de Knudsen superior a 0,1) no siguen las ecuaciones de Navier-Stokes . [ cita requerida ]
Los flujos hipersónicos se clasifican generalmente por su energía total, expresada como entalpía total (MJ/kg), presión total (kPa-MPa), presión de estancamiento (kPa-MPa), temperatura de estancamiento (K) o velocidad de flujo (km/s). [ cita requerida ]
Wallace D. Hayes desarrolló un parámetro de similitud, similar a la regla del área de Whitcomb , que permitió comparar configuraciones similares. [ cita requerida ] En el estudio del flujo hipersónico sobre cuerpos delgados, el producto del número de Mach de corriente libre y el ángulo de desviación del flujo , conocido como parámetro de similitud hipersónica: se considera un parámetro de gobierno importante. [5] La relación de esbeltez de un vehículo , donde es el diámetro y es la longitud, a menudo se sustituye por .
El flujo hipersónico se puede dividir aproximadamente en varios regímenes. La selección de estos regímenes es aproximada, debido a que los límites donde se puede encontrar un efecto particular están borrosos. [ cita requerida ]
En este régimen, el gas puede considerarse un gas ideal . El flujo en este régimen sigue dependiendo del número de Mach. Las simulaciones comienzan a depender del uso de una pared de temperatura constante, en lugar de la pared adiabática que se usa típicamente a velocidades más bajas. El límite inferior de esta región está alrededor de Mach 5, donde los estatorreactores se vuelven ineficientes, y el límite superior alrededor de Mach 10-12. [ cita requerida ]
Este es un subconjunto del régimen de gas perfecto, en el que el gas puede considerarse químicamente perfecto, pero las temperaturas rotacionales y vibracionales del gas deben considerarse por separado, lo que da lugar a dos modelos de temperatura. Véase en particular el modelado de toberas supersónicas, donde la congelación vibracional cobra importancia. [ cita requerida ]
En este régimen, los gases diatómicos o poliatómicos (los gases que se encuentran en la mayoría de las atmósferas) comienzan a disociarse al entrar en contacto con la onda de choque generada por el cuerpo. La catálisis de superficie desempeña un papel en el cálculo del calentamiento de la superficie, lo que significa que el tipo de material de la superficie también tiene un efecto sobre el flujo. El límite inferior de este régimen es donde cualquier componente de una mezcla de gases comienza a disociarse por primera vez en el punto de estancamiento de un flujo (que para el nitrógeno es alrededor de 2000 K). En el límite superior de este régimen, los efectos de la ionización comienzan a tener un efecto sobre el flujo. [ cita requerida ]
En este régimen, la población de electrones ionizados del flujo estancado se vuelve significativa y los electrones deben modelarse por separado. A menudo, la temperatura de los electrones se maneja por separado de la temperatura de los componentes restantes del gas. Esta región se presenta para velocidades de flujo de corriente libre de alrededor de 3-4 km/s. Los gases en esta región se modelan como plasmas no radiantes . [ cita requerida ]
Por encima de los 12 km/s, la transferencia de calor a un vehículo pasa de estar dominada por la conducción a estar dominada por la radiación. El modelado de los gases en este régimen se divide en dos clases: [ cita requerida ]
El modelado de gases ópticamente espesos es extremadamente difícil, ya que, debido al cálculo de la radiación en cada punto, la carga de cálculo teóricamente se expande exponencialmente a medida que aumenta el número de puntos considerados.
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