Inicios de la investigación hipersónica

Primeros pasos en la investigación hipersónica

Weapons and Warfare




Sanger Amerika Bomber

El mundo de hoy del vuelo de alta velocidad es internacional, con importantes contribuciones que se han realizado recientemente en Japón, Australia y Rusia, así como en los Estados Unidos. Esto fue incluso más cierto durante la Segunda Guerra Mundial, cuando Adolf Hitler patrocinó programas de desarrollo que incluían los primeros cazas a reacción y el misil V-2. América tenía su propio centro de investigación en el Laboratorio Aeronáutico Langley Memorial de NACA, pero en aspectos importantes, América era poco más que un alumno apto de los alemanes en tiempos de guerra. Después de que los nazis se rindieron, el Ejército de los Estados Unidos trajo a Wernher von Braun y su equipo de cohetes a este país, y otros investigadores destacados también fueron bienvenidos.

Algunos de sus mejores trabajos habían apoyado al V-2, usando un par de túneles que operaban en Mach 4.4. Esto no fue suficiente para ser hipersónico, pero estas instalaciones hicieron una contribución clave al introducir equipos y métodos de investigación que pronto se utilizaron para estudiar los verdaderos flujos hipersónicos. En Peenemünde, un conjunto de experimentos introdujo una boquilla de túnel de viento de diseño especializado y llegó a Mach 8.8, convirtiéndose en el primero en alcanzar esa velocidad. Otros trabajos alemanes incluyeron el diseño de una instalación de 76,000 caballos de fuerza que podría haber alcanzado Mach 10.


La literatura técnica también contenía una discusión introductoria de una posible aplicación. Apareció en un informe de tiempos de guerra del Eugen Sänger de Austria, quien había propuesto construir un bombardero hipersónico que ampliaría su alcance saltando repetidamente la cima de la atmósfera como una piedra que salta sobre el agua. Este concepto no entró en la corriente principal del desarrollo de armas de posguerra, lo que le dio un lugar privilegiado al misil balístico de largo alcance. Aún así, el informe de Sänger introdujo saltarse la entrada como un nuevo modo de vuelo de alta velocidad, y dio una sugerencia novedosa sobre cómo las alas podrían aumentar el alcance de un vehículo propulsado por cohetes.

Dentro de Langley, la investigación en curso trató flujos que eran simplemente supersónicos. Sin embargo, el científico John Becker quería ir más allá y realizar estudios de flujos hipersónicos. Ya había pasado varios años en Langley, aprendiendo así su oficio de aerodinámico. Al mismo tiempo, todavía era relativamente joven, lo que significaba que gran parte de su carrera le esperaba. En 1947 logró un gran avance en hipersónicos al construir su primer instrumento de investigación importante, un túnel de viento de 11 pulgadas que operaba en Mach 6.9.

Trabajo alemán con flujos de alta velocidad

En la Technische Hochschule de Hannover, a principios del siglo XX, el físico Ludwig Prandtl fundó la ciencia de la aerodinámica. Extendiendo el trabajo anterior de Tullio Levi-Civita en Italia, introdujo el concepto de la capa límite. Lo describió como una capa delgada de aire, adyacente a un ala u otra superficie, que se adhiere a esta superficie y no sigue el flujo de corriente libre. Arrastre, fricción aerodinámica y transferencia de calor todo surge dentro de esta capa. Debido a que la capa límite es delgada, las ecuaciones del flujo de fluidos se simplificaron considerablemente, y las complejidades aerodinámicas importantes se volvieron matemáticamente manejables.

Ya en 1907, en un momento en que los hermanos Wright todavía no habían volado en público, Prandtl inició el estudio de los flujos supersónicos publicando las investigaciones de un chorro de vapor en Mach 1.5. Ahora estaba en la Universidad de Göttingen, donde construyó un pequeño túnel de viento supersónico. En 1911, el gobierno alemán fundó el Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft, una organización paraguas que patrocinó una amplia gama de institutos en muchas áreas de la ciencia y la ingeniería. Prandtl propuso establecer un centro en Göttingen para la investigación en aerodinámica e hidrodinámica, pero la Primera Guerra Mundial intervino, y no fue hasta 1925 que este laboratorio tomó forma.

Después de eso, sin embargo, el trabajo en supersónicos siguió adelante con un nuevo énfasis. Jakob Ackeret, un colega de Prandtl, tomó la iniciativa en la construcción de túneles de viento supersónicos. Era suizo, y construyó uno en la famosa Eidgenossische Technische Hochschule en Zurich. Esto atrajo la atención en la cercana Italia, donde el dictador Benito Mussolini estaba brindando un fuerte apoyo a la aviación. Ackeret se convirtió en asesor de la Fuerza Aérea italiana y construyó un segundo túnel de viento en Guidonia, cerca de Roma. Alcanzó velocidades cercanas a las 2,500 millas por hora (mph), que superaron con creces las que estaban disponibles en cualquier otro lugar del mundo.

Estas instalaciones eran del tipo de flujo continuo. Al igual que sus contrapartes subsónicas, funcionaban a niveles de potencia sustanciales y podían operar todo el día. En la Technische Hochschule en Aquisgrán, el aerodinámico Carl Wiesenberger adoptó un enfoque diferente en 1934 al construir una instalación de flujo intermitente que necesitaba mucha menos potencia. Esta instalación de “purga” se basó en una esfera evacuada, que aspiraba el aire exterior a través de una boquilla a velocidades que alcanzaban Mach 3.3.

Este túnel de viento era pequeño, con un diámetro de sección de prueba de solo cuatro pulgadas. Pero marcó el ritmo de la investigación supersónica de Alemania durante la guerra. El asistente de Wieselberger, Rudolf Hermann, fue a Peenemunde, el centro del desarrollo de cohetes de ese país, donde en 1937 se convirtió en el jefe de su nuevo Instituto de Aerodinámica. Allí construyó un par de grandes túneles supersónicos, con secciones de prueba de 16 pulgadas, que seguían el principio de purga de Aachen. Llegaron a Mach 4.4, pero no de inmediato. El rendimiento de un túnel de viento depende de su boquilla, y llevó tiempo desarrollar los diseños adecuados. A principios de 1941, la velocidad de trabajo más alta era Mach 2.5; Una boquilla para Mach 3.1 aún estaba en desarrollo. Las boquillas Mach 4.4 no estuvieron listas hasta 1942 o 1943.

Los alemanes nunca desarrollaron una verdadera capacidad en los hipersónicos, pero se acercaron. Los túneles Mach 4.4 introdujeron equipos y métodos de investigación que se trasladaron a este régimen de mayor velocidad. La esfera de vacío Peenemünde fue construida de acero remachada y tenía un diámetro de 40 pies. Su capacidad de mil metros cúbicos daba tiempos de ejecución de 20 segundos.4 La humedad era un problema; en Aquisgrán, Hermann había aprendido que la humedad en el aire podía condensarse cuando el aire se enfriaba a medida que se expandía a través de una boquilla supersónica, produciendo ondas de choque no deseadas que alteraban el número de Mach anticipado al tiempo que introducían no uniformidades en la dirección y la velocidad del flujo. En Peenemünde instaló un secador de aire que utilizaba gel de sílice para absorber la humedad del aire que estaba a punto de entrar en sus túneles supersónicos.

El desarrollo de la configuración estaba en la parte superior de su agenda. Para la mente moderna, el V-2 se parece a una nave espacial clásica, completa con aletas. Es más apropiado decir que los diseños de las naves espaciales se parecen a los V-2, ya que ese misil estuvo muy a la vanguardia durante los años de posguerra, cuando la ciencia ficción estaba en su apogeo. El V-2 necesitaba aletas para compensar la limitada eficacia de su guía, y su diseño era más complicado de lo que parecía. No podrían ser demasiado anchos, o el V-2 no podría pasar a través de los túneles del ferrocarril. Tampoco podrían extenderse demasiado por debajo del cuerpo del misil, o el escape del cohete, expandiéndose a gran altura, los quemaría.

El historiador Michael Neufeld señala que durante la década de 1930, "nadie sabía cómo diseñar aletas para el vuelo supersónico". El A-3, un misil de prueba que precedió al V-2, había demostrado ser demasiado estable; tendía simplemente a elevarse verticalmente, y su sistema de guía carecía de la autoridad para hacerlo inclinar. Sus aletas se habían estudiado en el túnel supersónico de Aquisgrán, pero este problema solo apareció en las pruebas de vuelo, y durante un tiempo no se supo cómo ir más lejos. Hermann Kurzweg, el asistente de Rudolf Hermann, investigó la estabilidad a baja velocidad construyendo un modelo y arrojándolo desde el techo de su casa. Cuando eso resultó insatisfactorio, lo montó en un cable, lo conectó a su auto y condujo una autopista a 60 mph.

El V-2 iba a volar a Mach 5, pero durante un tiempo hubo preocupación de que no superara a Mach 1. La barrera del sonido se alzaba como una barrera real, difícil de perforar, y en ese momento la gente no sabía cómo hacerlo. construir un túnel de viento transónico que daría resultados confiables. Los investigadores estudiaron este problema construyendo pesados ​​modelos de hierro de este misil y lanzándolos de un bombardero Heinkel He-111. Los observadores observaban desde el suelo; en un experimento, el mismo Von Braun pilotó un avión y se lanzó tras el modelo para observarlo desde el aire. De hecho, el diseño demostró ser marginalmente inestable en la región transónica, pero el V-2 tuvo el empuje para superar a Mach 1 con facilidad.

Un segundo misil de prueba, el A-5, también contribuyó al trabajo en el diseño de aletas. Apoyó el desarrollo del sistema de guía, pero también necesitaba aletas, y sirvió como un banco de pruebas para futuros estudios de vuelo. Pruebas de vuelo adicionales utilizaron modelos con una longitud de cinco pies que funcionaban con motores de cohetes que volaban con peróxido de hidrógeno como propelente.

Estas pruebas mostraron que un diseño de aleta inicial dado por Kurzweg tenía las mejores características de estabilidad subsónica. Posteriormente, el extenso trabajo en el túnel de viento tanto en Peenemunde como en las instalaciones de Zeppelin en Stuttgart cubrió la completa gama de Mach del V-2 y refinó el diseño. De esta manera, las aletas del V-2 fueron diseñadas con un apoyo mínimo de los grandes túneles de viento supersónicos de Peenemunde. Pero estos túneles se instalaron más tarde en la guerra, cuando los investigadores comenzaron a considerar cómo estirar el alcance de este misil agregando alas y convirtiéndolo en un planeador supersónico.

Una vez que los alemanes crearon una buena configuración para el V-2, se quedaron con él. Propusieron usarlo de nuevo en un misil de dos etapas que nuevamente tenía aletas que parecían excesivamente grandes para el ojo moderno, y que era cruzar el Atlántico para atacar Nueva York. Pero no se evitó la necesidad de una nueva ronda de pruebas en el túnel de viento para estudiar la segunda etapa de este misil intercontinental, el A-9, que iba a volar con alas barridas. Ya en 1935, Adolf Busemann, otro colega de Prandtl, había propuesto el uso de tales alas en un vuelo supersónico. Walter Dornberger, director de desarrollo de V-2, describe haber presenciado una prueba en el túnel de viento de la estabilidad de un modelo.

El modelo tenía "dos alas arqueadas, muy delgadas y arrastradas hacia atrás". Montada en su centro de gravedad, "giraba al menor contacto". Cuando comenzó la prueba, un técnico abrió una válvula para iniciar el flujo de aire. En palabras de Dornberger,

“El modelo se movió bruscamente, convirtiendo su nariz en la corriente de aire que se aproxima. Después de unas pocas oscilaciones de amortiguación rápida de ligera amplitud, permaneció silenciosa y estable en el aire que silbó a 4,4 veces la velocidad del sonido. En la nariz, y en los bordes de los soportes de las alas y el mecanismo de guía, las ondas de choque se podían ver claramente cuando viajaban en diagonal hacia atrás en un ángulo agudo.

A medida que la velocidad del flujo de aire disminuía y la prueba terminaba, el modelo ya no estaba en una posición estable. Dio algunas vueltas alrededor de su centro de gravedad, y luego se detuvo con la nariz apuntando hacia abajo. El experimento que el Dr. Hermann había deseado mostrarme había tenido un éxito perfecto. "Este proyectil, con forma de avión, se mantuvo absolutamente estable en un rango de velocidad supersónica de casi 3,500 mph".

El trabajo en el A-9 languideció durante gran parte de la guerra, ya que el V-2 ofrecía muchos problemas y tenía una prioridad mucho mayor. Pero en 1944, cuando los Aliados expulsaron a los alemanes de Francia y los rusos se acercaron desde el este, Dornberger y Von Braun enfrentaron las insistentes demandas de que sacaran un conejo de un sombrero y aumentaran el rango del V-2. El conejo era el A-9, con sus alas que prometían un alcance de 465 millas, tres veces más que el estándar V-2.

Ludwig Roth de Peenemunde procedió a construir dos prototipos. El V-2 era conocido por sus constructores como el A-4, y el A-9 de Roth ahora se convirtió en el A-4b, una designación que le permitió compartir la alta prioridad de ese programa principal. El A-4b tomó forma como un V-2 con alas barridas y con un conjunto estándar de aletas que incluían paletas de aire ligeramente agrandadas para un mejor control. Ciertamente, el A-4b necesitaba toda la ayuda que pudiera obtener, ya que la adición de alas lo había hecho muy sensible a los vientos.

El primer lanzamiento A-4b tuvo lugar a fines de diciembre de 1944. Se salió de control y se estrelló cuando el sistema de guía no pudo hacer frente a sus demandas. Los cohetes de Roth volvieron a intentarlo un mes más tarde, y el general Dornberger describe cómo este vuelo fue mucho mejor:

“El cohete, que trepaba verticalmente, alcanzó una altura máxima de casi 50 millas a una velocidad máxima de 2,700 mph. [Se] rompió la barrera del sonido sin problemas. Voló con estabilidad y se dirigió automáticamente a velocidades subsónicas y supersónicas. En la parte descendente de la trayectoria, poco después de que el cohete se niveló en el límite superior de la atmósfera y comenzó a deslizarse, se rompió un ala. Esta falla estructural resultó de cargas aerodinámicas excesivas ".

Este disparo logró sus objetivos de investigación, ya que demostró un lanzamiento exitoso y una aceleración a través de la barrera del sonido, superando el arrastre de las alas, e hizo estas cosas. El vuelo de planeo no estaba en la agenda, ya que si bien las pruebas en el túnel de viento podían demostrar estabilidad en un planeo supersónico, no podían evitar la entrada de la atmósfera en una actitud inadecuada, con el A-4b fuera de control.

Sin embargo, aunque los alemanes aún tenían lecciones para aprender sobre las cargas en un avión supersónico en vuelo, ciertamente habían demostrado que conocían su aerodinámica de alta velocidad. Uno coloca su logro en perspectiva al recordar que a lo largo de la década de 1950, Estados Unidos, mucho más rico y técnicamente más capacitado, realizó un vigoroso programa en la aviación impulsada por cohetes sin acercarse al rendimiento del A-4b. El mejor vuelo estadounidense, de un X-2 en 1956, se acercó a las 200 millas por hora, y esencialmente duplicó el fallo alemán cuando se salió de control, matando al piloto y chocando. Ningún avión cohete estadounidense superó las 2.700 mph de la A-4b hasta la X-15 en 1961.

Por lo tanto, sin operar en el régimen hipersónico, los túneles de viento de Peenemünde sentaron bases importantes, ya que complementaron técnicas de investigación alternativas como el lanzamiento de modelos de un bombardero y modelos a escala voladora bajo el poder de los cohetes. Además, el aerodinámico de Peenemünde Siegfried Erdmann utilizó las instalaciones de su centro para realizar los primeros experimentos del mundo con un flujo hipersónico.

En operación estándar, a velocidades de hasta Mach 4.4, los túneles de Peenemunde habían sido alimentados con aire del mundo exterior, a presión atmosférica. Erdmann sabía que un flujo hipersónico necesitaba más, por lo que se dispuso a alimentar su túnel con aire comprimido. También fabricó una boquilla especializada y apuntó a Mach 8.8, el doble del valor estándar. Su colega Peter Wegener describe lo que sucedió:

“Todo estaba listo para el primer experimento de flujo hipersónico. La relación de presión más alta posible en la sección de prueba se logró al evacuar la esfera hasta el límite que la bomba restante podría alcanzar. El suministro de la boquilla, en contraste con el de los números de Mach más bajos, ahora se proporcionaba por aire a una presión de alrededor de 90 atmósferas ... El experimento se inició abriendo la válvula de acción rápida. El flujo de breve duración se veía perfecto como se ve a través del sistema óptico. Se tomaron hermosas fotografías del flujo sobre modelos en forma de cuña, cilindros, esferas y otras formas simples, fotografías que parecían lo que uno esperaría de la teoría de la dinámica de los gases ".

Estas pruebas abordaron los problemas más fundamentales: ¿Cómo, concretamente, se opera un túnel de viento hipersónico? Los túneles supersónicos habían sido empapados por la condensación de vapor de agua, que había requerido el uso de gel de sílice para secar el aire. Una instalación hipersónica exigió una expansión mucho mayor del flujo, con temperaturas consecuentes que fueron aún más bajas. De hecho, tales velocidades de flujo trajeron la perspectiva de condensación del aire mismo.

Los manuales convencionales proporcionan las temperaturas de licuefacción del nitrógeno y el oxígeno, los principales constituyentes del aire, respectivamente, como 77 K y 90 K. Estos se refieren a las condiciones a la presión atmosférica; a las presiones de flujo en gran medida en un túnel de viento hipersónico, las temperaturas pertinentes son mucho más bajas. Además, Erdmann esperaba que su aire se “sobresaturara”, manteniendo su estado gaseoso debido a la rapidez de la expansión y, por lo tanto, del enfriamiento.

Esto no sucedió. En palabras de Wegener, "Al observar el flujo a través de las paredes de vidrio, se puede ver una densa niebla. Ahora sabemos que bajo las condiciones de este experimento en particular, el aire se había condensado parcialmente. La niebla estaba formada por gotitas de aire o partículas de aire sólidas que forman una nube, al igual que las nubes de agua que vemos en el cielo ". Para evitar tal condensación, resultó necesario no solo alimentar un túnel de viento hipersónico con aire comprimido, sino también Calienta este aire fuertemente.

Por lo tanto, uno tiene derecho a preguntarse si los alemanes habrían obtenido resultados útiles de su proyecto de túnel de viento más ambicioso, un sistema de flujo continuo que fue diseñado para alcanzar Mach 7, con una posible extensión a Mach 10. Sus calificaciones de potencia apuntan a la Ventaja de las instalaciones de purga, como las de Peenemünde. Las instalaciones de Mach 4.4 Peenemunde utilizaban una esfera de vacío común, cuya evacuación dependía de bombas con una potencia total de 1.100 caballos de fuerza. Se requerían niveles de potencia similares para secar el gel de sílice calentándolo, después de que se humedeciera. Pero la gran instalación hipersónica era tener una sección de prueba de un metro y demandaba 76,000 caballos de fuerza, o 57 megavatios.

Dichos requisitos de energía iban más allá de lo que se podía proporcionar de manera directa, y los planes para este túnel de viento requerían que usara la planta hidroeléctrica más grande de Alemania. Cerca de Kochel, en Baviera, dos lagos, Kochelsee y Walchensee, están separados en una elevación de 660 pies. Permanecen juntos, proporcionando un sitio ideal para generar energía hidroeléctrica, y una planta hidroeléctrica en ese lugar entró en operación en 1925, generando 120 megavatios. Debido a que el nuevo túnel de viento usaría la mitad de esta energía por sí solo, la planta de energía se ampliaría, y se suministraría agua adicional a la parte superior del lago mediante un túnel a través de las montañas para conectarse a otro lago.

Al formular estos planes, como en el A-4b, el alcance de Alemania superó su alcance. Además, si bien la gran instalación hipersónica debía tener una provisión generosa para secar el aire, no había nada que evitara que el aire se condensara, lo que habría hecho que los datos se hubieran descontrolado20. Sin embargo, a pesar de que podrían haber tenido que aprender sus lecciones en la dura escuela de la experiencia, Alemania estaba en camino de desarrollar una verdadera capacidad en hipersónicos para el final de la Segunda Guerra Mundial. Y uno de los conceptos más intrigantes que podrían haberse basado en esta capacidad fue uno del especialista en cohetes austriaco Eugen Sänger.