Poder cruzar la mitad del planeta en apenas un poco más del tiempo que toma ver un episodio de tu serie favorita... Lo que antes era pura ficción pronto podría convertirse en nuestra realidad cotidiana, gracias a los avances recientes en el campo de los vuelos a muy alta velocidad.
Los viajes intercontinentales podrían transformarse radicalmente con la llegada de los vuelos hipersónicos. Actualmente, un trayecto entre Sídney y Los Ángeles requiere aproximadamente quince horas de vuelo, pero esta duración podría reducirse a solo sesenta minutos. El profesor Nicholaus Parziale afirma que esta tecnología tendría el efecto de "encoger el planeta", haciendo los desplazamientos más rápidos y agradables.
Para alcanzar tales velocidades, un avión tendría que volar a Mach 10, es decir, diez veces la velocidad del sonido. El obstáculo principal reside en la intensa turbulencia y el calor extremo generados cuando un aparato surca el aire a tales velocidades. El aire no se comporta de la misma manera a baja y alta velocidad. Por debajo de Mach 0,3, el flujo se considera incompresible: la densidad del aire varía poco, lo que simplifica los cálculos de diseño. A la velocidad del sonido (es decir, Mach 1), el flujo se considera compresible, porque el gas se comprime bajo el efecto de la presión y la temperatura.
La compresibilidad modifica profundamente la manera en que el aire interactúa con el avión, influyendo en parámetros esenciales como la sustentación, la resistencia aerodinámica y el empuje necesario para el vuelo. Los ingenieros dominan bien estos fenómenos a las velocidades subsónicas de los aviones de línea actuales, pero las condiciones encontradas entre Mach 5 y Mach 10 siguen siendo en gran medida desconocidas. Una idea directriz, conocida como la hipótesis de Morkovin, postula que el comportamiento turbulento del aire a estas velocidades elevadas volvería a ser similar al observado a velocidades más bajas, por debajo de Mach 1.
Para probar esta hipótesis, el equipo de Parziale ha desarrollado un experimento ingenioso que utiliza láseres. Ionizaron kriptón, un gas inyectado en el aire de un túnel de viento, creando una línea fluorescente que se deforma bajo el efecto de las turbulencias. Observando cómo esta línea se tuerce y ondula, los investigadores pudieron analizar la estructura del flujo a Mach 6. Los resultados, obtenidos después de once años de desarrollo, indican que el comportamiento turbulento a esta velocidad es efectivamente cercano al de los flujos incompresibles.
Nicholaus Parziale estima que los aviones hipersónicos podrían algún día conectar Los Ángeles con Sídney en una hora.
Crédito: Stevens Institute of Technology
Este descubrimiento simplificaría considerablemente el diseño de los aviones hipersónicos. Actualmente, simular numéricamente todos los detalles de un vuelo a Mach 6 requeriría recursos informáticos colosales, incluso imposibles de movilizar. La hipótesis de Morkovin permitiría hacer aproximaciones razonables, haciendo estos cálculos mucho más accesibles. Las aplicaciones también podrían extenderse al transporte espacial, permitiendo desarrollar vehículos capaces de alcanzar la órbita terrestre baja sin recurrir a los lanzadores tradicionales.
La hipótesis de Morkovin y la turbulencia
La hipótesis de Morkovin, formulada a mediados del siglo XX, propone una visión unificadora de la turbulencia a diferentes velocidades. Sugiere que el movimiento desordenado del aire, caracterizado por sus torbellinos y fluctuaciones, conserva propiedades fundamentales incluso cuando la velocidad supera ampliamente la del sonido. Esta idea cuestiona la intuición según la cual los flujos muy rápidos serían radicalmente diferentes de los flujos más lentos.
En los flujos compresibles, la densidad del aire varía significativamente con la presión y la temperatura, lo que complica el análisis. Sin embargo, Morkovin postula que la estructura de la turbulencia, es decir, la manera en que se forman e interactúan los torbellinos, permanece en gran medida inalterada. Esto significa que los modelos matemáticos y los conceptos utilizados para describir la turbulencia a baja velocidad podrían adaptarse en lugar de reemplazarse.
La validación experimental de esta hipótesis abre perspectivas importantes para la aerodinámica. Si la turbulencia se comporta de manera similar a diferentes velocidades, los ingenieros pueden apoyarse en conocimientos ya establecidos para diseñar vehículos hipersónicos. Esto reduce la incertidumbre y acelera el desarrollo de tecnologías capaces de funcionar en condiciones extremas, donde los errores de diseño pueden tener consecuencias catastróficas.
Más allá de la aeronáutica, esta comprensión de la turbulencia podría beneficiar a otros campos, como la meteorología o la energía eólica, donde los flujos rápidos y turbulentos son moneda corriente. Un enfoque unificado simplificaría la modelización y mejoraría la precisión de las predicciones, ya sea para el vuelo de un avión o para la trayectoria de una tormenta.
Fuente: Nature Communications