Avião supersônico, como funciona? Velocidade?

Em Máquinas incríveis por André M. Coelho

Você já deve ter ido a uma apresentação de aviões ou visto vídeos, como o que ilustra nosso artigo. As pessoas estão olhando os aviões fazendo manobras e, de repente, ele parede rasgar o ar em um cogumelo de vento, e um grande barulho quase estoura seus tímpanos. Isso é o barulho de um avião quebrando a barreira do som. Mas como é o processo até o avião chegar na quebra da velocidade do som? E o que é a famosa velocidade Mach, que ouvimos tanto em filmes e seriados de ação?

Qual a velocidade para quebrar a barreira do som: acima de Mach 1

O número Mach é, em sua essência, uma razão entre a velocidade do objeto e a velocidade do som. Mach 1, em sua definição, é igual à velocidade do som. Mach 0 é 65% da velocidade do som. Mach 2 é 2 vezes a velocidade do som, e assim por diante. Quando um avião supersônico atinge Mach 1, ele está voando a 343 metros por segundo, que são incríveis 1234 quilômetros por hora. Só a título de comparação, um carro de Fórmula 1 geralmente corre em velocidades médias entre 200 km/h e 300 km/h. Assim que ele ultrapassa essa velocidade, o avião oficialmente quebrou a barreira do som.

Avião supersônico quebrando a barreira do som: como acontece?

Quando um avião a jato voa mais rápido do que Mach 1, que é além da velocidade do som, o ar que entra nos motores está movendo-se também em velocidades supersônicas. Mas nenhum compressor de turbojato (os discos giratórios e as pás do motor que comprimem o ar antes de ser misturado com combustível) é capaz de manusear o fluxo de ar supersônico. O motor reduz a velocidade do ar de entrada para velocidades subsônicas antes de passar através do motor e continuar proporcionando aceleração, manobrabilidade, e estabilidade ao avião ou jato.

O trabalho da entrada é complicado pelo fato de que o ar se movendo supersonicamente se comporta de maneira diferente do ar subsônico. Uma aeronave voando subsonicamente empurra através do ar à frente dela, com cada molécula de ar tendo tempo de sobra para passar sobre suas asas e fuselagem. Mas quando um avião se aproxima de Mach 1, ele comprime o ar à sua frente em ondas de choque, que são muito mais quentes e densas do que o ar ambiente.

Os motores de turbojato não podem “digerir” as ondas de choque geradas por suas entradas, e um papel crucial dos mecanismos de entrada de ar é manter as ondas de choque posicionadas de modo que não causem nenhum dano.

O exato momento de um caça quebrando a barreira do som. Não é lindo? (Foto: Inhabitat)

Avião supersônico: a mecânica das velocidades acima de Mach 1

Para lidar com as dinâmicas e forças envolvidas em velocidades supersônicas, um design de entrada baseado em um corpo em forma de cone ou ponta de lança geralmente é utilizado na aeronave. Isso gera uma onda de choque em forma de cone oblíquo na entrada, e uma onda de choque normal, subindo em um ângulo reto. a partir da direção do fluxo de ar, logo depois da entrada interna de ar.

À medida que o jato aumenta sua velocidade, a entrada varia sua geometria exterior e interior para manter a onda de choque em forma de cone e a onda de choque normal posicionadas apropriadamente. A geometria da entrada é alterada quando a ponta se retrai em direção ao motor. A partir de uma cerca velocidade Mach, e com a ponta totalmente para trás, a área de captura de fluxo de ar aumenta consideravelmente, ao mesmo passo em que a área da entrada de ar reduziu em proporções semelhantes.

A forma cônica da ponta também reduz gradualmente a velocidade do ar supersônico entrante sem produzir uma drástica perda de pressão. Quanto mais para trás sobre o cone do ar se move, mais velocidade ele é capaz de promover. À medida que o ar lento, mas ainda supersônico, continua a se mover mais para dentro da entrada, a onda de choque normal surge entre a entrada e o compressor do motor, exatamente onde ele deve estar. Uma vez lá, a onda de choque normal retarda o ar passando através dele para velocidades subsônicas, preparando-a para entrar no compressor.

É um ato de equilíbrio constante para manter a onda de choque normal na posição correta. A entrada tem um sensor de pressão interna, e quando ele detecta que a pressão cresceu muito, ele aciona as portas de suporte, expulsando o ar em excesso. A entrada também tem um conjunto de portas de derivação traseiras, controladas pelo piloto. As portas dianteiras e traseiras de suporte trabalham na oposição uma a outra: abrir as portas traseiras faz com que as portas dianteiras se fechem, e quando o piloto fecha as portas traseiras, as portas dianteiras abrem-se por sua vez. Entenda isso mais ou menos como a pressão em uma panela: a válvula vai se abrir para expulsar o excesso de pressão, e se a pressão for alta demais, há uma válvula de alívio que vai se abrir, liberando mais pressão ainda.

Os sistemas diferem um pouco em cada tipo de avião supersônico mas, em sua essência, essa é a dinâmica. Veja agora alguns aviões quebrando a barreira do som, para te inspirar:

Curiosidades: que vantagem existe para os aviões supersônicos voarem na estratosfera e não na troposfera?

Uma pergunta comum em vestibulares. E é bem simples de responder. O primeiro motivo, mais óbvio, é para aproveitar uma área que está acima das nuvens de tempestade e com menos turbulência (fluxo de ar). Mas o principal motivo é a presença de um ar mais rarefeito. Dessa forma, o ar apresenta menor resistividade, poupando combustível e tornando mais fácil que o jato desenvolva a velocidade.

A força de gravidade que um piloto sofre em velocidades supersônicas

A força G é uma força que age sobre seu corpo à medida que um veículo acelera. Se um simples espirro produz uma força de 3,5 G sobre seu corpo e já te deixa com dores de cabeça, imagine um avião em velocidades supersônicas? Em alguns casos, um avião supersônico pode gerar até 9 Gs (9 vezes a força da gravidade normal). 10 G ou mais são forças que provocam danos permanentes ao indivíduo.

Para evitar que os pilotos de caças supersônicos tenham danos permanentes, vários recursos são utilizados, desde cabines pressurizadas até roupas especiais para suportar as forças G e adaptar o corpo dos indivíduos a essas forças.

Deu pra entender um pouco sobre como é voar nas velocidades supersônicas? O que você não conhecia? O que nós esquecemos de colocar aqui sobre essa incrível tecnologia?

Sobre o autor

Engenheiro eletricista, André sempre foi interessado em novas tecnologias. Na primeira década dos anos 2000, atuou como consultor tecnológico em empresas, ajudando as empresas a escolherem as melhores tecnologias para suas necessidades. Desde então, continuou estudando o assunto e hoje compartilha o que aprendeu e continua aprendendo através do site Tecnologia É.

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