Calentones hipersónicos

Mi ausencia relativa de posts estos últimos días se debe al retiro espiritual forzoso que los exámenes de febrero, maravillosamente colocados sin duda, ahí todos apretaditos para que no pasen frío, me han impuesto. Pero no desesperéis, queridinos.

Ha vuelto vuestra dosis periódica de conocimiento físico/espacial sin restricciones.

Antes de nada, una ligera actualización sobre el post anterior. Como dije, nuestro amigo pseudo-secreto, el DSP-23, se encuentra vagando por el cinturón geostacionario sin control aparte del impuesto por la mecánica orbital. Pues bien, pocos días después, el satélite Astra 5A gastó todo su combustible en intentar mantener su orientación después de que un problema no identificado lo pusiera a girar descontroladamente. No consiguió estabilizarse, y las baterías se le agotaron, al no poder orientar sus paneles hacia el Sol. Parece ser que tiene combustible para irse a una órbita cementerio, pero sin control de orientación eso será bastante difícil.

De cabeza a la tumba por desorientarse

De cabeza a la tumba por desorientarse (via Gunter's Space Page - Credit: NSAB)

Sí, el Astra 5A pertenece al cluster de 31,5ºE, extrañamente cercano a la antigua posición del DSP-23. Y no acaba aquí la cosa. Un satélite euro-indio (el Eutelsat W2M) también ha fallado, tras sólo unos meses en órbita, ya que fue lanzado en noviembre del año pasado.

¡¡¡¡Extraterrestres!!!! ¡¡¡¡Masones!!!! ¡¡Sacad los misiles!!

Sí, sé que debería haber tomado medidas contra nuestro querido neocon. De todas formas, también estaba en la vecindad del DSP-23, bastante más cerca que el Astra 5A (cerca de los 16ºE).

¿Coincidencias? El tiempo lo dirá.

Pero yo iba a hablar de otra cosa. Como os habré martilleado la cabeza con ello, dentro de unos pocos días, el 12 de febrero según lo planeado, el transbordador espacial Discovery pegará un ligero saltito para plantarse en órbita y completar su misión de 2 semanas en la ISS, colocando el último panel solar, el S6 (Estribor-6 o, en inglés, Starboard-6). Si calcáis con furia equina en el link superior, accederéis a un exclusivo documento PDF con todos los detalles de esta importante misión.

Como siempre, una -carísima- misión de estas características no se ciñe a un objetivo concreto, sino a todos los que pueda abarcar. Se harán gran cantidad de experimentos (están todos explicados en el PDF anterior) aprovechando la estancia del Discovery en la estación, y eso que es una misión de construcción en la que no hay mucho tiempo para otras cosas. Andarán felizmente moviendo arriba y abajo equipamiento y suministros (una nueva centrifugadora para el infame reciclador de orina, por ejemplo), 4 paseos espaciales, tendrán actividades educativas, inspecciones del escudo térmico del transbordador… no son precisamente unas vacaciones de placer.

Mirar por la ventana no será una de sus prioridades

Mirar por la ventana no será una de sus prioridades

Y, cuando hayan acabado las inspecciones del escudo térmico que realizan tras cada misión, poco antes de volver a la Tierra, todavía quedará un experimento por completar. Uno que descubrirá fenómenos escasamente estudiados anteriormente, y que será de gran importancia para futuros aviones extremadamente rápidos, que podrán cubrir vuelos como Londres-Sydney en unas 5 horas. Estos aviones necesitan “saltar” fuera de la atmósfera para adquirir estas velocidades, mucho mayores que las alcanzadas incluso por misiles actualmente.

No estamos hablando, queridinos, de tonterías… sino de 10 ó 15 veces la velocidad del sonido.

Ten cuidado, nene, que como te pille… vas a quedar escaldado.

Ah, nuestra dulce abuela. Pues sí, así es. Pero lo que ineludiblemente pillará será al aire una vez vuelva a entrar en la atmósfera apreciable. Las moléculas de este aire no se podrán apartar antes de que el avión impacte contra ellas. De hecho, irá tan rápido que los golpes de esas moléculas con las que haya un poco más allá y con el propio fuselaje serán capaces de elevar cientos de grados la temperatura en el exterior del avión.

¿Un avión supersónico? Nada de eso. Estamos ante un vuelo hipersónico. Y de los fuertes.

Al transbordador espacial, sin embargo, eso le parece el ritmo de la abuela con el andador. Se lo cepilla en un momento. En órbita, se desplaza a 25 veces la velocidad del sonido (Mach 25) con respecto a la superficie de la Tierra. Cuando entra en la atmósfera densa, aún va a Mach 15, y su exterior se calienta. Mucho. Muchísimo. El acero se funde a unos 1200ºC. La panza del transbordador alcanza unos 1300ºC, con temperaturas superiores en los bordes de las alas y el morro.

Para protegerse, utilizan el Sistema de Protección Térmica (TPS), que puede ser de diferentes tipos según la temperatura que tenga que soportar cada zona. En las zonas más calientes, se utiliza carbono-carbono reforzado (los paneles grises del morro y los bordes de las alas); en la panza, losetas térmicas HRSI o FRCI; y las zonas blancas son losetas de baja temperatura o mantas térmicas reutilizables.

Tiene calentones periódicamente... es asi.

Tiene calentones periódicamente... es así.

Pero los 1300ºC son un ligero sofoco primaveral comparado con las condiciones a unos pocos centímetros de la superficie de la nave. En el vuelo hipersónico, se forma una capa de aire ionizado (a sus moléculas el golpe contra el bólido les arranca varios electrones) a alta temperatura, el famoso plasma, que sigue una dinámica de fluidos muy particular. Cuando caminamos, estamos acostumbrados a notar cómo el aire fluye alrededor de nuestro cuerpo. También la imagen de pruebas de aeordinámica de un coche, o del patatón de F1 de Alonso, es una imagen familiar. Quizá alguno más puesto en el tema se dé cuenta de las ondas de choque que forman los aviones supersónicos, porque el aire ya no se puede apartar a tiempo: la velocidad de transmisión de las ondas es igual o menor a la del objeto, así que nadie las avisa de que se aparten.

La dinámica de fluidos tiene dos variantes principales: la laminar y la turbulenta. Adivinad, sagaces lectores, cuál es cada una en esta imagen:

Malditos cartelitos...

Malditos cartelitos...

El transbordador está diseñado para que la zona más expuesta al flujo de aire, la panza, tenga flujo laminar hasta alcanzar velocidades bajas. Esto tiene un efecto crucial: mantiene a esos centímetros imprescindibles la capa frontera (boundary layer en inglés, queridos lectores internacionales), que es la región más allá de la cual el aire está a su máxima temperatura. Esto es así porque esa fina capa es aire que la nave arrastra consigo, por lo que funciona como un aislante. Si se produce turbulencia, el aire supercalentado llega a tocar la superficie de la nave, y no existen por ahora sistemas de protección que sean capaces de soportar un las temperaturas del régimen hipersónico turbulento.

Pero, ¿hasta dónde puede soportar pequeñas zonas donde sí haya trurbulencia? ¿Cuánta diferencia tiene que haber en la superficie para que se produzca turbulencia, separándose la capa frontera?

Para eso, los siempre imaginativos y sesudos ingenieros de la NASA idearon una solución sutil, sorprendente e ingeniosa. Un saliente.

En la loseta de arriba podéis ver el pitorro. Las losetas más negras son asi porque son más nuevas, las otras son reutilizadas.

En la loseta de arriba podéis ver el pitorro. Las losetas más negras son así porque son más nuevas, las otras son reutilizadas. En el link, el genial blog de Wayne Hale, un ingeniero de la NASA, antiguo jefe de transbordadores, donde explica más detalles del experimento.

Esto responderá a muchas preguntas sobre el régimen hipersónico, que no sólo se aplicarán a los fabulosos aviones que dan media vuelta al mundo en 5 horas, sino a motores más eficientes y veloces para aviones menos exóticos. La velocidad a la que viaja el avión no tiene por qué ser la misma (y no suele serlo) con la que se mueve el aire en los motores.

Vaya cutre. Que lo hagan con simulaciones, o en los túneles de viento esos.

Desgraciadamente, las simulaciones por ordenador están basadas en modelos matemáticos, que son inexactos si no se tienen datos reales en los que basarlos. Y los túneles de viento son demasiado pequeños, demasiado lentos u ofrecen demasiado poco tiempo de prueba como para igualar a este experimento.

Por seguridad, aunque están casi absolutamente seguros de que nada inesperado sucederá, han colocado la loseta con reborde bajo el ala izquierda del Discovery, en una zona donde el flujo de aire sólo tocará partes que no son vitales para aterrizar. Además, en caso de que hubiera daños cerca, por algún problema del despegue, y existiera el más mínimo peligro de que los gases turbulentos calentaran demasiado alguna zona, están entrenados para llegar hasta las últimas consecuencias.

¿Morir valientemente por la ciencia?

¿Estamos tontos? Abnegados sí, pero kamikazes no. Simplemente, harían lo siguiente…

Tecnologia al alcance de hasta el más humilde astronauta (cortesia de NasaSpaceFlight.com, sección L2)

Tecnología al alcance de hasta el más humilde astronauta (cortesía de NasaSpaceFlight.com, sección L2)

Sacar la Braun, y a serrar.

Y con estas piezas, amigos de Bricomanía, hemos conseguido hacernos un transbordador espacial con experiemento hipersónico… ¡y desmontable!

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~ por decalistoatriton en 29 enero 2009.

3 comentarios to “Calentones hipersónicos”

  1. Será la Bosch… la Braun es una batidora queridín. SDSDSSDSSDS

  2. Detalles sin importancia… 😛

  3. […] experimento que explicó fue el Boundary Layer Transition, que expliqué en el post que encontraréis calcando escolásticamente el link proporcionado. […]

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