El hallazgo que simplifica los vuelos hipersónicos comerciales y los acerca a la realidad

Un equipo del Stevens Institute of Technology en Estados Unidos ha conseguido la primera prueba experimental de la hipótesis de Morkovin, una teoría formulada a mediados del siglo XX que sostiene que la turbulencia del aire a velocidades hipersónicas no es diferente de la que se produce a velocidades más lentas. El hallazgo, publicado en la revista Nature Communications, sugiere que los aviones hipersónicos no necesitarían diseños radicalmente distintos a los actuales, lo que simplificaría enormemente su desarrollo y los acerca a ser una realidad que muchos dan por imposible.​

Los ingenieros aeroespaciales llevan décadas intentando comprender cómo se comporta el aire cuando un objeto lo atraviesa a velocidades hipersónicas, superiores a cinco veces las del sonido (6.174 km/h). Por debajo de esa velocidad, la densidad del aire permanece relativamente constante, un fenómeno conocido como flujo incompresible. Pero por encima el aire cambia significativamente su densidad con la presión y la temperatura (flujo comprensible), alterando factores clave para los aviones como la sustentación, la resistencia y el empuje necesario para despegar o mantenerse en el aire.​

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Sin embargo, el trabajo del profesor Nicholaus Parziale y su equipo ha demostrado que las turbulencias a velocidades hipersónicas son similares a las que producen cuando se vuela más lento. Parziale ha sido galardonado con el prestigioso Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers por su investigación sobre la mecánica de fluidos en vuelos a alta velocidad. El investigador cree que este avance hace el planeta más pequeño. "Hará que viajar sea más rápido, más fácil y más agradable", asegura.​

Probando la hipótesis de Morkovin

El equipo de Parziale empleó una moderna técnica de visualización que consiste en inyectar gas kriptón en el flujo de aire de un túnel de viento y utilizar láseres para ionizarlo, creando una línea inicialmente recta de átomos de kriptón que brillaba temporalmente. Luego usaron cámaras de ultraalta resolución para capturar imágenes de cómo esa línea fluorescente se mueve, se dobla y se retuerce a través del aire.

"A medida que esa línea se mueve con el gas, puedes ver arrugas y estructura en el flujo, y a partir de eso, podemos aprender mucho sobre la turbulencia", explica Parziale. "La técnica de visualización permitió estudiar la estructura fina de la turbulencia del flujo a Mach 6, es decir, seis veces la velocidad del sonido, aproximadamente 7.403 km/h".

El equipo observó que el comportamiento de la turbulencia a Mach 6 es bastante similar al del flujo incompresible que se produce a velocidades mucho más bajas, algo que daría la razón a la hipótesis formulada por Mark Morkovin a mediados del siglo XX. La hipótesis de Morkovin sugiere que aunque la densidad y la temperatura del aire cambian más en flujos rápidos, el movimiento básico y agitado de la turbulencia permanece prácticamente igual.

"Básicamente, la hipótesis de Morkovin significa que la forma en que se mueve el aire turbulento a velocidades bajas y altas no es tan diferente", apunta Parziale. Si la hipótesis es correcta, significa que los ingenieros no necesitan crear nuevos diseños de aeronaves que se soporten la turbulencia a estas velocidades más altas, sino que pueden usar los mismos conceptos de avión que se emplean para flujos más lentos.​

Madrid-Sydney en una hora

Para cubrir rutas aéreas como un Madrid-Sydney en aproximadamente una hora hacen falta velocidades de Mach 10 (12.348 km/h). Lo que significaría que los aviones comerciales tendrían que multiplicar por cinco su velocidad. Los aviones militares ya alcanzan Mach 2 o Mach 3, pero el salto a Mach 10 requiere resolver el enigma de la turbulencia extrema y el calor intenso que se produce al atravesar la atmósfera a tales velocidades.

Aunque el experimento supone un gran avance que es un paso crucial para lograrlo, el equipo admite que los experimentos no han confirmado completamente la hipótesis en todas las condiciones operativas. Hoy en día, dicen, diseñar un avión que vuele a Mach 6 mediante simulación computacional que tenga en cuenta todos los pequeños detalles sería prácticamente imposible debido a la enorme cantidad de recursos de computación necesarios para lograrlo. "La hipótesis de Morkovin nos permite hacer suposiciones simplificadoras para que las demandas computacionales de diseñar vehículos hipersónicos puedan volverse más factibles", señala Parziale.​

El trabajo del laboratorio de Parziale ha sido financiado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y Oficina de Investigación Naval estadounidenses y las implicaciones de su descubrimiento van más allá de los viajes comerciales en la Tierra. Un diseño simplificado para aeronaves hipersónicas también beneficiaría los futuros viajes espaciales. Si se pueden construir aviones que vuelen a velocidad hipersónica, también se podrían usar para volar hacia el espacio y dejar de depender únicamente de lanzamientos de cohetes, señala el equipo.

Esto haría que el transporte desde y hacia la órbita terrestre baja fuera mucho más fácil y barato.​ "Será un cambio radical para el transporte no solo en la Tierra, sino también en órbita baja", concluye Parziale.