No salão aeronáutico MAKS 2019, engenheiros russos apresentaram o modelo de um avião comercial de passageiros supersônico de nova geração. As soluções técnicas que nele serão implementadas permitirão a criação de uma aeronave que satisfaça plenamente os atuais requisitos rigorosos de eficiência, respeito pelo ambiente e conforto.
Aviação supersônica está de novo na moda
"Na URSS, os trabalhos para criar um avião supersônico de passageiros foi iniciado no início dos anos 60 e, em 31 de dezembro de 1968, decolou o primeiro Tu-144. Passou meio século, um período longo. Desde então, a tecnologia no mundo mudou drasticamente", diz o acadêmico Sergei Chernyshev, diretor científico do Instituto Central de Aerohidrodinâmica Zhukovsky (TsAGI) e professor do Instituto Físico-Técnico de Moscou, um dos principais especialistas na área do impacto sonoro.
O Tu-144 tinha boas características de voo, tinha velocidade de 2,2 vezes mais rápida que a do som. No entanto, o elevado consumo de combustível e problemas técnicos de difícil resolução limitaram significativamente sua utilização. O fator econômico também foi importante.
Outro problema, que não era fundamental nesses anos, mas que hoje em dia é de grande importância, é o alto nível de ruído durante a decolagem e quando a velocidade do som é atingida.
Esse problema também foi enfrentado pelo Concorde francês, que voava a partir de Londres até 2003. Hoje em dia é impossível operar tais aeronaves: elas simplesmente não se enquadram nas normas nacionais e internacionais de aviação.
Por exemplo, um voo de Moscou para Tóquio demora dez horas, e tendo em conta as viagens de e para o aeroporto, o controlo de passaportes e o tempo de espera da bagagem, tudo isso dura a maior parte de um dia. De acordo com as normas atuais, isso é uma perda de tempo inaceitável.
É por isso que a demanda por aviação supersônica está mais uma vez amadurecendo na sociedade, principalmente entre empresários e grandes corporações.
Os investidores que estão prontos para investir em tais projetos sentem isso. Cientistas e engenheiros da Rússia, dos Estados Unidos, do Japão e da UE começaram a desenvolver aeronaves de nova geração.
Motores são o elo fundamental
Os desenvolvedores terão que criar motores fundamentalmente novos. Motores de circuito duplo com bocais de maior diâmetro estão agora sendo instalados em aeronaves subsônicas para reduzir a velocidade do jato de saída e, portanto, o nível de ruído. Não será possível ultrapassar a velocidade do som com eles: os motores grandes aumentam a resistência do ar.
"Portanto, o 'barril' deve ser reduzido, diminuindo assim o grau de circuito duplo. O fluxo se tornará mais rápido, mas o ruído aumentará. Aqui você melhora algo, mas outra coisa logo piora. Uma solução simples seria suspender os motores sob a asa, como no avião subsônico, mas não é adequada. No nosso modelo eles estão localizados acima da célula da aeronave. Em primeiro lugar, ela própria filtra um pouco seu ruído e, em segundo lugar, o fluxo escorre sobre a sua superfície, arrasta o ar frio à volta, o tamanho transversal efetivo do fluxo aumenta e a velocidade diminui, ou seja, podemos abrandá-la obtendo um bom empuxo do motor. Mais ninguém tem isto, é um conceito novo", explica o cientista.
Claro que, continua ele, seria bom fazer um motor de ciclo variável. À decolagem ele teria uma grande dimensão transversal para fazer menos ruído, em voo a seção transversal seria reduzida, diminuindo a resistência do ar e permitindo a aceleração, e a nível subsônico aumentaria de novo. Mas este é ainda um conceito pouco desenvolvido.
O esqueleto é como o de um pássaro
O avião voa na atmosfera empurrando e arrastando atrás de si uma enorme massa de substância. Quanto maior a velocidade, maior a resistência do ar.
Imagine que uma pessoa corre da praia para a água: primeiro é fácil, mas depois os pés ficam presos como se tivessem pesos. O mesmo se passa com o avião ao mudar para velocidade supersônica. Uma forma de resolver o problema é aumentar a altitude de voo até 15 ou mesmo 18 quilômetros. A atmosfera lá é menos densa.
Quanto mais rápido um avião se move, mais quente fica seu casco, especialmente as partes pontiagudas: o nariz, as bordas frontais da asa, as bordas de entrada de ar. O Tu-144, que voava à velocidade de cruzeiro de Mach 2,2 aquecia até 120-150 graus. A liga de alumínio (da qual o casco é feito) iria derreter com uma temperatura um pouco maior.
"Aqui, o esquema de estrutura e de forças é importante. Hoje, construtores de aeronaves em todo o mundo usam o conceito de 'blackmetal' ou 'alumínio preto', quando o esqueleto da fuselagem é feito de compósitos em um esquema tradicional com longarinas longitudinais e cavernas transversais", explica cientista. "Para os novos aviões supersônicos o modelo não é adequado. Nós propomos um desenho de malha, e com uma malha de células irregular. Se a carga é maior, como na asa, há uma malha mais densa, no nariz, onde a carga é menor, a malha é pouco densa".
"Esta é uma estrutura de forças biônica da aeronave, ou seja, tal como na natureza. Como os esqueletos de pássaros ou humanos", diz o acadêmico Chernyshev.
Em modo não tripulado
Uma aeronave supersônica deve ter uma configuração aerodinâmica diferente para assegurar a alta velocidade, a estabilidade de voo e a aterrisagem em pistas normais. A abordagem tradicional utilizada no Tu-144 e no Concorde é de uma asa triangular de grande enflechamento, para reduzir a resistência frontal e o impacto sonoro.
O nariz de grou do Tu-144 se tornou seu cartão de visita. É direito em voo, mas baixa quando aterrissa para não obstruir a vista dos pilotos.
Para o controlar foram acrescentados acionamentos hidráulicos, e isso é um peso extra. Os engenheiros do TsAGI sugerem "matar dois pássaros com uma só pedra". Fazer a fuselagem inteira sem janelas, mesmo na cabine dos pilotos. Em vez disso, elas seriam substituídas por telas LCD, que exibem imagens de câmeras externas. Assim, o problema da visibilidade durante a aterrissagem seria resolvido.
É possível que o avião supersônico vire automático. O nível atual de automação o permite. Os pilotos já estão sendo criticados por se terem tornado operadores de computadores, mas isso reflete a tendência tecnológica. Em breve as aeronaves serão controladas apenas por máquinas, e haverá apenas um controlador-piloto a bordo.
Como se formam as ondas de choque
Um avião em voo gera ondas de choque na atmosfera. Mas enquanto grandes aeronaves de passageiros voam silenciosamente sobre nossas cabeças em grande altitude, um caça supersônico leve voando na mesma altitude nunca será silencioso.
A uma velocidade supersônica, um avião ultrapassa a perturbação do meio por ele criada, a onda de choque envolve-o e forma um funil atrás dele, o cone de Mach. Quando se aproxima do solo ela cria um salto de pressão, um estrondo sônico.
A queda de pressão atinge 100 pascais para aviões de até 150 toneladas. É seguro para a saúde, mas desconfortável para o ouvido. Há também o fator de surpresa, as pessoas se assustam. Os choques sonoros regulares, por outro lado, podem danificar estruturas terrestres ao longo do tempo.
Por esta razão, por exemplo, é proibido voar sobre os EUA com velocidades supersônicas. Na Europa, as companhias aéreas são igualmente obrigadas a evitar impactos sonoros.
Lutando contra o impacto sonoro
É impossível livrar-se do choque sônico produzido pela velocidade supersônica, as leis da física são inexoráveis. Resta suprimi-lo de forma ativa ou passiva. Aqui muito depende do peso e tamanho da aeronave, altitude e velocidade de voo.
"Nos tempos do Tu-144 o problema do impacto sonoro não era tão grave. [...] Concorde passava para velocidade subsônica na aproximação da Europa ou dos EUA ", conta Tatiana Kiseleva, candidata a doutor em Física e Matemática, pesquisadora do Laboratório 5 do Instituto de Mecânica Teórica e Aplicada Khristianovich da sucursal siberiana da Academia Russa de Ciências, onde o impacto sonoro é estudado.
"Quando os engenheiros determinaram os parâmetros de voo que minimizam o impacto sonoro, podemos começar a ajustar a forma da aeronave. Quanto maior o comprimento e menor o diâmetro do casco, mais se distribuem as perturbações ao longo do avião e são menores as ondas de choque", refere ela as regras gerais.
Os cientistas estão trabalhando em duas direções. Eles observam como no tubo aerodinâmico o fluxo envolve o avião, são formados picos de pressão no campo próximo, e então os cientistas modelam numericamente sua distribuição até ao solo. Além disso, eles estudam como a forma da asa, nariz, estabilizadores e outros elementos influenciam a redistribuição da pressão sobre a superfície da aeronave.
'Motoristas' da aviação supersônica
Não existem regulamentos de ruído especificamente para aeronaves civis supersônicas. Atualmente, apenas existe o Capítulo 14 do Anexo 16 da Convenção "Ruído de Aviação" da Organização da Aviação Civil Internacional (ICAO). Na Europa este problema é particularmente difícil devido à elevada densidade populacional e à necessidade coordenar as normas com muitos países.
"Se dissermos às pessoas: 'Vamos voar com som supersônico, mas fazer um pouco mais de barulho', não seremos compreendidos. Há unanimidade apenas sobre o nível registrado no Capítulo 14. Daqui a cinco anos será reduzido em mais 7 decibéis. Esta é uma corrida constante, porque a humanidade quer conforto e não quer tolerar ruído em sua casa", disse o acadêmico.
Ninguém vai construir novos aeroportos longe das cidades especificamente para aviões de passageiros supersônicos. Até mesmo uma pista separada é demasiado cara.
O avião deve se encaixar na estrutura geralmente aceita em praticamente todos os parâmetros: nível de ruído, comprimento da pista, espessura da cobertura, composição do combustível, manutenção. Uma das razões pelas quais o Airbus A380 de 600 lugares não tem sido muito utilizado é a necessidade de um posto de acostagem de dois andares para os passageiros. Por causa disso, nem todos os aeroportos estão prontos para aceitá-lo.
Os engenheiros do TsAGI são céticos quanto às afirmações da Boom Airliner, que está desenvolvendo a aeronave Overture e seu protótipo XB-1 Baby Boom.
Solução provisória
O projeto Aerion com asa direita enflechada é mais promissor.
A NASA anuncia que a velocidade de seu protótipo X-59 seria de Mach 1,6, o dobro da velocidade de cruzeiro das aeronaves subsônicas. Atingir Mach 2,2, como no caso do Tu-144, e encaixar nos requisitos ambientais modernos é praticamente impensável.
Em primeiro lugar, precisamos de um demonstrador, uma cópia reduzida do avião verdadeiro. Foi assim "produto 100" em relação ao Tu-144. O demonstrador é normalmente concebido para um ou dois pilotos, ou talvez seja não tripulado, como querem fazer no Japão.
O objetivo é demonstrar a viabilidade das soluções técnicas em aerodinâmica, controle, operação dos motores, materiais, visualização, trabalhar a decolagem e pouso, calcular a trajetória.
"Agora estamos na fase de criação de um demonstrador tecnológico, somos apoiados pelo Ministério da Indústria e Comércio. Esperamos que até o final de 2023 teremos tudo o que precisamos para lançar um 'laboratório voador'. Ao mesmo tempo, estamos a trabalhar no protótipo de um avião verdadeiro. O projeto de um aparelho de passageiros hipersônico movido a hidrogénio líquido com o número de Mach 5 está previsto ser completado até 2050”, conclui Sergei Chernyshev.