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A estranha ferramenta que dirá à NASA se o jato supersônico X-59 é realmente silencioso

Tempo de leitura: 5 minutos

Enquanto a Lockheed Martin se prepara para o primeiro voo do X-59, o seu jato supersónico silencioso, os cientistas da NASA estão a finalizar testes para medir o impacto real da forma aerodinâmica da aeronave nas suas ondas de choque sónicas. A NASA medirá as vibrações do ar causadas pelo estrondo sônico do jato pesquisando os residentes nas áreas onde o X-59 passa, mas também precisará medi-las por meios científicos.

Estas ondas de choque serão tão pequenas que a agência aeroespacial americana teve de reinventar as sondas sensíveis a ondas de choque que utilizava anteriormente para medir estrondos sónicos. Mike Frederick, investigador principal do projeto no Armstrong Flight Research Center da NASA, disse-me numa entrevista por e-mail que estas sondas com deteção de choque foram “adaptadas a partir de projetos existentes para satisfazer os requisitos únicos de captura do estrondo sónico mais silencioso do X-59”.

As sondas serão montadas em lanças colocadas nas pontas dos narizes dos aviões de perseguição F-15B, medindo as variações de pressão na atmosfera causadas pelo X-59 em vôo à medida que a aeronave gera seus estrondos sônicos. Com o formato de um tubo longo com um cone na extremidade, eles contêm cinco portas que medem as mudanças de pressão. Uma porta está localizada na ponta do cone e as outras quatro estão distribuídas em sua circunferência. Esses sensores detectam mudanças de pressão, registrando milhares de amostras por segundo para calcular a intensidade, duração e propagação das ondas de choque geradas por uma aeronave supersônica. 

Para o X-59, a sonda também comparará os dados coletados durante os testes de voo reais com previsões de simulações matemáticas. Antes de iniciar estes testes, a NASA realizará medições para estabelecer a verdade fundamental – os dados empíricos de base que validarão medições futuras com o X-59. Essas medições serão realizadas usando um F-15 voando supersônico seguido pelo F-15B equipado com a nova sonda para medir a onda de choque do X-59.

Uma sonda projetada para medir o quase imperceptível

De acordo com Frederick, “o projeto legado dependia de longos tubos pneumáticos. Essa tubulação tende a atenuar as características de choque até certo ponto.” Os novos usam transdutores de alta taxa de amostragem – um dispositivo que transforma uma forma de energia em outra, como um microfone transforma sua voz em um sinal elétrico – e comprimentos de tubos muito curtos que não sofrem a mesma quantidade de atenuação que a onda de choque. viaja através deles para alcançar os sensores.

A estranha ferramenta que dirá à NASA se o jato supersônico X-59 é realmente silencioso
O banco de testes de pesquisa aeronáutica F-15B da NASA realiza um vôo de calibração da sonda com detecção de choque sobre Edwards, Califórnia, em 6 de agosto de 2024. A sonda medirá ondas de choque do X-59 da NASA, fornecendo dados que podem alterar os limites para supersônico terrestre vôo de ser baseado em velocidade para baseado em som. Este trabalho faz parte da missão Questt da NASA, tendo o X-59 como sua aeronave principal. (Foto: Steve Freeman/NASA)

Este projeto é capaz de resolver choques muito fracos de forma mais eficaz, diz ele. A pequena quantidade de tubos na sonda ainda tem um leve efeito nos choques medidos, mas acredita-se que seja insignificante. Em um mundo perfeito, diz Frederick, eles montariam o transdutor de pressão rente à superfície do cone para eliminar completamente qualquer atenuação, mas a sonda não tem diâmetro grande o suficiente para acomodar esse projeto.

As sondas atuais também incluem um sistema de aquecimento para manter uma temperatura constante durante o voo. Frederick me disse que essa estabilização da temperatura é crucial para obter uma leitura precisa. Os transdutores de pressão da sonda possuem um elemento sensor piezoresistivo, que é um tipo de sensor que altera sua resistência elétrica em resposta à pressão aplicada ou estresse mecânico. “A saída deste elemento sensor muda com a temperatura para uma determinada pressão”, diz ele, “portanto, para garantir uma saída consistente para uma determinada pressão, precisamos manter os sensores de pressão a uma temperatura constante”.

Isto é complexo porque a temperatura da sonda é afetada pela temperatura da atmosfera e pelo aquecimento aerodinâmico da sonda, que ocorre durante o voo supersônico devido ao extremo atrito do ar. “Sem um ambiente termicamente controlado dos sensores”, ressalta Frederick, “teríamos uma quantidade inaceitável de variação nas medições de pressão devido apenas às mudanças de temperatura”. Segundo ele, esse ambiente termicamente estável foi o seu maior avanço. “Tivemos que implementar alguns truques de calibração para garantir que a faixa de pressão muito pequena atendesse aos requisitos de resolução de pressão do X-59.”

O design da sonda também foi otimizado em duas versões para usos diferentes. A primeira versão mede as ondas de choque perto da sua fonte, a uma altitude de aproximadamente 55.000 pés, voando diretamente atrás do X-59. “A sonda de campo próximo fornece a medição primária”, diz ele. Esta medição será comparada com os resultados das simulações computacionais de dinâmica de fluidos da NASA da assinatura de choque de campo próximo. A sonda de campo médio voará muito perto do solo e irá capturar uma medição secundária que será comparada com as simulações de como a onda de choque viaja através da atmosfera até ao solo. Esta abordagem dupla fornecerá uma imagem completa de como o boom do X-59 é gerado e propagado, mas também melhorará simulações futuras com seus dados empíricos.

Uma nova era de voo supersônico comercial

O X-59 foi projetado e construído pela Lockheed Martin Skunk Works para demonstrar que voos supersônicos sobre terra são viáveis ​​sem causar desconforto aos humanos. Esta aeronave experimental testará um design aerodinâmico inovador, reduzindo custos ao utilizar componentes reutilizados de outras aeronaves. De acordo com Dave Richardson, diretor do programa X-59 da Lockheed Martin, “(a redução do estrondo sônico) não se baseia em materiais exóticos ou tecnologias revolucionárias, mas simplesmente no formato da aeronave”. Esta forma foi desenvolvida a partir de um trabalho realizado pela NASA na década de 1960 com testes em túnel de vento.

O motor do X-59, um General Electric F414-GE-100, gera 22.000 libras de empuxo e é o mesmo usado no F/A-18 Super Hornet da Marinha dos EUA, embora modificado para esta aeronave. Com este motor, o X-59 pode navegar a uma velocidade de Mach 1,42 (aproximadamente 940 mph) a uma altitude de 55.000 pés. Além disso, seu cockpit não possui pára-brisa, permitindo um perfil aerodinâmico mais limpo. Em vez disso, os pilotos usam um sistema de visão externa, com câmeras projetando o ambiente em telas dentro da cabine – um projeto que já recebeu aprovação da Administração Federal de Aviação (FAA).

O X-59 também se destaca por reduzir significativamente os tempos e custos de desenvolvimento graças à supercomputação e à modelagem digital, otimizando o processo de projeto ao evitar inúmeros testes em túnel de vento. Richardson explica que “(os modelos digitais permitem prever a propagação das ondas de choque) da aeronave ao solo, algo que no passado teria exigido inúmeros testes em túnel de vento a custos proibitivos”.

Depois de concluir com sucesso os testes do motor no início de novembro, a equipe está agora se preparando para as etapas finais antes do primeiro vôo do X-59, programado para o início de 2025. Paul Dees, vice-líder de propulsão do X-59 na NASA, observa: “O exato A data do primeiro voo dependerá do sucesso de cada teste, mas estamos confiantes de que será em breve.”

Uma vez no ar, o X-59 sobrevoará as comunidades dos EUA, onde pesquisas com residentes e amostras de som coletadas com microfones terrestres serão usadas para medir tanto as reações subjetivas dos humanos quanto as variações objetivas nos níveis sonoros. Além das medições científicas deste instrumento, estes dados servirão de base para decisões regulatórias de agências nacionais e internacionais, visando levantar a atual proibição de voos supersônicos comerciais sobre terra.

Se for bem-sucedido, esse estranho projeto de avião será o projeto básico para as companhias aéreas do futuro. As empresas privadas poderão utilizar esta investigação pública para construir os seus próprios projectos, seguindo o caminho aberto pelo estrondoso Concorde, mas desta vez na ponta dos pés a uma velocidade supersónica.