Saltar para o conteúdo
notícia 12/08/2017

Cerâmica de alta temperatura para aviões hipersônicos

Publicado no site Inovação Tecnológica

Os materiais necessários para suportar o atrito a uma velocidade de Mach 10 estão entre os principais desafios para a fabricação do avião hipersônico. [Imagem: FAB/IEAV]
Os materiais necessários para suportar o atrito a uma velocidade de Mach 10 estão entre os principais desafios para a fabricação do avião hipersônico. [Imagem: FAB/IEAV]

Um novo tipo de revestimento cerâmico promete resolver os problemas com que estão se deparando os projetistas e engenheiros que tentam tornar realidade as viagens hipersônicas.

Viagem hipersônica significa mover-se a Mach 5 ou mais - pelo menos cinco vezes mais rápido do que a velocidade do som, ou 6.125 km/h.

Quando um avião se move a uma velocidade tão alta, o calor gerado pelo atrito com o ar atmosférico é extremamente elevado, com um impacto sério na integridade estrutural da aeronave. Isso porque as temperaturas que atingem a frente e os bordos de ataque do veículo podem atingir entre 2.000 e 3.000 °C.
Esses problemas estruturais são causados principalmente pelos processos de oxidação e ablação, com o ar e o gás extremamente quentes removendo as camadas superficiais dos materiais externos da aeronave.

Para combater o problema, são necessários materiais conhecidos como UHTC, sigla em inglês para cerâmicas de temperatura ultra-alta. Essas cerâmicas são usadas nos motores aeroespaciais e nos primeiros protótipos de veículos hipersônicos, incluindo foguetes e veículos de reentrada.

Contudo, até o momento, as UHTCs convencionais não conseguem satisfazer os requisitos de ablação exigidos pelo voo hipersônico atmosférico, com suas temperaturas e atrito extremos por longos períodos.

Carbureto
A boa notícia está chegando pelas mãos de Yi Zeng e sua equipe das universidades de Manchester (Reino Unido) e Central Sul (China).

Eles sintetizaram um novo revestimento de carbureto que é muito superior às UHTCs atuais, resistindo bem a temperaturas de 3.000° C.

Os testes mostraram que a cerâmica é 12 vezes melhor do que o tradicional carbureto de zircônio (ZrC) - o ZrC é um material cerâmico refratário extremamente resistente e utilizado em ferramentas de corte.

O que torna este novo revestimento único é que ele foi fabricado usando um processo chamado infiltração por fusão reativa (RMI: Reactive Melt Infiltration), o que reduz drasticamente o tempo necessário para sua produção.

Além disso, a cerâmica, cuja fórmula completa é Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26, foi reforçada com o composto carbono-carbono, o mesmo que era usado para proteger os ônibus espaciais. Isso torna o material não apenas forte, mas extremamente resistente à degradação superficial.

Avião hipersônico brasileiro
Engenheiros do Instituto de Estudos Avançados (IEAV), em São José dos Campos (SP), estão dentro do cronograma para testar o primeiro avião hipersônico brasileiro em 2020.

O protótipo, batizado de 14-X, uma homenagem ao 14-Bis de Santos Dumont, terá um motor capaz de levar o avião não-tripulado a uma velocidade de 12 mil quilômetros por hora, ou 3 km por segundo - uma velocidade dez vezes mais rápida que o som.

"Queremos hoje sair do nível laboratorial e dar o grande salto que é para o nível de qualificação em voo dessas tecnologias," afirmou Israel Rêgo, gerente do Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica do IEAV.
Os testes iniciais do veículo estão sendo realizados no próprio IEAV, que conta com o maior túnel de vento (T3) da América Latina.

Norton Assis e Israel Rêgo, membros da equipe, mostram uma maquete do avião hipersônico brasileiro. [Imagem: FAB/IEAV]
Norton Assis e Israel Rêgo, membros da equipe, mostram uma maquete do avião hipersônico brasileiro. [Imagem: FAB/IEAV]


Propulsão hipersônica
A tecnologia de propulsão hipersônica aspirada, que utiliza o ar atmosférico para a combustão, está em desenvolvimento por empresas e agências espaciais dos EUA, Europa e Austrália.

O objetivo do programa brasileiro, chamado Prohiper, é projetar, construir e ensaiar em solo e em voo duas tecnologias: a de uma aeronave - em que é estudado o efeito de sustentação hipersônica (waverider), que permite voar na atmosfera - e a de um motor hipersônico, conhecido na comunidade científica como scramjet.
Ao contrário de um motor-foguete, em que o veículo deve levar a bordo tanto o combustível (hidrazina, álcool, hidrogênio, querosene ou outro) quanto o oxidante (oxigênio), o motor hipersônico usa o próprio ar atmosférico como oxidante para a queima do combustível.

Se parece mais simples, há contudo grandes desafios para viabilizar isto, incluindo o atingimento e a sustentação da pressão na câmara de combustão e a fabricação do avião e do motor com materiais que possam resistir ao atrito provocado pelo voo em Mach 10.

"O grande desafio com relação ao motor é conseguir demonstrar a operacionalidade da combustão hipersônica, que é a fonte de energia para realização do voo," detalhou Rêgo.

Lançamento híbrido
Estima-se que a tecnologia de voo hipersônico possa permitir cargas úteis com até 15% do peso da decolagem dos veículos espaciais.

Atualmente, são utilizados motores-foguete de múltiplos estágios baseados em combustão química em que são necessários carregamentos de combustível e oxidante. Com essa configuração, o peso da carga útil - o satélite - fica limitado a cerca de 5% do peso total do veículo lançador.

Com uma configuração híbrida, um avião hipersônico poderia acelerar fortemente pela atmosfera, contando com um estágio-foguete de menor porte para a parte final do voo, já no espaço, para a colocação do satélite em órbita.