Pesquisadores da Universidade do Colorado em Boulder anunciaram dois avanços no controle de turbulência por subsuperfícies fonônicas. O método utiliza vibrações microscópicas instaladas sob a fuselagem para reduzir o arrasto de aeronaves comerciais e militares sem alterar o desenho aerodinâmico externo nem depender de peças móveis ativas expostas ao vento.
O trabalho foi conduzido pela equipe de Mahmoud I. Hussein, professor do Departamento de Engenharia Aeroespacial Ann e H.J. Smead da instituição de ensino norte-americana, em conjunto com o doutorando Adam R. Harris. Os resultados teóricos e computacionais foram apresentados em estudos publicados nas revistas científicas Physical Review X e Proceedings of the Royal Society A, amparados por um financiamento de US$ 7,5 milhões concedido pelo Office of Naval Research, órgão do Departamento de Defesa dos Estados Unidos.
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Subsuperfícies fonônicas e a mecânica das ondas
O conceito opera no campo da fonônica, ramo da física dedicado ao estudo e manipulação dos fônons, que representam as menores unidades quânticas de vibração mecânica na estrutura atômica de um material. Em vez de instalar aletas móveis ou modificar o contorno curvo das asas para diminuir a resistência do ar, o sistema insere estruturas estruturadas diretamente abaixo da camada metálica ou de compósito do veículo.
Ao se deslocar em alta velocidade, um avião comercial de passageiros chega a consumir 10.000 galões de querosene em um único voo de costa a costa nos Estados Unidos, volume equivalente a mais de 37.800 litros de combustível. Uma parcela substancial dessa energia é gasta unicamente para vencer a resistência do ar gerada pela transição entre o escoamento suave, chamado de laminar, e o escoamento caótico, conhecido na aerodinâmica como fluxo turbulento.
A formulação teórica desenvolvida na universidade soluciona dois gargalos mecânicos que impediam a aplicação prática dessas estruturas desde que Mahmoud Hussein introduziu o conceito inicial de subsuperfície fonônica em 2015. O primeiro problema envolvia a atuação limitada a uma única frequência sonora ou vibratória, enquanto o segundo impedia a atenuação contínua dos vórtices de ar conforme o fluxo se deslocava ao longo do comprimento da fuselagem.
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Para contornar o limite de frequência, a equipe projetou estruturas internas em espiral que atingem o regime de super-ressonância. O desenho permite que os elementos sob a pele da aeronave respondam de forma passiva a um espectro elástico alargado de vibrações, adaptando-se às variações de velocidade e densidade atmosférica encontradas durante o voo em altitude de cruzeiro.
Como as contravibrações atuam contra a turbulência?
A resposta da estrutura ao fluxo externo ocorre por meio de uma propriedade batizada pela equipe de interferência sem espalhamento, identificada no termo científico original em língua inglesa como scatterless interference. Ao organizar os ressonadores em redes ordenadas, as oscilações mecânicas atuam diretamente na base das ondas de instabilidade aerodinâmica que se formam sobre a fuselagem.
Essa ação coordenada sob a superfície induz o decaimento progressivo das perturbações do ar à jusante, retardando a transição do ar para o estado turbulento e mantendo a camada-limite estável por uma distância maior. Por operar de maneira inteiramente passiva, o dispositivo dispensa motores elétricos, bombas pneumáticas ou sistemas de injeção de fluidos, o que evita o acréscimo de peso excessivo ou pontos vulneráveis de manutenção no revestimento da aeronave.
“O paradigma predominante desde o início da aviação é controlar o arrasto apenas moldando a aeronave. Agora temos um novo conceito para influenciar o arrasto superficial usando materiais que podem interagir dinamicamente com o fluxo de ar, aprimorando o desempenho da aeronave de uma maneira sem precedentes”, declarou Mahmoud Hussein, em tradução livre. O professor acrescentou que a resolução conjunta da atuação em banda larga e do controle de fluxo à jusante supera os maiores obstáculos enfrentados na área na última década.
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Dados da pesquisa da Universidade do Colorado em Boulder
- Instituição responsável: Universidade do Colorado em Boulder, no estado do Colorado, Estados Unidos.
- Coordenação: Mahmoud I. Hussein, professor do Departamento de Engenharia Aeroespacial Ann e H.J. Smead, e Adam R. Harris, doutorando em ciência e engenharia de materiais.
- Financiamento: US$ 7,5 milhões concedidos pelo Office of Naval Research em contrato de cinco anos por meio do programa Multidisciplinary University Research Initiative.
- Publicações acadêmicas: periódicos Physical Review X e Proceedings of the Royal Society A.
Aplicações de subsuperfícies fonônicas em cascos e tubulações
O alcance do princípio físico não se restringe aos jatos comerciais subsônicos. O programa financiado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos investiga o comportamento dos materiais fonônicos sob o atrito térmico e as pressões extremas características de voos hipersônicos, regime em que os veículos viajam a velocidades superiores a cinco vezes a velocidade do som e sofrem intenso desgaste de superfície.
Ambientes operacionais hidrodinâmicos e industriais também compõem o leque de destinações avaliadas pelos cientistas. O controle passivo de vórtices pode diminuir a força de arrasto em cascos de embarcações marítimas em navegação oceânica, minimizar a perda de carga mecânica e o atrito interno em oleodutos terrestres e submarinos, além de aprimorar o rendimento volumétrico de turbomáquinas e compressores de gás.
Apesar da consistência demonstrada nas simulações numéricas e modelos computacionais, os ganhos percentuais exatos de redução de combustível em rotas aéreas comerciais regulares ainda não foram quantificados por medições de campo. Grupos de pesquisa internacionais já construíram protótipos físicos em escala e realizam montagens estruturais para iniciar os primeiros ensaios comparativos de arrasto e sustentação em túneis de vento.