Avanço hipersônico pode permitir aviões que voem 10 vezes a velocidade do som

“Isso realmente encolhe o planeta”, diz o professor Nicholaus Parziale, cujo trabalho se concentra em transformar as viagens hipersônicas de aspiração em realidade. Parziale recebeu recentemente o Prêmio Presidencial de Início de Carreira para Cientistas e Engenheiros em reconhecimento por sua pesquisa em mecânica de fluidos em velocidades extremas. “Isso tornará as viagens mais rápidas, fáceis e agradáveis.”

Os desafios de voar a Mach 10

Cobrir metade do mundo em apenas uma hora pode parecer impossível, mas a tecnologia não está tão longe como parece. Algumas aeronaves militares já atingem velocidades de Mach 2 ou Mach 3, o que significa duas ou três vezes a velocidade do som. Mach 1 equivale a cerca de 760 milhas por hora. Para viajar de Los Angeles a Sydney em sessenta minutos, uma aeronave precisaria atingir Mach 10. Os principais obstáculos são a extraordinária turbulência e o calor produzido durante o voo a estas velocidades extremas.

Há uma diferença fundamental entre como o ar se comporta em torno de uma aeronave em velocidades mais baixas e como se comporta em velocidades mais altas. Os engenheiros descrevem essas condições como fluxo incompressível e fluxo compressível. No fluxo incompressível, que ocorre em velocidades mais baixas (abaixo de Mach 0,3 ou 225 milhas por hora), a densidade do ar permanece quase a mesma. Essa consistência simplifica o projeto aeronáutico. Quando uma aeronave se move mais rápido que a velocidade do som, o fluxo de ar torna-se compressível. “Isso ocorre porque um gás pode ‘esmagar’”, explica Parziale, o que significa que pode comprimir.

Por que o comportamento do fluxo de ar é importante para o design hipersônico

Quando o ar é comprimido, sua densidade muda em resposta às variações de pressão e temperatura. Essas mudanças influenciam a forma como uma aeronave interage com o ar ao seu redor. “A compressibilidade afeta a forma como o fluxo de ar circula pelo corpo e isso pode alterar coisas como sustentação, arrasto e impulso necessários para decolar ou permanecer no ar.” Todos esses fatores desempenham um papel importante no projeto de aeronaves.

Os engenheiros já entendem muito bem o fluxo de ar para aeronaves que voam abaixo ou perto da velocidade do som, uma faixa chamada de números “baixo Mach”. A criação de aeronaves hipersônicas requer uma compreensão muito mais profunda de como o ar se comporta em Mach 5, Mach 6 ou mesmo Mach 10. Muito desse comportamento ainda é incerto, exceto pela orientação fornecida pela hipótese de Morkovin.

A hipótese de Morkovin e o mistério da turbulência hipersônica

Desenvolvida por Mark Morkovin em meados do século XX, a hipótese propõe que quando o ar se move em torno de Mach 5 ou Mach 6, a natureza fundamental da turbulência permanece surpreendentemente semelhante à turbulência a velocidades mais baixas. Embora o fluxo de ar em alta velocidade envolva mudanças maiores na temperatura e na densidade, Morkovin sugeriu que o padrão geral de movimento turbulento permanece bastante consistente. “Basicamente, a hipótese de Morkovin significa que a forma como o ar turbulento se move em baixas e altas velocidades não é tão diferente”, diz Parziale. “Se a hipótese estiver correta, significa que não precisamos de uma forma totalmente nova de compreender a turbulência a velocidades mais elevadas. Podemos usar os mesmos conceitos que usamos para fluxos mais lentos.” Isto também sugere que as futuras aeronaves hipersônicas podem não exigir uma filosofia de design completamente diferente.

Apesar de sua importância, a hipótese carece de validação experimental sólida. Essa lacuna levou à recente pesquisa de Parziale, descrita em seu estudo Hypersonic Turbulent Quantities in Support of Morkovin’s Hypothesis, publicado na Nature Communications em 12 de novembro de 2025.

Um experimento de laser e criptônio que está sendo feito há onze anos

No estudo, a equipe de Parziale introduziu gás criptônio em um túnel de vento e usou lasers para ionizá-lo. Este processo criou brevemente uma linha reta e brilhante formada pelos átomos de criptônio. Câmeras de alta resolução capturaram então como essa linha iluminada se dobrava, torcia e distorcia à medida que se movia através do fluxo de ar, semelhante a como uma folha flutua e gira dentro de pequenas correntes rodopiantes em um rio. “À medida que essa linha se move com o gás, você pode ver rugas e estrutura no fluxo e, a partir disso, podemos aprender muito sobre a turbulência”, diz Parziale. Ele observa que o desenvolvimento da configuração experimental exigiu 11 anos de esforço. “E o que descobrimos foi que em Mach 6, o comportamento da turbulência é bastante próximo do fluxo incompressível”.

O grupo de Parziale recebeu apoio inicial do Programa de Pesquisa para Jovens Investigadores (YIP) do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea em 2016 e do YIP do Escritório de Pesquisa Naval (ONR) em 2020, com o trabalho mais recente também financiado pelo ONR.

O que as descobertas significam para voos futuros e acesso ao espaço

Embora a hipótese de Morkovin ainda não esteja completamente comprovada, os novos resultados aproximam os cientistas da compreensão de como projetar aeronaves que possam suportar velocidades hipersônicas. As descobertas indicam que os engenheiros podem não precisar reinventar a abordagem fundamental do projeto de aeronaves para essas condições extremas, o que simplifica significativamente o desafio.

“Hoje, devemos usar computadores para projetar um avião, e os recursos computacionais para projetar um avião que voe a Mach 6, simulando todos os mínimos, mínimos detalhes, seria impossível”, explica Parziale. “A hipótese de Morkovin nos permite fazer suposições simplificadas para que as demandas computacionais para projetar veículos hipersônicos possam se tornar mais factíveis.”

Parziale acrescenta que os mesmos princípios poderiam transformar o futuro acesso ao espaço. “Se pudermos construir aviões que voem em velocidade hipersônica, também poderemos levá-los ao espaço, em vez de lançar foguetes, o que tornaria mais fácil o transporte de e para a órbita baixa da Terra”, diz ele. “Será uma virada de jogo para o transporte não apenas na Terra, mas também em órbita baixa.”