Na área espacial as rigorosas limitações de combustível para o lançamento de cargas úteis em órbita demandam uma contínua redução de tamanho, peso e consumo de energia dos veículos lançadores.

Algumas soluções para esses desafios requerem mudanças de paradigma, novos modos de produção, novas tecnologias de natureza estratégica. Os requisitos de plataformas lançadoras de satélites, de alto desempenho e confiabilidade, assim como as rigorosas limitações de combustível (redução de tamanho, peso e consumo de energia) para o lançamento de cargas úteis em órbita propiciam o desenvolvimento de aeronaves hipervelozes utilizando Propulsão Hipersônica Aspirada com Combustão Supersônica e/ou Propulsão Hipersônica Aspirada a Laser.

A recente intensificação de esforços internacionais no sentido de desenvolver Propulsão Hipersônica Aspirada, utilizando a tecnologia de Combustão Supersônica, sinaliza que esse será o caminho eficiente de acesso para o espaço em um futuro não muito distante.

Entretanto, a Propulsão Hipersônica Aspirada, utilizando a tecnologia Laser, por sua vez, é uma tecnologia embrionária. Poucos países têm pesquisa sendo realizada nesta área.

Uma vez que tais tecnologias forem dominadas, elas serão de difícil aquisição e encontrar-se-á, na maioria das situações, indisponíveis para comercialização. Portanto, o domínio da Propulsão Hipersônica Aspirada, utilizando Combustão Supersônica e/ou Laser, será essencial em futuro próximo para a indústria aeroespacial, e permitirá ao homem construir aeronaves hipersônicas, alcançar outros continentes em poucas horas e atingir órbitas baixas ao redor da Terra.

Ciente destes esforços, os Ministérios da Defesa e da Ciência e Tecnologia elegeram como prioritárias e estratégicas para o Brasil duas áreas de pesquisa (entre outras): Propulsão com Ar Aspirado e Hipervelocidade (Concepção Estratégica – Ciência, Tecnologia e Inovação de Interesse da Defesa Nacional, Ministério da Defesa/Ministério da Ciência e Tecnologia, Brasília 2003).

Ambas as Tecnologias em Propulsão Hipersônica Aspirada (Combustão Supersônica e Laser) estão em desenvolvimento no Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica Prof. Henry T. Nagamatsu, IEAv/CTA, e envolve diretamente as duas áreas de pesquisa eleitas.

Combustão Supersônica

Combustão supersônica é uma das tecnologias em desenvolvimento para ser aplicada em sistema de propulsão hipersônica aspirada, em substituição aos sistemas de propulsão hipersônicos convencionais, utilizando combustível sólido e/ou combustível líquido.

Uma característica importante da tecnologia de sistema de propulsão hipersônica aspirada a combustão supersônica é que o sistema de propulsão e o veículo formam um conjunto extremamente integrado, onde o sistema de propulsão hipersônica aspirada a combustão supersônica e o veículo são indistinguíveis.

Veículos aeroespaciais com sistema de propulsão hipersônica aspirada à combustão supersônica voam em velocidades hipersônicas, e transportam apenas o combustível, normalmente hidrogênio, utilizando o próprio ar atmosférico como oxidante, adquirindo a maior parte da energia cinética necessária para atingir a órbita terrestre durante vôo atmosférico.

O empuxo liquido produzido pelo scramjet é a diferença entre o empuxo gerado pela expansão dos gases de exaustão da parte posterior e o arrasto total do motor. Estas forças similares em magnitude poderão produzir empuxo para o vôo do veículo ou não dependendo do balanço destas forças no projeto do motor em questão.

Visto que o sistema de propulsão com combustão supersônica (scramjet, supersonic combustion ramjet) não tem a necessidade que o oxidante esteja a bordo, ao contrário dos atuais motores foguete, o peso total de decolagem do veículo pode ser reduzido. Conseqüentemente, a quantidade de combustível necessária para a operação do veículo e o próprio veículo (tamanho) pode ser menores, o que resulta em uma redução significativa nos custos.

Basicamente, o scramjet é um motor aeronáutico aspirado que não possui partes móveis e que utiliza ondas de choque, geradas durante o vôo hipersônico, para promover a compressão e a desaceleração do ar atmosférico em seu interior. Esse ar atmosférico, em velocidade supersônica, é misturado e queimado com um combustível adequado para a produção do empuxo. Constata-se, portanto, que o processo de combustão se dá em regime supersônico.

Quando o processo de combustão se dá em regime subsônico, tem-se o estato reator de combustão subsônica (ramjet), predecessor do scramjet, e que já encontra várias aplicações.

A perda de pressão total que ocorre através da onda de choque normal (que desacelera o escoamento em ramjets) faz o uso destes motores impraticáveis em velocidades hipersônicas.

Como dito inicialmente, em conseqüência da própria natureza dos estato-reatores, eles são incapazes de produzir empuxo enquanto parados, O empuxo estático é nulo. Deste modo, devem ser acelerados até uma velocidade tal que as ondas de choque produzidas pela entrada de ar sejam capazes de comprimir o ar atmosférico. Tal velocidade é designada velocidade inicial de operação e é da ordem de quatro vezes a velocidade do som, Mach 4, considerando scramjet.

Normalmente, a propulsão sólida é utilizada como estágio inicial de lançamento para que a velocidade de operação seja atingida, após o que é descartada.

Embora a combustão supersônica e a forte integração motor/veículo constituam grandes desafios tecnológicos, trata-se de uma tecnologia avidamente perseguida no mundo atual. Somente Estados Unidos e Austrália viabilizaram o vôo atmosférico de demonstradores de tecnologia, com duração do vôo menor de 10 segundos.

Propulsão a Laser

A ser implementada em breve