A aerotermodinâmica trata da distribuição de forças, de momentos e de aquecimento aerodinâmico, de um veículo que voa em velocidades hipersônicas e envolve fenômenos, tais como: camada limite, interações de escoamento viscoso e não viscoso, escoamento de não equilíbrio químico, e efeitos de superfície catalítica, ablação e escoamento não contínuo.

Aquecimento Aerotermodinâmico

O aquecimento aerodinâmico é um dos principais problemas que afetam veículos aeroespaciais quando da passagem do mesmo na atmosfera planetária. Basicamente, o aquecimento aerodinâmico consiste na conversão de energia cinética (velocidade) em energia térmica (calor), resultado do escoamento do ar sobre a superfície externa do veículo. Quando o veículo atinge velocidades superiores à velocidade do som, forma-se uma onda de choque próxima ao veículo, causando aumento significativo da temperatura da atmosfera circundante entre a onda de choque e a superfície externa do veículo, resultando em aquecimento da superfície externa, proveniente do processo convectivo de transferência de calor.

Evidentemente, o aquecimento aerodinâmico ocorre tanto no vôo de veículos em direção ao espaço, quanto na reentrada dos mesmos na atmosfera planetária. Entretanto, na reentrada de veículos o aquecimento aerodinâmico é crítico, já que os veículos, vindos do espaço, penetram na atmosfera em velocidades da ordem de 8 km/s ou superiores, e são desacelerados ao encontrar atmosfera progressivamente mais densa. No vôo ascendente (partindo do solo) o veículo estará progressivamente aumentando a velocidade de vôo e ao mesmo tempo em que a atmosfera torna-se mais rarefeita.

A determinação do fluxo de calor sobre a superfície externa dos veículos aeroespaciais é um dos parâmetros mais importantes no desenvolvimento de veículos aeroespaciais. O conhecimento preciso dessa quantidade é crucial no desenvolvimento do sistema de proteção térmica, de forma a garantir a integridade estrutural do veículo durante a missão.

Conseqüentemente, o principal desafio tecnológico de projeto de sistemas de proteção térmica de veículos aeroespaciais é a caracterização da complexidade dos vários regimes de vôo, nas várias camadas da atmosfera terrestre e dos fenômenos termo-físico inerentes a este agressivo ambiente aerotermodinâmico, tais como: escoamento contínuo X escoamento não contínuo (escoamento molecular livre e escoamento de transição), equilíbrio químico X não equilíbrio químico, gás ideal (propriedades termo-físico constantes, ou função somente da temperatura) X gás real (propriedades termo-físico função da temperatura, da pressão e da composição química, resultando na dissociação e ionização). Adicionalmente, devem-se levar em consideração os efeitos catalíticos e/ou ablativos dos materiais da superfície externa de veículos aeroespaciais.

Testes em vôo, simulação teórico-numérica (CFD), análise teórico-analítica (métodos de Engenharia) e simulação experimental em laboratório são as metodologias, atualmente, utilizadas, em conjunto, para definir e quantificar os ambientes aerotermodinâmicos, internos e externos, que existem durante o vôo hipersônico através da atmosfera planetária de veículos aeroespaciais.

Das metodologias utilizadas atualmente, os dispositivos laboratoriais são as ferramentas mais importante para projeto aerotermodinâmico de veículos aeroespaciais hipersônicos e seus componentes, pois os resultados experimentais são utilizados para a validação dos códigos computacionais (simulação teórico-numérica, análise teórico-analítica) existentes. Entretanto, não existe um único dispositivo laboratorial com capacidade de duplicar todos os ambientes de vôo hipersônico.

A completa simulação em laboratório de todas as condições do vôo de veículos aeroespaciais através da atmosfera não é possível. Existem restrições estruturais dos dispositivos laboratoriais (por ex.: do reservatório de alta pressão), e dificuldades orçamentárias para realizar simulações experimentais necessárias a uma dada trajetória de vôo (velocidade de vôo do veículo a uma certa altitude, considerando: temperatura, pressão, densidade da atmosfera, simultaneamente).

Entretanto, a modelagem matemático-computacional de todos os fenômenos termo-físico (turbulência, reações de não equilíbrio químico, efeitos catalíticos,…) envolvidos em uma dada condição de vôo e geometria complexa (esférica e/ou cilíndrica e/ou cônica com asas e/ou aletas e/ou empenas) também não é possível.

Conseqüentemente, a combinação, das várias metodologias, deve ser empregada para fornecer os dados necessários para o projeto preliminar (experimentos em laboratório, simulação teórico-numérica e análise teórico-analítica). Com estes dados deve-se efetuar investimento em desenvolvimento de um demonstrador tecnológico, em condições reais de vôo de um veículo aeroespacial, validando todos os desenvolvimentos e procedimentos previamente efetuados.