Lot z dużą prędkością przez atmosferę (czy to pocisku, czy samolotu) zawsze powoduje pojawienie się znacznego oporu, czyli siły mechanicznej, która przeciwdziała ruchowi obiektu w powietrzu. Ponieważ opór ten spowalnia poruszające się pociski (co nie jest pożądane), muszą one latać na niskich trajektoriach. To z kolei powoduje ich nagrzewanie się, ponieważ na małych wysokościach atmosfera jest gęstsza. Ciepło działające na są pociski hipersoniczne podczas szybowania, ogranicza ich wydajność i stanowi podstawowe wyzwanie technologiczne dla opracowania broni o większym zasięgu.
Czytaj też: Pociski hipersoniczne z nowym materiałem. Włoska firma podkręca tempo
Nagrzewanie aerodynamiczne ciała wzrasta mniej więcej do sześcianu jego prędkości, co oznacza, że obiekt szybujący z prędkością Mach 5 doświadczyłby ponad 100 razy większego nagrzewania niż pojazd poruszający się z prędkością Mach 1 na tej samej wysokości. Z kolei zwiększenie prędkości z Mach 5 do Mach 15 zwiększyłoby nagrzewanie o dodatkowy współczynnik prawie 30 razy.
Właśnie z tego powodu broń hipersoniczna nie jest idealna i wiele armii wciąż decyduje się sięgać po bardziej konwencjonalne rozwiązania. Wydaje się jednak, że to właśnie opanowanie generowanego ciepła jest kluczowe dla znaczącego ulepszenia tego typu broni.
Chińskie pociski hipersoniczne nie będą się nagrzewać tak mocno, jak do tej pory
Inżynierowie z China’s National University of Defence Technology’s College of Aerospace Science and Engineering w Changshy opracowali proste urządzenie, które znacznie rozwiązuje ten problem. Nie ma ono żadnych złożonych komponentów, a ponadto jest wielokrotnego użytku i wymaga jedynie dodania czystej wody przed każdym lotem hipersonicznym.
Czytaj też: Te pociski hipersoniczne powstały we współpracy z Rosją. Ich możliwości są coraz większe
System wykorzystuje energię cieplną z nagrzewania aerodynamicznego jako siłę napędową dla cyklu aktywnego chłodzenia, osiągając autonomiczne sprężanie i chłodzenie urządzenia kontrolującego ciepło. Zapewnia to prawidłowe funkcjonowanie krytycznych komponentów podczas wydłużonego lotu i spełnia cel projektowy efektywnego wykorzystania ciepła w samolotach hipersonicznych. Warto podkreślić, że w takich okolicznościach tradycyjne metody chłodzenia są nieskuteczne.
Dno cylindra styka się ze spodem pojazdu, powodując jego nagrzewanie. Podczas lotu ciepło przemieszcza się do górnej części cylindra, podczas gdy woda chłodząca przepływa zgodnie z ruchem wskazówek zegara wewnątrz urządzenia, napędzana ciśnieniem wytwarzanym przez komponenty wrażliwe na temperaturę. Pojemnik do przechowywania wody na górze jest wypełniony aerożelem zdolnym do pochłaniania wody.
Chińskie urządzenie zostało zaprojektowane dla następnej generacji samolotów hipersonicznych i zostało przetestowane w 2022 r. Wykazano w nich, że może ono utrzymać temperaturę kabiny poniżej 100oC podczas 50 minut lotu. Po tym czasie czynnik chłodzący zaczyna parować, przenosząc ciepło szybciej, aż osiągnie maksymalną wydajność w 66. minucie lotu.
W tym momencie gorąca para powoli uchodzi przez zawór bezpieczeństwa, a porowata struktura aerożelu zapewnia stały i przedłużony proces parowania. Aerożel zapewnia izolację termiczną, utrzymując niską temperaturę pojazdu nawet po odparowaniu wody.
Konstrukcyjnie urządzenie jest znacznie prostsze niż wysokotemperaturowe rury cieplne, które wykorzystują ciekły metal jako medium chłodzące. Byłoby także łatwiejsze do wdrożenia niż aktywne systemy napędzane siłami zewnętrznymi (np. symulujące pocenie).
Ponieważ lot hipersoniczny wymaga rozbudowanego i skomplikowanego systemu zarządzania temperaturą, nowe urządzenie musi być stosowane w połączeniu z innymi technologiami ochrony termicznej, takimi jak powłoki odporne na wysokie temperatury i lekkie struktury izolacyjne.