La aerodinámica supersónica es más simple que la aerodinámica subsónica porque las hojas de aire en diferentes puntos a lo largo del avión a menudo no pueden afectarse entre sí. Los jets supersónicos y los vehículos cohete requieren un empuje varias veces mayor para atravesar la resistencia aerodinámica adicional experimentada dentro de la región transónica (alrededor de Mach 0,85–1,2). A estas velocidades, los ingenieros aeroespaciales pueden guiar suavemente el aire alrededor del fuselaje de la aeronave sin producir nuevas ondas de choque, pero cualquier cambio en el área transversal más abajo del vehículo conduce a ondas de choque a lo largo del cuerpo. Los diseñadores utilizan la regla del área supersónica y la regla del área de Whitcomb para minimizar los cambios repentinos de tamaño.
La fuente de sonido ahora ha atravesado la barrera de la velocidad del sonido y viaja a 1,4 veces la velocidad del sonido, c (Mach 1,4). Debido a que la fuente se mueve más rápido que las ondas sonoras que crea, en realidad lidera el frente de onda que avanza. La fuente de sonido pasará por un observador estacionario antes de que el observador realmente escuche el sonido que crea.
Onda de choque cónica con su zona de contacto con el suelo en forma de hipérbola en amarillo
Sin embargo, en aplicaciones prácticas, un avión supersónico debe operar de manera estable tanto en subsónico como en supersónico perfiles, por lo que el diseño aerodinámico es más complejo.
Un problema con el vuelo supersónico sostenido es la generación de calor en vuelo. A altas velocidades, puede producirse un calentamiento aerodinámico, por lo que una aeronave debe estar diseñada para operar y funcionar a temperaturas muy altas. El duraluminio, un material utilizado tradicionalmente en la fabricación de aviones, comienza a perder fuerza y deformarse a temperaturas relativamente bajas, y no es adecuado para un uso continuo a velocidades superiores a Mach 2,2 a 2,4. Los materiales como el titanio y el acero inoxidable permiten operaciones a temperaturas mucho más altas. Por ejemplo, el avión Lockheed SR-71 Blackbird podría volar continuamente a Mach 3.1, lo que podría llevar a que las temperaturas en algunas partes de la aeronave superen los 315 ° C (600 ° F).
Otra área de preocupación para El vuelo sostenido a alta velocidad es el funcionamiento del motor. Los motores a reacción crean empuje al aumentar la temperatura del aire que ingieren y, a medida que la aeronave acelera, el proceso de compresión en la admisión provoca un aumento de temperatura antes de que llegue a los motores. La temperatura máxima permitida del escape está determinada por los materiales en la turbina en la parte trasera del motor, de modo que a medida que la aeronave acelera, la diferencia en la temperatura de admisión y escape que el motor puede crear al quemar combustible, disminuye, al igual que el empuje. El mayor empuje necesario para velocidades supersónicas tuvo que recuperarse quemando combustible adicional en el escape.
El diseño de la admisión también fue un problema importante. La mayor parte de la energía disponible en el aire entrante debe recuperarse, lo que se conoce como recuperación de la entrada, utilizando ondas de choque en el proceso de compresión supersónica en la entrada. A velocidades supersónicas, la admisión debe asegurarse de que el aire se ralentice sin una pérdida de presión excesiva. Tiene que usar el tipo correcto de ondas de choque, oblicuas / planas, para que la velocidad de diseño de la aeronave comprima y desacelere el aire a velocidad subsónica antes de que llegue al motor. Las ondas de choque se colocan utilizando una rampa o un cono que puede necesitar ser ajustable dependiendo de las compensaciones entre la complejidad y el rendimiento requerido de la aeronave.
Una aeronave capaz de operar durante períodos prolongados a velocidades supersónicas tiene una ventaja de alcance potencial sobre un diseño similar que opera de forma subsónica. La mayor parte de la resistencia que ve un avión mientras acelera a velocidades supersónicas se produce justo por debajo de la velocidad del sonido, debido a un efecto aerodinámico conocido como resistencia de onda. Una aeronave que puede acelerar más allá de esta velocidad ve una disminución significativa de la resistencia y puede volar de manera supersónica con una mejor economía de combustible. Sin embargo, debido a la forma en que se genera la sustentación de manera supersónica, la relación de sustentación y arrastre de la aeronave en su conjunto cae, lo que lleva a un rango más bajo, compensando o volcando esta ventaja.
La clave para tener un nivel supersónico bajo la resistencia consiste en dar forma adecuada a la aeronave en general para que sea larga y delgada, y cercana a una forma «perfecta», la ojiva de von Karman o el cuerpo de Sears-Haack. Esto ha llevado a que casi todos los aviones de crucero supersónicos se vean muy similares entre sí, con un fuselaje muy largo y delgado y grandes alas delta, cf. SR-71, Concorde, etc. Aunque no es ideal para aviones de pasajeros, esta forma es bastante adaptable para el uso de bombarderos.
Historia del vuelo supersónicoEditar
La investigación de la aviación durante la Segunda Guerra Mundial condujo a la creación del primer avión propulsado por cohetes y reactores. Posteriormente surgieron varias afirmaciones de romper la barrera del sonido durante la guerra.Sin embargo, el primer vuelo reconocido que excedió la velocidad del sonido por un avión tripulado en vuelo controlado a nivel fue realizado el 14 de octubre de 1947 por el avión cohete de investigación experimental Bell X-1 pilotado por Charles «Chuck» Yeager. El primer avión de producción que rompió la barrera del sonido fue un F-86 Canadair Sabre con la primera mujer piloto «supersónica», Jacqueline Cochran, a los mandos. Según David Masters, el prototipo DFS 346 capturado en Alemania por los soviéticos, después de ser lanzado desde un B-29 a 32800 pies (10000 m), alcanzó 683 mph (1100 km / h) a fines de 1945, lo que habría superado Mach 1 a esa altura. El piloto en estos vuelos fue el alemán Wolfgang Ziese.
El 21 de agosto de 1961, un Douglas DC-8-43 (matrícula N9604Z) superó Mach 1 en una inmersión controlada durante un vuelo de prueba en Edwards Air Force Base. La tripulación estaba integrada por William Magruder (piloto), Paul Patten (copiloto), Joseph Tomich (ingeniero de vuelo) y Richard H. Edwards (ingeniero de pruebas de vuelo). Este fue el primer vuelo supersónico de un avión civil que no sea el Concorde o el Tu-144.