L’aerodinamica supersonica è più semplice dell’aerodinamica subsonica perché i fogli di aria in diversi punti lungo l’aereo spesso non possono influenzarsi a vicenda. I jet supersonici ei veicoli a razzo richiedono una spinta molte volte maggiore per spingere attraverso la resistenza aerodinamica extra sperimentata nella regione transonica (intorno a Mach 0.85-1.2). A queste velocità gli ingegneri aerospaziali possono guidare delicatamente l’aria intorno alla fusoliera dell’aereo senza produrre nuove onde d’urto, ma qualsiasi cambiamento nell’area trasversale più in basso nel veicolo porta a onde d’urto lungo il corpo. I progettisti utilizzano la regola dell’area supersonica e la regola dell’area di Whitcomb per ridurre al minimo i cambiamenti improvvisi delle dimensioni.
La sorgente sonora ha ora sfondato la barriera della velocità del suono e viaggia a una velocità 1,4 volte superiore a quella del suono, c (Mach 1.4). Poiché la sorgente si muove più velocemente delle onde sonore che crea, in realtà guida il fronte d’onda che avanza. La sorgente sonora passerà accanto a un osservatore fermo prima che l’osservatore senta effettivamente il suono che crea.
Onda d’urto conica con la sua zona di contatto al suolo a forma di iperbole in giallo
Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, un aereo supersonico deve operare stabilmente sia in subsonico che in supersonico profili, quindi il design aerodinamico è più complesso.
Un problema con il volo supersonico sostenuto è la generazione di calore in volo. Ad alte velocità può verificarsi un riscaldamento aerodinamico, quindi un aereo deve essere progettato per funzionare e funzionare a temperature molto elevate. Il duralluminio, un materiale tradizionalmente utilizzato nella produzione di aeromobili, inizia a perdere resistenza e deformarsi a temperature relativamente basse e non è adatto per un uso continuo a velocità superiori a Mach 2,2-2,4. Materiali come il titanio e l’acciaio inossidabile consentono operazioni a temperature molto più elevate. Ad esempio, il jet Lockheed SR-71 Blackbird potrebbe volare ininterrottamente a Mach 3.1, il che potrebbe portare le temperature su alcune parti del velivolo a superare i 315 ° C (600 ° F).
Un’altra area di preoccupazione per il volo ad alta velocità sostenuto è il funzionamento del motore. I motori a reazione creano spinta aumentando la temperatura dell’aria che ingeriscono e, quando l’aereo accelera, il processo di compressione nell’aspirazione provoca un aumento della temperatura prima che raggiunga i motori. La temperatura massima consentita dello scarico è determinata dai materiali nella turbina nella parte posteriore del motore, quindi quando l’aereo accelera, la differenza di temperatura di aspirazione e scarico che il motore può creare bruciando carburante diminuisce, così come la spinta. La maggiore spinta necessaria per le velocità supersoniche doveva essere recuperata bruciando più carburante nello scarico.
Anche il design delle prese d’aria era un problema importante. La maggior parte dell’energia disponibile nell’aria in ingresso deve essere recuperata, noto come recupero in aspirazione, utilizzando le onde d’urto nel processo di compressione supersonica nell’aspirazione. A velocità supersoniche l’aspirazione deve fare in modo che l’aria rallenti senza eccessive perdite di pressione. Deve utilizzare il tipo corretto di onde d’urto, oblique / piane, affinché la velocità di progetto dell’aereo comprima e rallenti l’aria a velocità subsonica prima che raggiunga il motore. Le onde d’urto vengono posizionate utilizzando una rampa o un cono che potrebbe dover essere regolabile a seconda del compromesso tra complessità e prestazioni dell’aeromobile richieste.
Un aereo in grado di operare per lunghi periodi a velocità supersoniche ha un potenziale vantaggio di raggio rispetto a un modello simile che opera in modo subsonico. La maggior parte della resistenza che un aereo vede mentre accelera a velocità supersoniche si verifica appena al di sotto della velocità del suono, a causa di un effetto aerodinamico noto come resistenza delle onde. Un aereo che può accelerare oltre questa velocità vede una significativa diminuzione della resistenza aerodinamica e può volare in modo supersonico con una maggiore economia di carburante. Tuttavia, a causa del modo in cui la portanza viene generata in modo supersonico, il rapporto portanza / resistenza dell’aeromobile nel suo insieme diminuisce, portando a una portata inferiore, compensando o ribaltando questo vantaggio.
La chiave per avere un supersonico basso la resistenza serve a modellare adeguatamente l’intero velivolo in modo che sia lungo e sottile e vicino a una forma “perfetta”, l’ogiva von Karman o il corpo di Sears-Haack. Ciò ha portato quasi tutti gli aerei da crociera supersonici a sembrare molto simili tra loro, con una fusoliera molto lunga e snella e grandi ali a delta, cfr. SR-71, Concorde, ecc. Sebbene non sia l’ideale per gli aerei passeggeri, questa forma è abbastanza adattabile per l’uso con bombardieri.
Storia del volo supersonico Modifica
La ricerca nel settore dell’aviazione durante la seconda guerra mondiale ha portato alla creazione del primo aereo a razzo e jet. Successivamente sono emerse diverse affermazioni di aver infranto la barriera del suono durante la guerra.Tuttavia, il primo volo riconosciuto che superava la velocità del suono da parte di un aereo con equipaggio in volo livellato controllato fu effettuato il 14 ottobre 1947 dal razzo sperimentale Bell X-1 pilotato da Charles “Chuck” Yeager. Il primo aereo di produzione a rompere la barriera del suono è stato un F-86 Canadair Sabre con la prima donna pilota “supersonica”, Jacqueline Cochran, ai comandi. Secondo David Masters, il prototipo DFS 346 catturato in Germania dai sovietici, dopo essere stato rilasciato da un B-29 a 32800 ft (10000 m), raggiunse i 683 mph (1100 km / h) alla fine del 1945, che avrebbe superato Mach 1 a quell’altezza. Il pilota in questi voli era il tedesco Wolfgang Ziese.
Il 21 agosto 1961, un Douglas DC-8-43 (registrazione N9604Z) ha superato Mach 1 in un’immersione controllata durante un volo di prova presso la Edwards Air Force Base. L’equipaggio era William Magruder (pilota), Paul Patten (copilota), Joseph Tomich (ingegnere di volo) e Richard H. Edwards (ingegnere dei test di volo). Questo è stato il primo volo supersonico di un aereo di linea civile diverso dal Concorde o dal Tu-144.