Supersonische aerodynamica is eenvoudiger dan subsonische aerodynamica omdat de airsheets op verschillende punten in het vliegtuig elkaar vaak niet kunnen beïnvloeden. Supersonische jets en raketvoertuigen hebben meerdere malen meer stuwkracht nodig om door de extra aerodynamische weerstand te dringen die wordt ervaren in het transsone gebied (rond Mach 0,85-1,2). Bij deze snelheden kunnen lucht- en ruimtevaartingenieurs de lucht voorzichtig rond de romp van het vliegtuig leiden zonder nieuwe schokgolven te produceren, maar elke verandering in het dwarsgebied verder naar beneden leidt tot schokgolven langs het lichaam. Ontwerpers gebruiken de Supersonic area rule en de Whitcomb area rule om plotselinge veranderingen in grootte te minimaliseren.
De geluidsbron heeft nu de geluidssnelheidsbarrière doorbroken en reist met 1,4 keer de geluidssnelheid, c (Mach 1,4). Omdat de bron sneller beweegt dan de geluidsgolven die hij creëert, leidt hij eigenlijk het voortschrijdende golffront. De geluidsbron passeert een stationaire waarnemer voordat de waarnemer het geluid dat het creëert daadwerkelijk hoort.
Conische schokgolf met zijn hyperbool-vormige grondcontactzone in geel
In praktische toepassingen moet een supersonisch vliegtuig echter stabiel opereren in zowel subsonische als supersonische profielen, waardoor het aerodynamische ontwerp complexer is.
Een probleem met aanhoudende supersonische vluchten is de opwekking van warmte tijdens de vlucht. Bij hoge snelheden kan aërodynamische verwarming optreden, dus een vliegtuig moet ontworpen zijn om te werken en te functioneren onder zeer hoge temperaturen. Duraluminium, een materiaal dat traditioneel wordt gebruikt in de vliegtuigbouw, begint zijn kracht te verliezen en te vervormen bij relatief lage temperaturen, en is ongeschikt voor continu gebruik bij snelheden boven Mach 2,2 tot 2,4. Materialen zoals titanium en roestvrij staal maken bewerkingen bij veel hogere temperaturen mogelijk. De Lockheed SR-71 Blackbird-jet zou bijvoorbeeld continu kunnen vliegen met Mach 3.1, wat ertoe zou kunnen leiden dat de temperatuur in sommige delen van het vliegtuig boven de 315 ° C (600 ° F) uitkomt.
Een ander punt van zorg voor aanhoudende snelle vlucht is motorwerking. Straalmotoren creëren stuwkracht door de temperatuur van de lucht die ze binnenkrijgen te verhogen, en naarmate het vliegtuig versnelt, veroorzaakt het compressieproces in de inlaat een temperatuurstijging voordat het de motoren bereikt. De maximaal toelaatbare temperatuur van de uitlaatgassen wordt bepaald door de materialen in de turbine aan de achterkant van de motor, dus naarmate het vliegtuig versnelt, neemt het verschil in inlaat- en uitlaatgastemperatuur dat de motor kan creëren door brandstof te verbranden af, evenals de stuwkracht. De hogere stuwkracht die nodig was voor supersonische snelheden moest worden teruggewonnen door extra brandstof in de uitlaat te verbranden.
Het ontwerp van de inlaat was ook een groot probleem. Omdat veel van de beschikbare energie in de inkomende lucht moet worden teruggewonnen, zogenaamde intake recovery, met behulp van schokgolven in het supersonische compressieproces in de inlaat. Bij supersonische snelheden moet de inlaat ervoor zorgen dat de lucht vertraagt zonder overmatig drukverlies. Het moet het juiste type schokgolven gebruiken, schuin / vlak, opdat de ontwerpsnelheid van het vliegtuig de lucht comprimeert en vertraagt tot subsonische snelheid voordat deze de motor bereikt. De schokgolven worden gepositioneerd met behulp van een helling of kegel die mogelijk moet worden aangepast, afhankelijk van de afweging tussen complexiteit en de vereiste vliegtuigprestaties.
Een vliegtuig dat in staat is om gedurende langere tijd met supersonische snelheden te werken, heeft een potentieel bereikvoordeel ten opzichte van een vergelijkbaar ontwerp dat subsonisch werkt. De meeste weerstand die een vliegtuig ziet tijdens het versnellen tot supersonische snelheden, vindt plaats net onder de geluidssnelheid, vanwege een aërodynamisch effect dat bekend staat als golfweerstand. Een vliegtuig dat voorbij deze snelheid kan accelereren, ziet een aanzienlijke afname van de luchtweerstand en kan supersonisch vliegen met een lager brandstofverbruik. Echter, door de manier waarop lift supersonisch wordt gegenereerd, daalt de lift-to-drag-ratio van het vliegtuig als geheel, wat leidt tot een lager bereik, waardoor dit voordeel wordt gecompenseerd of omvergeworpen.
De sleutel tot een lage supersonische drag is om het algehele vliegtuig op de juiste manier te vormen om lang en dun te zijn, en dicht bij een “perfecte” vorm, de von Karman ogive of Sears-Haack body. Dit heeft ertoe geleid dat bijna elk supersonisch cruisevliegtuig er erg op elkaar lijkt, met een zeer lange en slanke romp en grote deltavleugels, cf. SR-71, Concorde, etc. Hoewel niet ideaal voor passagiersvliegtuigen, is deze vormgeving behoorlijk aanpasbaar voor bommenwerpers.
Geschiedenis van supersonische vluchten Bewerken
Luchtvaartonderzoek tijdens de Tweede Wereldoorlog leidde tot de creatie van het eerste raket- en straalvliegtuig. Verschillende claims van het doorbreken van de geluidsbarrière tijdens de oorlog kwamen vervolgens naar voren.De eerste erkende vlucht die de geluidssnelheid overschreed door een bemand vliegtuig in een gecontroleerde horizontale vlucht werd echter uitgevoerd op 14 oktober 1947 door het experimentele Bell X-1 onderzoeksraketvliegtuig, bestuurd door Charles “Chuck” Yeager. Het eerste productievliegtuig dat de geluidsbarrière doorbrak, was een F-86 Canadair Sabre met de eerste “supersonische” vrouwelijke piloot, Jacqueline Cochran, achter het stuur. Volgens David Masters bereikte het prototype van de DFS 346 dat in Duitsland door de Sovjets was veroverd, na te zijn vrijgelaten uit een B-29 op een hoogte van 10000 m, eind 1945 1100 km / u (683 mph), wat Mach 1 op die hoogte. De piloot bij deze vluchten was de Duitse Wolfgang Ziese.
Op 21 augustus 1961 overschreed een Douglas DC-8-43 (registratie N9604Z) Mach 1 tijdens een gecontroleerde duik tijdens een testvlucht bij Edwards Air Force. Baseren. De bemanning bestond uit William Magruder (piloot), Paul Patten (copiloot), Joseph Tomich (boordwerktuigkundige) en Richard H. Edwards (vluchttestingenieur). Dit was de eerste supersonische vlucht door een ander civiel vliegtuig dan de Concorde of Tu-144.