A aerodinâmica supersônica é mais simples do que a aerodinâmica subsônica porque as folhas de ar em pontos diferentes ao longo do avião muitas vezes não podem afetar umas às outras. Jatos supersônicos e veículos-foguetes requerem empuxo várias vezes maior para passar pelo arrasto aerodinâmico extra experimentado na região transônica (em torno de Mach 0,85-1,2). Nessas velocidades, os engenheiros aeroespaciais podem guiar suavemente o ar ao redor da fuselagem da aeronave sem produzir novas ondas de choque, mas qualquer mudança na área cruzada mais abaixo no veículo leva a ondas de choque ao longo do corpo. Os designers usam a regra de área supersônica e a regra de área de Whitcomb para minimizar mudanças repentinas de tamanho.
A fonte de som agora rompeu a barreira da velocidade do som e está viajando a 1,4 vezes a velocidade do som, c (Mach 1,4). Como a fonte está se movendo mais rápido do que as ondas sonoras que cria, ela realmente lidera o avanço da onda. A fonte de som passará por um observador estacionário antes que o observador realmente ouça o som que ele cria.
Onda de choque cônica com sua zona de contato com o solo em forma de hipérbole em amarelo
No entanto, em aplicações práticas, uma aeronave supersônica deve operar de forma estável tanto subsônica quanto supersônica perfis, portanto o design aerodinâmico é mais complexo.
Um problema com o vôo supersônico sustentado é a geração de calor durante o vôo. Em altas velocidades, pode ocorrer aquecimento aerodinâmico, portanto, uma aeronave deve ser projetada para operar e funcionar sob temperaturas muito altas. O duralumínio, um material tradicionalmente usado na fabricação de aeronaves, começa a perder resistência e deformar-se em temperaturas relativamente baixas e não é adequado para uso contínuo em velocidades acima de Mach 2,2 a 2,4. Materiais como titânio e aço inoxidável permitem operações em temperaturas muito mais altas. Por exemplo, o jato Lockheed SR-71 Blackbird poderia voar continuamente a Mach 3.1, o que poderia levar a temperaturas em algumas partes da aeronave atingindo mais de 315 ° C (600 ° F).
Outra área de preocupação para o vôo sustentado de alta velocidade é a operação do motor. Os motores a jato criam empuxo aumentando a temperatura do ar que ingerem e, à medida que a aeronave acelera, o processo de compressão na entrada causa um aumento de temperatura antes de atingir os motores. A temperatura máxima permitida do escapamento é determinada pelos materiais na turbina na parte traseira do motor, de modo que à medida que a aeronave acelera, a diferença na temperatura de admissão e escapamento que o motor pode criar, ao queimar combustível, diminui, assim como o impulso. O impulso mais alto necessário para velocidades supersônicas teve que ser recuperado queimando combustível extra no escapamento.
O projeto de admissão também foi um grande problema. Grande parte da energia disponível no ar que entra tem que ser recuperada, conhecida como recuperação da entrada, usando ondas de choque no processo de compressão supersônica na entrada. Em velocidades supersônicas, a entrada deve garantir que o ar desacelere sem perda excessiva de pressão. Ele tem que usar o tipo correto de ondas de choque, oblíquas / planas, para que a velocidade do projeto da aeronave comprima e diminua a velocidade do ar para a velocidade subsônica antes de atingir o motor. As ondas de choque são posicionadas usando uma rampa ou cone que pode precisar ser ajustável dependendo das compensações entre a complexidade e o desempenho exigido da aeronave.
Uma aeronave capaz de operar por longos períodos em velocidades supersônicas tem uma vantagem de alcance potencial sobre um projeto semelhante operando subsonicamente. A maior parte do arrasto que uma aeronave vê ao acelerar para velocidades supersônicas ocorre logo abaixo da velocidade do som, devido a um efeito aerodinâmico conhecido como arrasto das ondas. Uma aeronave que pode acelerar além desta velocidade tem uma redução significativa no arrasto e pode voar supersonicamente com economia de combustível aprimorada. No entanto, devido à maneira como a sustentação é gerada supersonicamente, a razão de sustentação-arrasto da aeronave como um todo cai, levando a um alcance menor, compensando ou derrubando essa vantagem.
A chave para ter baixa supersônica arrasto é moldar adequadamente a aeronave geral para ser longa e fina, e próxima de uma forma “perfeita”, a ogiva de von Karman ou corpo Sears-Haack. Isso fez com que quase todas as aeronaves de cruzeiro supersônicas parecessem muito semelhantes umas às outras, com uma fuselagem muito longa e delgada e grandes asas em delta, cf. SR-71, Concorde, etc. Embora não seja ideal para aeronaves de passageiros, esse formato é bastante adaptável para uso em bombardeiros.
História do flightEdit supersônico
A pesquisa da aviação durante a Segunda Guerra Mundial levou à criação da primeira aeronave a jato e foguete. Posteriormente, surgiram várias alegações de quebrar a barreira do som durante a guerra.No entanto, o primeiro vôo reconhecido excedendo a velocidade do som por uma aeronave tripulada em vôo nivelado controlado foi realizado em 14 de outubro de 1947 pelo foguete experimental Bell X-1 pilotado por Charles “Chuck” Yeager. O primeiro avião de produção a quebrar a barreira do som foi um F-86 Canadair Saber com a primeira piloto mulher “supersônica”, Jacqueline Cochran, nos controles. De acordo com David Masters, o protótipo DFS 346 capturado na Alemanha pelos soviéticos, depois de ser liberado de um B-29 a 32800 pés (10.000 m), atingiu 683 mph (1100 km / h) no final de 1945, o que teria excedido Mach 1 nessa altura. O piloto nesses voos era o alemão Wolfgang Ziese.
Em 21 de agosto de 1961, um Douglas DC-8-43 (registro N9604Z) excedeu Mach 1 em um mergulho controlado durante um voo de teste na Edwards Air Force Base. A tripulação era William Magruder (piloto), Paul Patten (copiloto), Joseph Tomich (engenheiro de vôo) e Richard H. Edwards (engenheiro de teste de vôo). Este foi o primeiro vôo supersônico de um avião civil diferente do Concorde ou Tu-144.