Supersonisk aerodynamik är enklare än subsonisk aerodynamik eftersom luftarken vid olika punkter längs planet ofta inte kan påverka varandra. Supersoniska strålar och raketfordon kräver flera gånger större dragkraft för att trycka igenom det extra aerodynamiska motståndet som upplevs i det transoniska området (runt Mach 0,85–1,2). Vid dessa hastigheter kan rymdingenjörer försiktigt styra luft runt flygkroppen utan att producera nya chockvågor, men varje förändring i tvärområdet längre ner i fordonet leder till chockvågor längs kroppen. Designers använder regeln Supersonic area och Whitcomb area-regeln för att minimera plötsliga förändringar i storlek.
Ljudkällan har nu gått igenom ljudhastighetsbarriären och färdas med 1,4 gånger ljudets hastighet, c (Mach 1.4). Eftersom källan rör sig snabbare än de ljudvågor den skapar leder den faktiskt den framåtriktade vågfronten. Ljudkällan kommer att passera en stationär observatör innan observatören faktiskt hör ljudet den skapar.
Konisk chockvåg med sin hyperbolformade markkontaktzon i gult
I praktiska tillämpningar måste ett supersoniskt flygplan dock fungera stabilt i både subsonisk och supersonisk profiler, därmed aerodynamisk design är mer komplex.
Ett problem med långvarig supersonisk flygning är värmegenerering under flygning. Vid höga hastigheter kan aerodynamisk uppvärmning uppstå, så ett flygplan måste utformas för att fungera och fungera under mycket höga temperaturer. Duralumin, ett material som traditionellt används vid flygplanstillverkning, börjar tappa styrka och deformeras vid relativt låga temperaturer och är olämpligt för kontinuerlig användning vid hastigheter över Mach 2.2 till 2.4. Material som titan och rostfritt stål möjliggör drift vid mycket högre temperaturer. Lockheed SR-71 Blackbird-strålen kan till exempel flyga kontinuerligt vid Mach 3.1 vilket kan leda till temperaturer på vissa delar av flygplanet som når över 315 ° C.
Ett annat område som oroar sig för ihållande höghastighetsflyg är motordrift. Jetmotorer skapar dragkraft genom att öka temperaturen på den luft de intar, och när flygplanet påskyndar, orsakar kompressionsprocessen i intaget en temperaturökning innan det når motorerna. Avgasens maximalt tillåtna temperatur bestäms av materialet i turbinen på motorns baksida, så när flygplanet påskyndar minskar skillnaden i intag och avgastemperatur som motorn kan skapa, genom att bränna bränsle, liksom dragkraften. Den högre dragkraft som behövs för överljudshastigheter måste återvinnas genom att bränna extra bränsle i avgaserna.
Intagsdesign var också en stor fråga. Så mycket av den tillgängliga energin i den inkommande luften måste återvinnas, så kallad intagsåtervinning, med hjälp av chockvågor i den supersoniska kompressionsprocessen i intaget. Vid supersoniska hastigheter måste intaget se till att luften saktar ner utan överdriven tryckförlust. Den måste använda rätt typ av chockvågor, snett / plan, för att flygplanets designhastighet ska komprimera och sakta ner luften till subsonisk hastighet innan den når motorn. Chockvågorna är placerade med en ramp eller kon som kan behöva justeras beroende på kompromisser mellan komplexitet och erforderlig flygplansprestanda.
Ett flygplan som kan arbeta under längre perioder med supersoniska hastigheter har en potentiell räckviddsfördel jämfört med en liknande design som fungerar subsoniskt. Det mesta av det drag som ett flygplan ser när det påskyndar till supersoniska hastigheter sker strax under ljudets hastighet på grund av en aerodynamisk effekt som kallas vågdragning. Ett flygplan som kan accelerera förbi denna hastighet ser en avsevärd dragminskning och kan flyga supersoniskt med förbättrad bränsleekonomi. På grund av hur lyft genereras supersoniskt minskar dock förhållandet mellan lyft och drag för flygplanet som helhet, vilket leder till lägre räckvidd, vilket kompenserar eller välter denna fördel.
Nyckeln till att ha låg överljud drag är att korrekt forma det övergripande flygplanet så att det är långt och tunt och nära en ”perfekt” form, von Karman ogive eller Sears-Haack-kroppen. Detta har lett till att nästan alla supersoniska kryssningsflygplan liknar varandra, med en mycket lång och smal flygkropp och stora deltavingar, jfr. SR-71, Concorde, etc. Även om den inte är idealisk för passagerarflygplan, är denna formning ganska anpassningsbar för bombplan.
Historik om supersonisk flightEdit
Flygforskning under andra världskriget ledde till skapandet av det första raket- och jetdrivna flygplanet. Flera påståenden om att bryta ljudbarriären under kriget framkom därefter.Emellertid utfördes den första erkända flygningen som översteg ljudhastigheten av ett bemannat flygplan under kontrollerad nivåflygning den 14 oktober 1947 av det experimentella Bell X-1-forskningsraketplanet som styrdes av Charles ”Chuck” Yeager. Det första produktionsplanet som bröt ljudbarriären var en F-86 Canadair Saber med den första ”supersoniska” kvinnopiloten, Jacqueline Cochran, vid kontrollerna. Enligt David Masters nådde prototypen DFS 346 som fångades i Tyskland av sovjeterna, efter att ha släppts från en B-29 vid 10000 m (32800 ft), 1100 km / h sent 1945, vilket skulle ha överskridit Mach 1 på den höjden. Piloten i dessa flygningar var tyskaren Wolfgang Ziese.
Den 21 augusti 1961 översteg en Douglas DC-8-43 (registrering N9604Z) Mach 1 i ett kontrollerat dyk under en testflygning vid Edwards Air Force Bas. Besättningen var William Magruder (pilot), Paul Patten (copilot), Joseph Tomich (flygingenjör) och Richard H. Edwards (flygtekniker). Detta var den första supersoniska flygningen av en annan civil trafikflygplan än Concorde eller Tu-144.