Velocidad supersónica

A United States Navy F/A-18F Super Hornet en vuelo transónico

US Navy F/A-18 se acerca a la barrera del sonido. La nube blanca se forma como resultado de los ventiladores de expansión supersónicos bajando la temperatura del aire debajo del punto de rocío.

Velocidad supersónica es la velocidad de un objeto que supera la velocidad del sonido (Mach 1). Para objetos que viajan en aire seco con una temperatura de 20 °C (68 °F) al nivel del mar, esta velocidad es de aproximadamente 343,2 m/s (1126 ft/s; 768 mph; 667,1 nudos; 1236 km/h). Las velocidades superiores a cinco veces la velocidad del sonido (Mach 5) a menudo se denominan hipersónicas. Los vuelos durante los cuales solo algunas partes del aire que rodea un objeto, como los extremos de las palas del rotor, alcanzan velocidades supersónicas se denominan transónicos. Esto suele ocurrir entre Mach 0,8 y Mach 1,2.

Los sonidos son vibraciones que viajan en forma de ondas de presión en un medio elástico. Los objetos se mueven a una velocidad supersónica cuando los objetos se mueven más rápido que la velocidad a la que se propaga el sonido a través del medio. En los gases, el sonido viaja longitudinalmente a diferentes velocidades, dependiendo principalmente de la masa molecular y la temperatura del gas, y la presión tiene poco efecto. Dado que la temperatura y la composición del aire varían significativamente con la altitud, la velocidad del sonido y los números de Mach para un objeto en movimiento constante pueden cambiar. En el agua a temperatura ambiente, la velocidad supersónica se puede considerar como cualquier velocidad superior a 1440 m/s (4724 pies/s). En los sólidos, las ondas sonoras pueden polarizarse longitudinal o transversalmente y tener velocidades aún mayores.

La fractura supersónica es un movimiento de grietas más rápido que la velocidad del sonido en un material quebradizo.

Primer significado

A principios del siglo XX, el término "supersónico" se usó como adjetivo para describir el sonido cuya frecuencia está por encima del rango del oído humano normal. El término moderno para este significado es "ultrasónico".

Etimología: La palabra supersónico proviene de dos palabras derivadas del latín; 1) super: por encima y 2) sonus: sonido, que juntos significan por encima del sonido, o más rápido que el sonido.

Objetos supersónicos

British Airways Concorde en la primera sala de BA en el aeropuerto de Londres-Heathrow, a principios del decenio de 1980

Se cree que la punta de un látigo es el primer objeto diseñado para romper la barrera del sonido, lo que resulta en el revelador "crack" (en realidad, un pequeño boom sónico). El movimiento ondulatorio que viaja a través del látigo es lo que lo hace capaz de alcanzar velocidades supersónicas. Sin embargo, el primer boom supersónico hecho por el hombre probablemente fue causado por un trozo de tela, lo que estimuló el desarrollo final del látigo.

La mayoría de las balas de armas de fuego modernas son supersónicas, con proyectiles de rifle que a menudo viajan a velocidades cercanas y, en algunos casos, muy superiores a Mach 3.

La mayoría de las naves espaciales son supersónicas al menos durante partes de su reingreso, aunque los efectos en la nave espacial se reducen por las bajas densidades del aire. Durante el ascenso, los vehículos de lanzamiento generalmente evitan volverse supersónicos por debajo de los 30 km (~98 400 pies) para reducir la resistencia aerodinámica.

Ten en cuenta que la velocidad del sonido disminuye un poco con la altitud, debido a las temperaturas más bajas que se encuentran allí (normalmente hasta 25 km). A altitudes aún mayores, la temperatura comienza a aumentar, con el correspondiente aumento en la velocidad del sonido.

Cuando se revienta un globo inflado, las piezas desgarradas de látex se contraen a una velocidad supersónica, lo que contribuye al fuerte y fuerte estallido.

Vehículos terrestres supersónicos

Hasta la fecha, solo un vehículo terrestre ha viajado oficialmente a velocidad supersónica, el ThrustSSC. El vehículo, conducido por Andy Green, tiene el récord mundial de velocidad en tierra, habiendo alcanzado una velocidad promedio en su carrera bidireccional de 1228 km/h (763 mph) en el Black Rock Desert el 15 de octubre de 1997.

El proyecto Bloodhound LSR planeó un intento de batir el récord en 2020 en Hakskeenpan, Sudáfrica, con una combinación de automóvil propulsado por cohetes e híbridos. El objetivo era romper el récord existente y luego hacer más intentos durante los cuales [los miembros del] equipo esperan alcanzar velocidades de hasta 1600 km/h (1000 mph). El esfuerzo fue originalmente dirigido por Richard Noble, quien fue el líder del proyecto ThrustSSC, sin embargo, luego de problemas de financiación en 2018, Ian Warhurst compró el equipo y lo rebautizó como Bloodhound LSR. Posteriormente el proyecto se retrasó indefinidamente por la pandemia del Covid-19 y el vehículo se puso a la venta.

Vuelo supersónico

La mayoría de los aviones de combate modernos son aviones supersónicos. Ningún avión de pasajeros moderno es capaz de alcanzar velocidades supersónicas, pero ha habido aviones de pasajeros supersónicos, como el Concorde y el Tupolev Tu-144. Ambos aviones de pasajeros y algunos cazas modernos también son capaces de realizar supercruceros, una condición de vuelo supersónico sostenido sin el uso de un dispositivo de poscombustión. Debido a su capacidad de supercrucero durante varias horas y la frecuencia de vuelo relativamente alta durante varias décadas, el Concorde pasó más tiempo volando supersónicamente que todos los demás aviones combinados por un margen considerable. Desde el último vuelo de retiro del Concorde el 26 de noviembre de 2003, no quedan aviones de pasajeros supersónicos en servicio. Algunos bombarderos grandes, como el Tupolev Tu-160 y el Rockwell B-1 Lancer, también tienen capacidad supersónica.

La aerodinámica de los aviones supersónicos es más simple que la aerodinámica subsónica porque las láminas 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 superar 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 genera 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 roto a través de la barrera de velocidad de sonido, y está viajando a 1.4 veces la velocidad del sonido, c (Mach 1.4). Debido a que la fuente se mueve más rápido que las ondas de sonido que crea, en realidad conduce el avance de la onda. 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 terrestre en forma de hiperbola en amarillo

Sin embargo, en aplicaciones prácticas, un avión supersónico debe operar de manera estable tanto en perfiles subsónicos como supersónicos, por lo que el diseño aerodinámico es más complejo.

La clave principal para tener una resistencia supersónica baja es dar forma adecuada a la aeronave en general para que sea larga y delgada, y casi 'perfecta'. forma, 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 a los demás, 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.