Supersónico (velocidades superiores a la velocidad del sonido)

Características físicas clave

Cuando un objeto se desplaza más rápido que el sonido aparecen varios fenómenos aerodinámicos distintivos. Un objeto supersónico genera ondas de choque —frentes de presión muy delgados y casi discontinuos— que modifican la presión, la temperatura y la densidad a través de la onda. El cambio brusco de presión produce el conocido estampido sónico que se oye en tierra cuando esas ondas de choque alcanzan a un observador. La resistencia aerodinámica aumenta bruscamente cerca del rango transónico, lo que históricamente dificultó el vuelo supersónico controlado hasta que se introdujeron avances específicos en diseño y propulsión.

• Número de Mach: una medida adimensional de la velocidad respecto al sonido (Mach).
• Ondas de choque y estampido sónico: cambios bruscos de presión que se propagan desde el vehículo.
• Aumento de la resistencia: la resistencia de onda cobra importancia y los diseñadores deben compensarla (resistencia).
• Dependencia de la temperatura: la velocidad del sonido varía con la temperatura, por lo que las condiciones locales importan (21,1 °C como referencia familiar).

Regímenes y distinciones

Las velocidades suelen clasificarse en regímenes. Subsónico es inferior a Mach 1, transónico abarca la región en la que partes del flujo se vuelven supersónicas mientras otras siguen siendo subsónicas (a menudo en torno a Mach 0,8–1,2), supersónico es consistentemente superior a Mach 1 e hipersónico suele reservarse para velocidades por encima de aproximadamente Mach 5. El tránsito por velocidades transónicas es especialmente difícil porque los campos de flujo cambian con rapidez y las superficies de control pueden comportarse de manera impredecible.

Historia y ejemplos

Objetos simples han alcanzado velocidades supersónicas locales mucho antes que los aviones propulsados: la punta que se rompe de un látigo en rápido movimiento produce una pequeña onda de choque supersónica, y proyectiles como balas de fusil y obuses de artillería ya se volvieron supersónicos en el siglo XIX. Los aviones de pistón y los primeros reactores encontraron por primera vez la llamada «barrera del sonido» —un conjunto de problemas aerodinámicos y de control— en la primera mitad del siglo XX. Superar la barrera en vuelo controlado requirió avances en propulsión a reacción, diseño de la estructura y materiales.

• Entre los primeros ejemplos de movimiento supersónico en dispositivos cotidianos se incluye el látigo.
• La munición militar y algunas armas de fuego y la artillería han operado de forma supersónica desde el siglo XIX.
• La propulsión a reacción (motores a reacción) y las mejoras de diseño permitieron aviones supersónicos prácticos.

Diseño y propulsión

Para volar de forma eficiente y segura a velocidades supersónicas, los ingenieros adoptan formas y tecnologías específicas: perfiles alares agudos y delgados o alas muy flechadas, conformación del fuselaje para controlar la distribución de presiones (regla de áreas), materiales resistentes para soportar un mayor calentamiento y sistemas de propulsión adecuados a altas velocidades, como turborreactores, estatorreactores y scramjets. Los posquemadores y las tomas de geometría variable se utilizaron en muchos aviones supersónicos tempranos y militares para proporcionar empuje suficiente en un amplio rango de velocidades.

Usos, limitaciones y datos notables

El vuelo supersónico es común en aeronaves militares y en algunos vehículos experimentales. El transporte supersónico civil ha sido demostrado por aviones como el Concorde y otros, pero el viaje supersónico comercial generalizado ha quedado limitado por preocupaciones económicas, ambientales y regulatorias, en particular los estampidos sónicos sobre zonas pobladas. Continúa la investigación sobre diseños supersónicos más silenciosos y sobre propulsión de velocidades muy altas, incluida la investigación hipersónica, para aplicaciones civiles y de defensa.

Como la velocidad exacta que marca «supersónico» depende de las condiciones atmosféricas locales (velocidad del sonido), el mismo vehículo puede ser subsónico a una altitud o temperatura y supersónico a otra. Las referencias numéricas comunes incluyen velocidades expresadas en metros por segundo (m/s), pies por segundo, millas por hora (mph) y kilómetros por hora. El rango en el que los componentes del flujo comienzan a alcanzar valores supersónicos suele llamarse transónico y exige decisiones de diseño cuidadosas.

El vuelo supersónico sigue siendo un campo especializado dentro de la aerodinámica y la ingeniería aeroespacial, en el que se busca equilibrar rendimiento, ruido, coste y seguridad. Los avances en materiales, diseño computacional y propulsión siguen ampliando lo que es posible a velocidades superiores a la del sonido.