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La velocidad supersónica es la velocidad de un objeto que excede la velocidad del sonido ( Mach 1). Para objetos que viajan en aire seco a una temperatura de 20 ° C (68 ° F) al nivel del mar , esta velocidad es de aproximadamente 343,2 m / s (1.126 pies / s; 768 mph; 667,1 kn; 1.236 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 transónicas . Esto ocurre típicamente en algún lugar entre Mach 0.8 y Mach 1.2.
Los sonidos son vibraciones viajeras en forma de ondas de presión en un medio elástico. En los gases, el sonido viaja longitudinalmente a diferentes velocidades, principalmente dependiendo 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, los números de Mach de las aeronaves pueden cambiar a pesar de una velocidad de viaje constante. En agua a temperatura ambiente, la velocidad supersónica se puede considerar como cualquier velocidad superior a 1.440 m / s (4.724 pies / s). En los sólidos, las ondas sonoras se pueden polarizar longitudinal o transversalmente y tener velocidades aún mayores.
La fractura supersónica es un movimiento de grieta más rápido que la velocidad del sonido en un material quebradizo .
Significado temprano [ editar ]
A principios del siglo XX, el término "supersónico" se utilizó como adjetivo para describir el sonido cuya frecuencia está por encima del rango de audición humana normal. El término moderno para este significado es " ultrasónico ".
Etimología : La palabra supersónico proviene de dos palabras derivadas del latín; 1) super: above y 2) sonus: sound, que juntos significan por encima del sonido o, en otras palabras, más rápido que el sonido.
Objetos supersónicos [ editar ]
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Se cree que la punta de un látigo es el primer objeto diseñado para romper la barrera del sonido, lo que resulta en un "crack" revelador (en realidad, un pequeño boom sónico ). El movimiento de las olas que viaja a través del látigo es lo que lo hace capaz de alcanzar velocidades supersónicas. [3] [4] Aunque el primer boom supersónico hecho por el hombre probablemente fue causado por un trozo de tela, lo que estimuló el eventual desarrollo del látigo. [5]
La mayoría de los aviones de combate modernos son aviones supersónicos, pero ha habido aviones de pasajeros supersónicos , a saber, el Concorde y el Tupolev Tu-144 . Tanto estos aviones de pasajeros como algunos cazas modernos también son capaces de realizar un supercrucero , una condición de vuelo supersónico sostenido sin el uso de un postquemador.. Debido a su capacidad para realizar un supercrucero durante varias horas y la frecuencia relativamente alta de vuelo durante varias décadas, el Concorde pasó más tiempo volando de manera supersónica 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 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 [6] muy superiores a Mach 3 .
La mayoría de las naves espaciales , sobre todo el transbordador espacial, son supersónicas al menos durante partes de su reentrada, aunque los efectos en la nave espacial se reducen por las bajas densidades de 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 del aire.
Tenga en cuenta que la velocidad del sonido disminuye un poco con la altitud, debido a las temperaturas más bajas que se encuentran allí (típicamente hasta 25 km). En altitudes aún mayores, la temperatura comienza a aumentar, con el correspondiente aumento en la velocidad del sonido. [7]
Cuando se rompe un globo inflado , los trozos de látex desgarrados se contraen a una velocidad supersónica, lo que contribuye al fuerte y fuerte estallido.
Vehículos terrestres supersónicos [ editar ]
Hasta la fecha, solo un vehículo terrestre ha viajado oficialmente a velocidad supersónica. Es ThrustSSC , conducido por Andy Green , que ostenta el récord mundial de velocidad en tierra, habiendo alcanzado una velocidad media en su carrera bidireccional de 1.228 km / h (763 mph) en el desierto de Black Rock el 15 de octubre de 1997.
El proyecto Bloodhound LSR está planeando un intento de récord en 2020 en Hakskeen Pan en Sudáfrica con una combinación de un automóvil propulsado por un cohete híbrido y un jet. El objetivo es romper el récord existente y luego hacer más intentos durante los cuales [los miembros del] equipo esperan alcanzar velocidades de hasta 1.600 km / h (1.000 mph). El esfuerzo fue dirigido originalmente por Richard Noble, quien era el líder del proyecto ThrustSSC, sin embargo, luego de problemas de financiamiento en 2018, Ian Warhurst compró el equipo y lo renombró Bloodhound LSR. El nuevo proyecto conserva a gran parte del personal de ingeniería original de Bloodhound SSC, y Andy Green sigue siendo el conductor del intento de récord, y se espera que las pruebas de alta velocidad comiencen en octubre de 2019.
Vuelo supersónico [ editar ]
La aerodinámica supersónica es más simple que la aerodinámica subsónica porque las hojas 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 atravesar 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.
Sin embargo, en aplicaciones prácticas, una aeronave supersónica debe operar de manera estable tanto en perfiles subsónicos como supersónicos, por lo que el diseño aerodinámico es más complejo.
Un problema del vuelo supersónico sostenido es la generación de calor durante el vuelo. A altas velocidades, puede producirse un calentamiento aerodinámico , por lo que una aeronave debe estar diseñada para operar y funcionar a temperaturas muy altas. El duraluminio , un material utilizado tradicionalmente en la fabricación de aviones, comienza a perder resistencia y a deformarse a temperaturas relativamente bajas, y no es adecuado para un uso continuo a velocidades superiores a Mach 2,2 a 2,4. Los materiales como el titanio y el acero inoxidable permiten operaciones a temperaturas mucho más altas. Por ejemplo, el avión Lockheed SR-71 Blackbird podría volar continuamente a Mach 3.1, lo que podría llevar a que las temperaturas en algunas partes de la aeronave superen los 315 ° C (600 ° F).
Otra área de preocupación para el vuelo sostenido a alta velocidad es el funcionamiento del motor. Los motores a reacción crean empuje al aumentar la temperatura del aire que ingieren y, a medida que la aeronave acelera, el proceso de compresión en la admisión provoca un aumento de temperatura antes de que llegue a los motores. La temperatura máxima permitida del escape está determinada por los materiales en la turbina en la parte trasera del motor, por lo que a medida que la aeronave acelera, la diferencia en la temperatura de admisión y escape que el motor puede crear, al quemar combustible, disminuye, al igual que el empuje. El mayor empuje necesario para velocidades supersónicas tuvo que recuperarse quemando combustible adicional en el escape.
El diseño de la toma también fue un problema importante. La mayor parte de la energía disponible en el aire entrante debe recuperarse, lo que se conoce como recuperación de la entrada, utilizando ondas de choque en el proceso de compresión supersónica en la entrada. A velocidades supersónicas, la admisión debe asegurarse de que el aire se ralentice sin una pérdida de presión excesiva. Tiene que usar el tipo correcto de ondas de choque , oblicuas / planas, para que la velocidad de diseño de la aeronave comprima y desacelere el aire a velocidad subsónica antes de que llegue al motor. Las ondas de choque se colocan utilizando una rampa o un cono que puede necesitar ser ajustable dependiendo de las compensaciones entre la complejidad y el rendimiento requerido de la aeronave.
Una aeronave capaz de operar durante períodos prolongados a velocidades supersónicas tiene una ventaja de alcance potencial sobre un diseño similar que opera de forma subsónica. La mayor parte del arrastre que ve un avión mientras acelera a velocidades supersónicas se produce justo por debajo de la velocidad del sonido, debido a un efecto aerodinámico conocido como arrastre de onda . Una aeronave que puede acelerar más allá de esta velocidad ve una disminución significativa de la resistencia y puede volar de manera supersónica con una economía de combustible mejorada. Sin embargo, debido a la forma en que la sustentación se genera de manera supersónica, la relación de sustentación a arrastre de la aeronave en su conjunto cae, lo que lleva a un rango más bajo, compensando o volcando esta ventaja.
La clave para tener una resistencia supersónica baja es dar forma adecuada a todo el avión para que sea largo y delgado, y cercano a una forma "perfecta", 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 entre sí, 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.
Historia del vuelo supersónico [ editar ]
La investigación de la aviación durante la Segunda Guerra Mundial condujo a la creación del primer avión propulsado por cohetes y reactores. Posteriormente surgieron varias afirmaciones de romper la barrera del sonido durante la guerra. Sin embargo, el primer vuelo reconocido que excedió la velocidad del sonido por un avión tripulado en vuelo nivelado controlado fue realizado el 14 de octubre de 1947 por el avión cohete de investigación experimental Bell X-1 pilotado por Charles "Chuck" Yeager . El primer avión de producción que rompió la barrera del sonido fue un F-86 Canadair Sabre con la primera mujer piloto 'supersónica', Jacqueline Cochran , a los mandos. [8] Según David Masters, [9] el DFS 346El prototipo capturado en Alemania por los soviéticos, después de ser lanzado desde un B-29 a 32800 pies (10000 m), alcanzó 683 mph (1100 km / h) a fines de 1945, lo que habría superado el Mach 1 a esa altura. El piloto de estos vuelos fue el alemán Wolfgang Ziese.
El 21 de agosto de 1961, un Douglas DC-8-43 (matrícula N9604Z) excedió Mach 1 en una inmersión controlada durante un vuelo de prueba en la Base de la Fuerza Aérea Edwards. La tripulación estaba formada por William Magruder (piloto), Paul Patten (copiloto), Joseph Tomich (ingeniero de vuelo) y Richard H. Edwards (ingeniero de pruebas de vuelo). [10] Este fue el primer vuelo supersónico de un avión civil que no sea el Concorde o el Tu-144 . [10]
Ver también [ editar ]
- Regla de área
- Velocidad hipersónica
- Velocidad transónica
- estampido supersónico
- Avión supersónico
- Perfil aerodinámico supersónico
- Cono de vapor
- Singularidad de Prandtl-Glauert
Referencias [ editar ]
- ^ "APOD: 19 de agosto de 2007 - A Sonic Boom" . antwrp.gsfc.nasa.gov .
- ^ "NUBE DE CONDENSACIÓN F-14 EN ACCIÓN" . www.eng.vt.edu . Archivado desde el original el 2 de junio de 2004.
- ^ Mike May, Crackin 'Good Mathematics , Científico estadounidense, Volumen 90, Número 5, 2002
- ^ Hipografía - Ciencia para todos - Explicación del misterio de los golpes de látigo
- ^ https://web.archive.org/web/20201111145719/http://www.hiviz.com/PROJECTS/towel/towel.htm . Falta o vacío
|title=( ayuda ) - ^ Tablas de municiones de Hornady
- ^ Calculadora de condiciones de gran altitud eXtreme
- ^ "Jacqueline Cochran y los pilotos del servicio de la fuerza aérea femenina". Administración Nacional de Archivos y Registros: Biblioteca, Museo y Hogar de la Niñez Presidencial Dwight D. Eisenhower. Consultado el 10 de julio de 2013.
- ^ Maestros, David (1982). Jet Genesis alemán . Jane's. pag. 142. ISBN 978-0867206227.
- ↑ a b Wasserzieher, Bill (agosto de 2011). "Yo estuve allí: cuando el DC-8 se volvió supersónico" . Revista Air & Space . Archivado desde el original el 8 de mayo de 2014 . Consultado el 3 de febrero de 2017 .
Enlaces externos [ editar ]
- "¿Podemos volar más rápido a la velocidad del sonido?", Octubre de 1944, Popular Science, uno de los primeros artículos sobre ondas de choque y volar a la velocidad del sonido.
- "Britain Goes Supersonic", enero de 1946, artículo de Popular Science 1946 que intenta explicar el vuelo supersónico al público en general.
- MathPages - La velocidad del sonido
- Niveles supersónicos de presión sonora
