Un avión supersónico es un avión capaz de volar más rápido que la velocidad del sonido ( Mach número 1). Los aviones supersónicos se desarrollaron en la segunda mitad del siglo XX y se han utilizado casi en su totalidad con fines militares y de investigación. Solo dos, Tupolev Tu-144 (primer vuelo - 31 de diciembre de 1968) y el Concorde (primer vuelo - 2 de marzo de 1969), entraron en servicio para uso civil como aviones de pasajeros . Los aviones de combate son el ejemplo más común de aviones supersónicos.
La aerodinámica del vuelo supersónico se llama flujo compresible debido a la compresión asociada con las ondas de choque o " boom sónico " creado por cualquier objeto que viaja más rápido que el sonido.
Los aviones que vuelan a velocidades superiores a Mach 5 a menudo se denominan aviones hipersónicos .
Historia
El primer avión en volar de manera supersónica en vuelo nivelado fue el avión experimental estadounidense Bell X-1 que estaba propulsado por un cohete de empuje de 6000 libras propulsado por oxígeno líquido y alcohol etílico. La mayoría de los aviones supersónicos han sido aviones militares o experimentales.
En las décadas de 1960 y 1970, se realizaron muchos estudios de diseño para aviones supersónicos y, finalmente, entraron en servicio dos tipos, el Tupolev Tu-144 soviético (1968) y el Concorde anglo-francés (1969). Sin embargo, los obstáculos políticos, ambientales y económicos y un accidente fatal del Concorde impidieron que se utilizaran en todo su potencial comercial.
Criterios de diseño
El vuelo supersónico trae consigo importantes desafíos técnicos, ya que la aerodinámica del vuelo supersónico es dramáticamente diferente de la del vuelo subsónico (es decir, el vuelo a velocidades más lentas que la del sonido). En particular, la resistencia aerodinámica aumenta drásticamente a medida que la aeronave pasa el régimen transónico, lo que requiere una potencia de motor mucho mayor y estructuras de avión más aerodinámicas.
Alas
Para mantener baja la resistencia, la envergadura debe ser limitada, lo que también reduce la eficiencia aerodinámica cuando se vuela lentamente. Dado que un avión supersónico debe despegar y aterrizar a una velocidad relativamente lenta, su diseño aerodinámico debe ser un compromiso entre los requisitos para ambos extremos del rango de velocidad.
Un enfoque para resolver este compromiso es el uso de un ala de geometría variable , comúnmente conocida como "ala oscilante", que se extiende ampliamente para vuelos a baja velocidad y luego barre bruscamente, generalmente hacia atrás, para vuelos supersónicos. Sin embargo, el balanceo afecta el ajuste longitudinal de la aeronave y el mecanismo de balanceo agrega peso y costo. El uso de un ala delta , como las que se usan en el Aerospatiale-BAC Concorde genera un vórtice que energiza el flujo en la superficie superior del ala a altas velocidades y ángulos de ataque, retrasando la separación del flujo y dando a la aeronave un ángulo de pérdida muy alto. . También resuelve el problema de la compresibilidad del fluido a velocidades transónicas y supersónicas. Sin embargo, es, por supuesto, ineficaz a velocidades más bajas debido al requisito de un alto ángulo de ataque y, por lo tanto, necesita el uso de flaps .
Calefacción
Otro problema es el calor generado por la fricción cuando el aire fluye sobre la aeronave. La mayoría de los diseños subsónicos utilizan aleaciones de aluminio como el duraluminio , que son baratas y fáciles de trabajar, pero pierden su resistencia rápidamente a altas temperaturas. Esto limita la velocidad máxima a alrededor de Mach 2,2.
La mayoría de los aviones supersónicos, incluidos muchos aviones de combate militares , están diseñados para pasar la mayor parte de su vuelo a velocidades subsónicas y solo para superar la velocidad del sonido durante períodos cortos, como cuando se intercepta un avión enemigo. Un número menor, como el avión de reconocimiento Lockheed SR-71 Blackbird y el avión supersónico Concorde, ha sido diseñado para navegar continuamente a velocidades superiores a la velocidad del sonido, y con estos diseños los problemas del vuelo supersónico son más severos.
Motores
Algunos de los primeros aviones supersónicos, incluido el primero, dependían de la potencia de los cohetes para proporcionar el empuje necesario, aunque los cohetes consumen mucho combustible y, por lo tanto, los tiempos de vuelo son cortos. Los primeros turborreactores eran más eficientes en combustible pero no tenían suficiente empuje y algunos aviones experimentales estaban equipados con un turborreactor para vuelos a baja velocidad y un motor de cohete para vuelos supersónicos. La invención del postquemador , en el que se quema combustible adicional en el escape del jet, hizo obsoletos estos tipos de centrales eléctricas mixtas. El motor turbofan pasa aire frío adicional alrededor del núcleo del motor, lo que aumenta aún más su eficiencia de combustible, y los aviones supersónicos de hoy son propulsados por turbofans equipados con postquemadores.
Los aviones supersónicos suelen utilizar turboventiladores de bajo bypass, ya que tienen una eficiencia aceptable tanto por debajo de la velocidad del sonido como por encima; o si se necesita un supercrucero, los motores turborreactores pueden ser deseables ya que dan menos resistencia a la góndola a velocidades supersónicas. Los motores Pratt & Whitney J58 del Lockheed SR-71 Blackbird operaron de 2 maneras, despegando y aterrizando como turborreactores sin bypass, pero sin pasar parte del aire del compresor al postquemador a velocidades más altas. Esto permitió que el Blackbird volara a más de Mach 3, más rápido que cualquier otro avión de producción. El efecto de calentamiento de la fricción del aire a estas velocidades significó que se tuvo que desarrollar un combustible especial que no se descompusiera con el calor y obstruyera las tuberías de combustible en su camino hacia el quemador.
Otro motor de alta velocidad es el ramjet . Esto debe volar bastante rápido antes de que funcione.
Vuelo transónico
El flujo de aire puede acelerarse o disminuir localmente en diferentes puntos sobre un avión. En la región alrededor de Mach 1, algunas áreas pueden experimentar un flujo supersónico mientras que otras son subsónicas. Este régimen se llama vuelo transónico. A medida que cambia la velocidad de la aeronave, se formarán o se moverán ondas de presión. Esto puede afectar el ajuste, la estabilidad y la capacidad de control de la aeronave, y el diseñador debe asegurarse de que estos efectos se tengan en cuenta a todas las velocidades.
Vuelo hipersónico
El vuelo a velocidades superiores a Mach 5 a menudo se denomina hipersónico. En esta región, los problemas de arrastre y calentamiento son aún más agudos. Es difícil fabricar materiales que puedan soportar las fuerzas y temperaturas generadas por la resistencia del aire a estas velocidades, y aún no se ha logrado un vuelo hipersónico durante un período de tiempo significativo.
estampido supersónico
Un boom sónico es el sonido asociado con las ondas de choque creadas cada vez que un objeto que viaja por el aire viaja más rápido que la velocidad del sonido . Los estallidos sónicos generan cantidades significativas de energía sonora , que suena similar a una explosión o un trueno en el oído humano. El chasquido de una bala supersónica que pasa por encima o el chasquido de un látigo son ejemplos de un boom sónico en miniatura. [2]
Los estallidos sónicos debidos a grandes aviones supersónicos pueden ser particularmente fuertes y alarmantes, tienden a despertar a las personas y pueden causar daños menores a algunas estructuras. Condujeron a la prohibición de vuelos supersónicos rutinarios sobre tierra. Aunque no se pueden prevenir por completo, la investigación sugiere que con una configuración cuidadosa del vehículo, la molestia debida a ellos puede reducirse hasta el punto de que el vuelo supersónico por tierra puede convertirse en una opción práctica.
Supercrucero
El supercrucero es un vuelo supersónico sostenido de un avión supersónico con una carga útil, pasajeros o carga de armas que se realiza de manera eficiente, lo que típicamente excluye el uso de postcombustión o "recalentamiento" altamente ineficientes . Muchos aviones militares supersónicos conocidos que no son capaces de realizar un supercrucero solo pueden mantener el vuelo Mach 1+ en ráfagas cortas, generalmente con postcombustión. Los aviones como el SR-71 Blackbird están diseñados para navegar a una velocidad supersónica con los posquemadores habilitados.
Uno de los ejemplos más conocidos de un avión capaz de realizar un supercrucero fue el Concorde . Debido a su largo servicio como avión comercial, Concorde tiene el récord de la mayor cantidad de tiempo pasado en supercrucero; más que todos los demás aviones combinados. [3]
Transportes supersónicos
Un transporte supersónico (SST) es un avión civil diseñado para transportar pasajeros a velocidades superiores a la velocidad del sonido . El único avión civil supersónico que vio servicio fue el Tupolev Tu-144 de fabricación soviética, que voló por primera vez en 1968 y se retiró en 1997; y el Concorde de producción franco-británica , que voló por primera vez en 1969 y permaneció en servicio hasta 2003. Desde 2003, no ha habido aviones civiles supersónicos en servicio.
Una característica clave de estos diseños es la capacidad de mantener un crucero supersónico durante largos períodos, por lo que una baja resistencia es esencial para limitar el consumo de combustible a un nivel práctico y económico. Como consecuencia, estos fuselajes son muy aerodinámicos y las alas tienen una envergadura muy corta. El requisito de velocidades bajas al despegar y aterrizar se cumple mediante el uso de la sustentación de vórtice: a medida que la aeronave desacelera, la sustentación debe restablecerse levantando el morro para aumentar el ángulo de ataque del ala. El borde de ataque de barrido pronunciado hace que el aire gire a medida que fluye sobre el ala, lo que acelera el flujo de aire localmente y mantiene la sustentación.
Otros proyectos de SST han incluido:
- Francia - Sud Aviation Super-Caravelle
- Rusia-Estados Unidos - Sukhoi-Gulfstream S-21
- Unión Soviética - Tupolev Tu-244 , Tupolev Tu-444
- Reino Unido - Bristol Type 223
- Estados Unidos: Convair Model 58-9 , Boeing 2707 , Lockheed L-2000 , Douglas 2229 , SAI Quiet Supersonic Transport , High Speed Civil Transport
Jet de negocios supersónico
Los jets ejecutivos supersónicos (SSBJ) son una clase propuesta de pequeños aviones supersónicos. Ninguno ha volado todavía.
Normalmente destinados a transportar unos diez pasajeros, los SSBJ tienen aproximadamente el mismo tamaño que los jets ejecutivos subsónicos tradicionales.
Proyectos para aviones de pasajeros supersónicos e hipersónicos de pasajeros a gran escala y de negocios (ver más abajo) ( Aerion SBJ , Spike S-512 , HyperMach SonicStar , Next Generation Supersonic Transport , Tupolev Tu-444 , Gulfstream X-54 , LAPCAT , Reaction Engines LAPCAT A2 , Zero Emission Hyper Sonic Transport , SpaceLiner , etc.) fueron propuestos y ahora están en desarrollo.
Bombarderos estratégicos supersónicos
Un bombardero estratégico debe transportar una gran carga de bombas a largas distancias. En consecuencia, se trata de una aeronave de gran tamaño que normalmente tiene un peso en vacío superior a 25.000 kg. Algunos también han sido diseñados para roles relacionados, como reconocimiento estratégico y ataque anti-envío.
Por lo general, la aeronave navegará de forma subsónica durante la mayor parte de su vuelo para ahorrar combustible, antes de acelerar a velocidad supersónica para su carrera de bombardeo. [4]
Pocos bombarderos estratégicos supersónicos han entrado en servicio. El primer tipo, el Convair B-58 Hustler , voló por primera vez en 1956 y el más reciente, el Rockwell B-1B Lancer , en 1983. Aunque este y algunos otros tipos todavía están en servicio hoy, ninguno permanece en producción.
Otros tipos que han volado incluyen:
- Dassault Mirage IV (1959)
- Tupolev Tu-22 (1959)
- Myasishchev M-50 (1959)
- BAC TSR-2 (1964)
- Norteamérica XB-70 Valkyrie (1964)
- Tupolev Tu-22M (1969)
- Dinámica general FB-111A (1969)
- Sukhoi T-4 (1972)
- Tupolev Tu-160 (1981)
- Rockwell B-1B Lancer (1986)
De estos, solo el Tu-22 , Tu-22M , FB-111A , B-1B y Tu-160 entraron en producción.
Reconocimiento estratégico supersónico
Algunos bombarderos estratégicos supersónicos, como el Sukhoi T-4 también son capaces de desempeñar el papel de reconocimiento (aunque el Sukhoi siguió siendo un prototipo).
El Lockheed SR-71 Blackbird fue diseñado específicamente para el papel, y fue un desarrollo más grande del avión de reconocimiento Lockheed A-12 que voló por primera vez en 1962.
Aviones supersónicos de combate / ataque
Los cazas supersónicos y los aviones relacionados a veces se denominan jets rápidos. Constituyen la abrumadora mayoría de aviones supersónicos y algunos, como el Mikoyan-Gurevich MiG-21 , Lockheed F-104 Starfighter y Dassault Mirage III , se han producido en grandes cantidades.
Muchos cazas supersónicos militares y aviones similares de cuarta y quinta generación están en desarrollo en varios países, incluidos Rusia, China, Japón, Corea del Sur, India, Irán y Estados Unidos.
Estados Unidos
- Douglas F4D Skyray (1951)
- F-100 Super Sabre norteamericano (1953)
- Daga Convair F-102 Delta (1953)
- Grumman F-11 Tiger (1954)
- McDonnell F-101 Voodoo (1954)
- Lockheed F-104 Starfighter (1954)
- República F-105 Thunderchief (1955)
- Vought F-8 Crusader (1955)
- Convair F-106 Delta Dart (1956)
- Douglas F5D Skylancer (1956)
- Grumman F11F-1F Super Tigre (1956)
- F-107 norteamericano (1956)
- Vigilante norteamericano A-5 (1958)
- McDonnell Douglas F-4 Phantom II (1958)
- Vought XF8U-3 Crusader III (1958)
- Northrop F-5A / B Freedom Fighter (1959)
- Lockheed YF-12 (1963)
- General Dynamics F-111 Aardvark (1964)
- General Dynamics – Grumman F-111B (1965)
- Grumman F-14 Tomcat (1970)
- McDonnell Douglas F-15 Eagle (1972)
- Northrop F-5E / F Tiger II (1972)
- Northrop YF-17 (1974)
- General Dynamics F-16 Fighting Falcon (1974)
- McDonnell Douglas F / A-18 Hornet (1978)
- Northrop F-20 Tigershark (1982)
- Vought YA-7F (1989)
- Lockheed YF-22 (1990)
- Northrop YF-23 (1990)
- Boeing F / A-18E / F Super Hornet (1995)
- Lockheed Martin F-22 Raptor (1997)
- Lockheed Martin X-35 (2000)
- Boeing X-32 (2000)
- Lockheed Martin F-35 Lightning II (2006)
Unión Soviética / Rusia
- Mikoyan-Gurevich MiG-19 (1953)
- Mikoyan-Gurevich MiG-21 (1955)
- Sukhoi Su-7 (1955)
- Sukhoi Su-9 (1956)
- Sukhoi Su-11 (1958)
- Yakovlev Yak-28 (1958)
- Yakovlev Yak-27 (1960)
- Tupolev Tu-28 (1961)
- Sukhoi Su-15 (1962)
- Mikoyan-Gurevich MiG-25 (1964)
- Sukhoi Su-17 (1966)
- Sukhoi Su-24 (1967)
- Mikoyan-Gurevich MiG-23 (1967)
- Mikoyan MiG-27 (1970)
- Yakovlev Yak-38 (1971)
- Mikoyan MiG-31 (1975)
- Sukhoi Su-27 (1977)
- Mikoyan-Gurevich MiG-29 (1977)
- Sukhoi Su-33 (1987)
- Yakovlev Yak-141 (1987)
- Sukhoi Su-30 (1989)
- Sukhoi Su-34 (1990)
- Sukhoi Su-37 (1996)
- Sukhoi Su-47 (1997)
- Proyecto Mikoyan 1.44 (2000)
- Mikoyan MiG-35 (2007)
- Sukhoi Su-35 (2008)
- Sukhoi Su-57 (2010)
Suecia
- Saab 32 Lansen (1952)
- Saab 35 Draken (1955)
- Saab 37 Viggen (1967)
- Saab JAS 39 Gripen (1988)
Reino Unido
- Relámpago eléctrico inglés (1954)
Francia
- Nord 1500 Griffon II (1950)
- Dassault Super Mystère B1 (1955)
- Dassault Mirage III (1956)
- Leduc 022 (1957)
- Dassault Mirage III V (1961)
- Dassault Mirage IV (1964)
- Dassault Mirage F1 (1966)
- Dassault Mirage 5 (1967)
- Dassault Mirage G (1971)
- Dassault-Breguet Super Étendard (1974)
- Dassault Mirage 2000 (1978)
- Dassault Mirage 4000 (1979)
- Dassault Rafale (1986)
porcelana
- Granjero Shenyang J-6 (1958)
- Nanchang Q-5 Fantan (1965)
- Chengdu J-7 Fishbed (1966)
- Shenyang J-8 (1969)
- Nanchang J-12 (1970)
- Xian JH-7 Flounder (1988)
- Chengdu J-10 vigoroso dragón (1998)
- Shenyang J-11 (1998)
- Nanchang / Hongdu L-15 (2005)
- Shenyang J-15 Flying Shark (2009)
- Sigilo Chengdu J-20 (2011)
- Shenyang J-16 (2012)
- Halcón gerifalte Shenyang J-21 / J-31 (2012)
Canadá
- Avro Canada CF-105 Arrow (1958)
- Caza estelar Canadair CF-104 (1961)
- Canadair CF-5 (1968)
India
- HAL HF-24 Marut (1961)
- HAL Tejas (2001)
Alemania
- EWR VJ 101 (1963)
Egipto
- Helwan HA-300 (1964)
Italia
- Aeritalia F-104S Starfighter (1966)
Francia / Reino Unido
- SEPECAT Jaguar (1968)
Japón
- Mitsubishi T-2 (1971)
- Mitsubishi F-1 (1975)
- Mitsubishi F-2 (1995)
Israel
- IAI Nesher (1971)
- IAI Kfir (1973)
- IAI Lavi (1986)
- IAI Nammer (1991)
Alemania / Italia / Reino Unido
- Panavia Tornado (1974)
Sudáfrica
- Atlas Cheetah (1986)
Taiwán
- AIDC F-CK-1 Ching-kuo (1989)
Alemania / Italia / España / Reino Unido
- Eurofighter Typhoon (1994)
Iran
- HESA Azarakhsh (1997)
- HESA Saeqeh (2004)
- HESA Ghaher 313 (2011)
Corea del Sur
- KAI T-50 Golden Eagle (2002)
Pakistán
- PAC JF-17 Trueno (2003)
Avión de investigación supersónico
- Bell X-1 (1946), primero en romper la barrera del sonido en vuelo nivelado. Impulsado por cohete.
- Douglas D-558-2 Skyrocket (1948), propulsado por cohetes.
- Convair XF-92 (1948), primer jet supersónico de ala delta.
- Republic XF-91 Thunderceptor (1949), potencia mixta
- Bell X-2 (1952), propulsado por cohetes.
- Convair F2Y Sea Dart (1953), único hidroavión que supera la velocidad del sonido
- SNCASO Trident (1953), avión de investigación bimotor supersónico francés.
- Fairey Delta 2 (1954), el primero en superar las 1.000 millas por hora.
- Nord Gerfaut (1954), avión de investigación supersónico de ala delta de fabricación francesa.
- SNCASE SE.212 Durandal (1956), caza supersónico de ala delta de fabricación francesa experimental.
- Nord 1500 Griffon (1955, 1957), Griffon 1 voló en 1955, Griffon 2 voló en 1957, caza experimental mixto turborreactor-ramjet.
- Saunders-Roe SR.53 (1957), caza a reacción experimental de potencia mixta
- North American X-15 (1959), primer avión hipersónico y avión espacial . Impulsado por cohete.
- Bristol 188 (1962), avión de investigación supersónico británico
- Lockheed NF-104A (1963) modificó el caza estelar F-104 utilizado para entrenar astronautas para los programas norteamericanos X-15 y Boeing X-20 Dyna-Soar .
- Northrop HL-10 (1966), propulsado por cohetes
- Propulsado por cohete Martin Marietta X-24A (1969).
- Cohete Northrop M2-F3 (1970) propulsado
- General Dynamics F-16XL (1982) F-16 modificado, demostrador de prueba de ala delta
- Grumman X-29 (1984)
- EAP aeroespacial británico (1986)
- McDonnell Douglas F-15 STOL / MTD (1988) F-15 muy modificado utilizado en varios programas de prueba de la NASA, incluidos STOL / MTD, ACTIVE, IFCS, Quiet Spike, SBRDC / ECANS e HISTEC.
- Rockwell-MBB X-31 (1990)
- General Dynamics F-16 VISTA (1992) modificado F-16, demostrador de control de vector de empuje
- Demostración de Shaped Sonic Boom (2003)
- SpaceShipOne (2003) primer avión espacial de diseño privado
- Demostrador impulsado por scramjet de la NASA X-43 (2004)
- Boeing X-53 Active Aeroelastic Wing (2006) F-18 modificado, demostrador de alabeo. También se usó como vehículo de investigación High Alpha y una investigación más reciente sobre el boom sónico.
- Demostrador impulsado por scramjet Boeing X-51 Waverider (2010)
- Lockheed Martin X-59 QueSST (2018) encargado por la NASA [5]
Ver también
- Barrera del sonido
Referencias
- Bibliografía
- Gunston, Bill (2008). Más rápido que el sonido: la historia de un vuelo supersónico . Somerset, Reino Unido: Haynes Publishing. ISBN 978-1-84425-564-1.CS1 maint: ref duplica el valor predeterminado ( enlace )
- Notas
- ^ Haering, Edward A. Jr .; Smolka, James W .; Murray, James E .; Plotkin, Kenneth J. (1 de enero de 2005). "Demostración de vuelo de auges sónicos de ondas N de baja sobrepresión y ondas evanescentes" ( PDF ) . Informes técnicos de la NASA . NASA . Consultado el 12 de febrero de 2015 .
- ^ Mayo, Mike (2002). "Crackin 'Good Mathematics" . Científico estadounidense . Archivado desde el original el 22 de enero de 2016.
- ^ "Inteligencia y análisis de defensa y seguridad - IHS Jane's 360" . janes.com. 25 de julio de 2000. Archivado desde el original el 6 de agosto de 2010 . Consultado el 4 de septiembre de 2015 .
- ^ "Jet supersónico de Boom Technology con una velocidad máxima de 1.700 mph listo para vuelo de prueba" . El halcón indio | Noticias de defensa de la India . Consultado el 14 de julio de 2020 .
- ^ Banke, Jim (28 de junio de 2018). "Avión supersónico experimental de la NASA ahora conocido como X-59 QueSST" . ESPACIO DIARIO . Space Media Network . Consultado el 30 de junio de 2018 .