Los diamantes de choque (también conocidos como diamantes Mach o diamantes de empuje ) son una formación de patrones de ondas estacionarias que aparecen en la columna de escape supersónica de un sistema de propulsión aeroespacial, como un motor a reacción supersónico , un cohete , un estatorreactor o un scramjet , cuando se opera. en una atmósfera. Los "diamantes" son en realidad un campo de flujo complejo que se hace visible mediante cambios abruptos en la densidad y presión locales a medida que el escape pasa a través de una serie de ondas de choque estacionarias y ventiladores de expansión . El físico Ernst Mach fue el primero en describir un fuerte choque normal a la dirección del flujo de fluido, cuya presencia provoca el patrón de diamante. [1] : 48
Los diamantes de choque se forman cuando el escape supersónico de una boquilla propulsora se expande ligeramente, lo que significa que la presión estática de los gases que salen de la boquilla es menor que la presión del aire ambiente . La presión ambiental más alta comprime el flujo y, dado que el aumento de presión resultante en la corriente de gas de escape es adiabático , una reducción en la velocidad hace que su temperatura estática aumente sustancialmente. [2] El escape generalmente se expande demasiado en altitudes bajas, donde la presión del aire es mayor.
A medida que el flujo sale de la boquilla, la presión del aire ambiente comprimirá el flujo. [2] La compresión externa es causada por ondas de choque oblicuas inclinadas en ángulo con respecto al flujo. El flujo comprimido se expande alternativamente mediante ventiladores de expansión de Prandtl-Meyer , y cada "diamante" se forma mediante el emparejamiento de un amortiguador oblicuo con un ventilador de expansión. Cuando el flujo comprimido se vuelve paralelo a la línea central, se forma una onda de choque perpendicular al flujo, llamada onda de choque normal o disco de Mach . Esto ubica el primer diamante de choque, y el espacio entre él y la boquilla se llama "zona de silencio". [3] La distancia desde la boquilla hasta el primer diamante de choque se puede aproximar mediante
donde x es la distancia, D 0 es el diámetro de la boquilla, P 0 es la presión del flujo y P 1 es la presión atmosférica. [3]
A medida que el escape pasa a través de la onda de choque normal, su temperatura aumenta, encendiendo el exceso de combustible y provocando el brillo que hace visibles los diamantes de choque. [2] Las regiones iluminadas aparecen como discos o diamantes , dándoles su nombre.
Finalmente, el flujo se expande lo suficiente como para que su presión vuelva a estar por debajo de la ambiental, momento en el que el ventilador de expansión se refleja en la discontinuidad de contacto (el borde exterior del flujo). Las ondas reflejadas, llamadas ventilador de compresión, hacen que el flujo se comprima. [2] Si el ventilador de compresión es lo suficientemente fuerte, se formará otra onda de choque oblicua, creando un segundo disco de Mach y un diamante de choque. El patrón de discos y diamantes se repetiría indefinidamente si los gases fueran ideales y sin fricción; [2] sin embargo, el corte turbulento en la discontinuidad del contacto hace que el patrón de onda se disipe con la distancia. [4]
De manera similar, se pueden formar patrones de diamantes cuando una boquilla está insuficientemente expandida (presión de salida más alta que la ambiental) en presiones atmosféricas más bajas a altitudes más altas. En este caso, primero se forma el ventilador de expansión y luego el choque oblicuo. [2]
Los diamantes de choque se asocian más comúnmente con la propulsión a reacción y cohetes, pero pueden formarse en otros sistemas.
Los diamantes de choque pueden ser vistos [ ¿por quién? ] durante las purgas de gasoductos porque el gas está a alta presión y sale de la válvula de purga a velocidades extremas. [ cita necesaria ]
Cuando se disparan piezas de artillería, el gas sale por la boca del cañón a velocidades supersónicas y produce una serie de diamantes de choque. Los diamantes provocan un brillante destello de boca que puede exponer la ubicación de los emplazamientos de armas al enemigo. Se descubrió que cuando la relación entre la presión del flujo y la presión atmosférica es cercana, lo que se puede lograr con un supresor de llamas , los diamantes de choque se minimizan en gran medida. Agregar un freno de boca al final de la boca equilibra las presiones y evita los diamantes de choque. [1] : 41
Se observa que algunos radiochorros , potentes chorros de plasma que emanan de cuásares y radiogalaxias , tienen nudos regularmente espaciados de emisiones de radio mejoradas. [1] : 68 Los chorros viajan a velocidad supersónica a través de una delgada "atmósfera" de gas en el espacio, [1] : 51 por lo que se supone que estos nudos son diamantes de choque. [5] [6]
