Un boom sónico es un sonido asociado con ondas de choque creadas cuando un objeto viaja por el aire más rápido que la velocidad del sonido . Los estallidos sónicos generan enormes cantidades de energía sonora y suenan similares a una explosión o un trueno para el oído humano.
El chasquido de una bala supersónica que pasa sobre nosotros o el chasquido de un látigo son ejemplos de estallido sónico en miniatura. [2]
Las explosiones sónicas debidas a grandes aviones supersónicos pueden ser particularmente fuertes y sorprendentes, tienden a despertar a las personas y pueden causar daños menores a algunas estructuras . Esto llevó a la prohibición de los vuelos supersónicos de rutina por tierra. Aunque no se pueden prevenir por completo, las investigaciones sugieren que con una cuidadosa configuración del vehículo, las molestias debidas a las explosiones sónicas pueden reducirse hasta el punto de que los vuelos supersónicos por tierra pueden convertirse en una opción viable. [3] [4]
Un boom sónico no se produce sólo en el momento en que un objeto cruza la barrera del sonido y tampoco se escucha en todas las direcciones que emana del objeto supersónico. Más bien, el boom es un efecto continuo que ocurre mientras el objeto viaja a velocidades supersónicas y afecta solo a los observadores que están ubicados en un punto que cruza una región en forma de cono geométrico detrás del objeto. A medida que el objeto se mueve, esta región cónica también se mueve detrás de él y cuando el cono pasa sobre el observador, este experimentará brevemente el "boom".
Cuando un avión atraviesa el aire, crea una serie de ondas de presión delante y detrás del avión, similares a las ondas de proa y popa creadas por un barco. Estas ondas viajan a la velocidad del sonido y, a medida que aumenta la velocidad del objeto, las ondas se juntan o comprimen, porque no pueden apartarse unas de otras con la suficiente rapidez. Finalmente, se fusionan en una sola onda de choque, que viaja a la velocidad del sonido, una velocidad crítica conocida como Mach 1 , que es de aproximadamente 1.192 km/h (741 mph) al nivel del mar y 20 °C (68 °F).
En un vuelo suave, la onda de choque comienza en el morro del avión y termina en la cola. Debido a que las diferentes direcciones radiales alrededor de la dirección de viaje del avión son equivalentes (dada la condición de "vuelo suave"), la onda de choque forma un cono de Mach , similar a un cono de vapor , con el avión en su punta. El semiángulo entre la dirección de vuelo y la onda de choque viene dado por:
¿Dónde está el inverso del número de Mach del avión ? Así, cuanto más rápido viaja el avión, más fino y puntiagudo es el cono.
Hay un aumento de presión en la nariz, que disminuye constantemente hasta una presión negativa en la cola, seguido de un retorno repentino a la presión normal después de que pasa el objeto. Este " perfil de sobrepresión " se conoce como onda N debido a su forma. El "boom" se experimenta cuando hay un cambio brusco de presión; por lo tanto, una onda N provoca dos auges: uno cuando el aumento de presión inicial llega a un observador y otro cuando la presión vuelve a la normalidad. Esto conduce a un "doble boom" distintivo de un avión supersónico. Cuando el avión está maniobrando, la distribución de la presión cambia de diferentes formas, con una característica forma de onda U.
Dado que el boom se genera continuamente mientras el avión es supersónico, llena un camino estrecho en el suelo siguiendo la trayectoria de vuelo del avión, un poco como una alfombra roja que se desenrolla y, por lo tanto, se conoce como alfombra del boom . Su ancho depende de la altitud del avión. La distancia desde el punto en tierra donde se escucha el boom hasta el avión depende de su altitud y del ángulo .
Para los aviones supersónicos actuales en condiciones normales de funcionamiento, la sobrepresión máxima varía de menos de 50 a 500 Pa (1 a 10 psf (libra por pie cuadrado)) para un auge de onda N. Las sobrepresiones máximas de las ondas U se amplifican de dos a cinco veces más que las de las ondas N, pero esta sobrepresión amplificada afecta solo a un área muy pequeña en comparación con el área expuesta al resto del boom sónico. El estallido sónico más fuerte jamás registrado fue de 7.000 Pa (144 psf) y no causó lesiones a los investigadores que estuvieron expuestos a él. El boom fue producido por un F-4 que volaba justo por encima de la velocidad del sonido a una altitud de 100 pies (30 m). [5] En pruebas recientes, el auge máximo medido durante condiciones de vuelo más realistas fue de 1.010 Pa (21 psf). Existe la probabilidad de que un estallido sónico produzca algún daño (vidrios rotos, por ejemplo). Los edificios en buenas condiciones no deberían sufrir daños por presiones de 530 Pa (11 psf) o menos. Y, normalmente, la exposición de la comunidad al estallido sónico es inferior a 100 Pa (2 psf). El movimiento del suelo resultante del estallido sónico es raro y está muy por debajo de los umbrales de daño estructural aceptados por la Oficina de Minas de Estados Unidos y otras agencias. [6]
La potencia o volumen de la onda de choque depende de la cantidad de aire que se acelera y, por tanto, del tamaño y la forma del avión. A medida que el avión aumenta la velocidad, el cono de choque se estrecha alrededor de la nave y se debilita hasta el punto de que a velocidades y altitudes muy altas no se escucha ningún boom. La "longitud" de la pluma de adelante hacia atrás depende de la longitud del avión a una potencia de 3/2. Por lo tanto, los aviones más largos "extienden" sus plumas más que los más pequeños, lo que conduce a una pluma menos poderosa. [7]
Se pueden formar, y generalmente se forman, varias ondas de choque más pequeñas en otros puntos de la aeronave, principalmente en cualquier punto convexo o curva, el borde de ataque del ala y especialmente en la entrada de los motores. Estas ondas de choque secundarias son causadas por el aire que se ve obligado a girar alrededor de estos puntos convexos, lo que genera una onda de choque en flujo supersónico .
Las últimas ondas de choque son algo más rápidas que la primera, viajan más rápido y se suman a la onda de choque principal a cierta distancia del avión para crear una forma de onda N mucho más definida. Esto maximiza tanto la magnitud como el "tiempo de subida" del impacto, lo que hace que el auge parezca más fuerte. En la mayoría de los diseños de aviones, la distancia característica es de unos 40.000 pies (12.000 m), lo que significa que por debajo de esta altitud el estallido sónico será "más suave". Sin embargo, la resistencia a esta altitud o menos hace que los viajes supersónicos sean particularmente ineficientes, lo que plantea un problema grave.
Los aviones supersónicos son cualquier avión que puede volar más rápido que Mach 1, que se refiere a la velocidad del sonido. "Supersónico incluye velocidades de hasta cinco veces Mach que la velocidad del sonido, o Mach 5". (Dunbar, 2015) El kilometraje máximo por hora de un avión supersónico normalmente oscila entre 700 y 1.500 millas por hora (1.100 a 2.400 km/h). Normalmente, la mayoría de los aviones no superan las 1.500 mph (2.414 km/h). Existen muchas variaciones de aviones supersónicos. Algunos modelos de aviones supersónicos utilizan una aerodinámica mejor diseñada que permite algunos sacrificios en la aerodinámica del modelo por la potencia del propulsor. Otros modelos utilizan la eficiencia y la potencia del propulsor para permitir que un modelo menos aerodinámico alcance mayores velocidades. Un modelo típico que se encuentra en el uso militar de los Estados Unidos oscila entre un promedio de 13 y 35 millones de dólares estadounidenses.
La presión de las explosiones sónicas causadas por los aviones suele ser de unas pocas libras por pie cuadrado. Un vehículo que vuela a mayor altitud generará presiones más bajas sobre el suelo porque la onda de choque reduce su intensidad a medida que se aleja del vehículo, pero las explosiones sónicas se ven menos afectadas por la velocidad del vehículo.
A finales de la década de 1950, cuando se perseguían activamente los diseños de transporte supersónico (SST), se pensaba que, aunque el auge sería muy grande, los problemas podrían evitarse volando más alto. Se demostró que esta suposición era falsa cuando el XB-70 Valkyrie norteamericano voló por primera vez y se descubrió que la pluma era un problema incluso a 70.000 pies (21.000 m). Fue durante estas pruebas cuando se caracterizó por primera vez la onda N.
Richard Seebass y su colega Albert George de la Universidad de Cornell estudiaron ampliamente el problema y finalmente definieron una " figura de mérito " (FM) para caracterizar los niveles de boom sónico de diferentes aviones. FM es función del peso y la longitud de la aeronave. Cuanto menor sea este valor, menor boom generará el avión, considerándose aceptables cifras de aproximadamente 1 o menos. Utilizando este cálculo, encontraron FM de aproximadamente 1,4 para el Concorde y 1,9 para el Boeing 2707 . Esto finalmente condenó al fracaso a la mayoría de los proyectos de SST, ya que el resentimiento público, mezclado con la política, eventualmente resultó en leyes que hicieron que cualquier avión de este tipo fuera menos útil (por ejemplo, volar supersónicamente solo sobre el agua). Se prefieren los diseños de aviones pequeños, como los jets ejecutivos , que tienden a producir explosiones mínimas o nulas. [7]
Seebass y George también trabajaron en el problema desde un ángulo diferente, tratando de extender la onda N lateral y temporalmente (longitudinalmente), produciendo un choque fuerte y enfocado hacia abajo ( SR-71 Blackbird , Boeing X-43 ) en una cono de nariz afilado, pero de gran ángulo, que viajará a una velocidad ligeramente supersónica ( choque de arco ), y usando un ala voladora barrida hacia atrás o un ala voladora oblicua para suavizar este choque a lo largo de la dirección de vuelo (la cola del choque viaja a velocidad del sonido). Para adaptar este principio a los aviones existentes, que generan un choque en el cono de su morro y uno aún más fuerte en el borde de ataque del ala, el fuselaje debajo del ala se moldea según la regla del área . Idealmente, esto aumentaría la altitud característica de 40.000 pies (12.000 m) a 60.000 pies (de 12.000 m a 18.000 m), que es donde se esperaba que volaran la mayoría de los aviones SST. [7]
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Esto no se probó durante décadas, hasta que DARPA inició el proyecto Quiet Supersonic Platform y financió el avión Shaped Sonic Boom Demonstration (SSBD) para probarlo. SSBD utilizó un F-5 Freedom Fighter . El F-5E fue modificado con una forma muy refinada que alargó el morro al del modelo F-5F. El carenado se extendía desde el morro hasta las entradas en la parte inferior del avión. El SSBD se probó durante dos años y culminó con 21 vuelos y fue un estudio extenso sobre las características del boom sónico. Después de medir las 1.300 grabaciones, algunas tomadas dentro de la onda expansiva por un avión de persecución , el SSBD demostró una reducción del boom de aproximadamente un tercio. Aunque un tercio no es una reducción enorme, podría haber reducido el auge del Concorde a un nivel aceptable por debajo de FM = 1.
Como continuación del SSBD, en 2006 un equipo de la NASA y Gulfstream Aerospace probó el Quiet Spike en el avión F-15B 836 de la NASA Dryden. El Quiet Spike es un brazo telescópico instalado en la nariz de un avión diseñado específicamente para debilitar la fuerza de las ondas de choque que se forman en el morro del avión a velocidades supersónicas. Se realizaron más de 50 vuelos de prueba. Varios vuelos incluyeron el sondeo de las ondas de choque por parte de un segundo F-15B, el banco de pruebas del Sistema de Control de Vuelo Inteligente de la NASA , avión 837.
Algunos diseños teóricos no parecen crear explosiones sónicas en absoluto, como el biplano Busemann . Sin embargo, es inevitable crear una onda de choque si genera sustentación aerodinámica. [7]
En 2018, la NASA otorgó a Lockheed Martin un contrato de 247,5 millones de dólares para construir un diseño conocido como Low Boom Flight Demonstrator , cuyo objetivo es reducir el boom al sonido de la puerta de un automóvil al cerrarse. [9] A partir de octubre de 2023, el primer vuelo estaba previsto para 2024. [10]
El sonido de un estallido sónico depende en gran medida de la distancia entre el observador y la forma del avión que produce el estallido sónico. Un estallido sónico generalmente se escucha como un doble "estruendo" profundo, ya que el avión suele estar a cierta distancia. El sonido es muy parecido al de las bombas de mortero , comúnmente utilizadas en los fuegos artificiales . Es un error común pensar que sólo se genera un boom durante la transición subsónica a supersónica; más bien, el boom es continuo a lo largo de la alfombra del boom durante todo el vuelo supersónico. Como lo expresa un ex piloto del Concorde: "En realidad, no se escucha nada a bordo. Todo lo que vemos es la onda de presión que desciende por el avión, lo indican los instrumentos. Y eso es lo que vemos alrededor de Mach 1. Pero no escuchar el estallido sónico o algo así. Es como la estela de un barco: está detrás de nosotros". [11]
En 1964, la NASA y la Administración Federal de Aviación comenzaron las pruebas de explosión sónica en la ciudad de Oklahoma , que provocaron ocho explosiones sónicas por día durante seis meses. Se recopilaron datos valiosos del experimento, pero se generaron 15.000 quejas y finalmente enredaron al gobierno en una demanda colectiva , que perdió en apelación en 1969.
Las explosiones sónicas también fueron una molestia en el norte de Cornwall y el norte de Devon en el Reino Unido, ya que estas áreas estaban debajo de la trayectoria de vuelo del Concorde. Las ventanas vibrarían y, en algunos casos, el " incendio " (que apunta debajo de las tejas del tejado) se desprendería con la vibración.
Ha habido trabajos recientes en esta área, en particular en el marco de los estudios de la Plataforma Supersónica Silenciosa de DARPA. La investigación realizada por expertos en acústica en el marco de este programa comenzó a examinar más de cerca la composición de las explosiones sónicas, incluido el contenido de frecuencia. Varias características de la onda "N" del boom sónico tradicional pueden influir en cuán fuerte e irritante pueden ser percibidas por los oyentes en tierra. Incluso las ondas N fuertes, como las generadas por el Concorde o los aviones militares, pueden ser mucho menos objetables si el tiempo de aumento de la sobrepresión es suficientemente largo. Ha surgido una nueva métrica, conocida como sonoridad percibida , medida en PLdB. Esto tiene en cuenta el contenido de la frecuencia, el tiempo de subida, etc. Un ejemplo bien conocido es el chasquido de los dedos en el que el sonido "percibido" no es más que una molestia.
El rango de energía del estallido sónico se concentra en el rango de frecuencia de 0,1 a 100 hercios , que es considerablemente inferior al de los aviones subsónicos, los disparos y la mayor parte del ruido industrial . La duración del boom sónico es breve; menos de un segundo, 100 milisegundos (0,1 segundo) para la mayoría de los aviones del tamaño de un caza y 500 milisegundos para el transbordador espacial o el avión Concorde. La intensidad y la anchura de la trayectoria de una explosión sónica dependen de las características físicas de la aeronave y de cómo se opera. En general, cuanto mayor es la altitud de un avión, menor es la sobrepresión en tierra. Una mayor altitud también aumenta la extensión lateral de la barrera, exponiendo un área más amplia a la barrera. Sin embargo, las sobrepresiones en la zona de impacto del estallido sónico no serán uniformes. La intensidad del boom es mayor directamente debajo de la trayectoria de vuelo, debilitándose progresivamente a medida que aumenta la distancia horizontal desde la trayectoria de vuelo de la aeronave. El ancho del terreno del área de exposición de la barrera es de aproximadamente 1 milla terrestre (1,6 km) por cada 1000 pies (300 m) de altitud (el ancho es aproximadamente cinco veces la altitud); es decir, un avión que vuela supersónico a 30.000 pies (9.100 m) creará una extensión de brazo lateral de aproximadamente 30 millas (48 km). Para un vuelo supersónico estable, la pluma se describe como una pluma de alfombra, ya que se mueve con el avión mientras mantiene la velocidad y altitud supersónicas. Algunas maniobras, como zambullirse, acelerar o girar, pueden provocar el enfoque de la barrera. Otras maniobras, como desacelerar y ascender, pueden reducir la fuerza del impacto. En algunos casos, las condiciones climáticas pueden distorsionar los estallidos sónicos. [6]
Dependiendo de la altitud del avión, las explosiones sónicas llegan al suelo entre 2 y 60 segundos después del sobrevuelo. Sin embargo, no todos los estruendos se escuchan a nivel del suelo. La velocidad del sonido a cualquier altitud es función de la temperatura del aire. Una disminución o aumento de la temperatura da como resultado una disminución o aumento correspondiente en la velocidad del sonido. En condiciones atmosféricas estándar, la temperatura del aire disminuye al aumentar la altitud. Por ejemplo, cuando la temperatura al nivel del mar es de 59 grados Fahrenheit (15 °C), la temperatura a 30.000 pies (9.100 m) desciende a menos 49 grados Fahrenheit (-45 °C). Este gradiente de temperatura ayuda a desviar las ondas sonoras hacia arriba. Por lo tanto, para que una pluma llegue al suelo, la velocidad del avión en relación con el suelo debe ser mayor que la velocidad del sonido en el suelo. Por ejemplo, la velocidad del sonido a 30.000 pies (9.100 m) es de aproximadamente 670 millas por hora (1.080 km/h), pero un avión debe viajar al menos 750 millas por hora (1.210 km/h) (Mach 1,12) para un boom que se escucha en el suelo. [6]
La composición de la atmósfera también influye. Las variaciones de temperatura, la humedad , la contaminación atmosférica y los vientos pueden afectar la forma en que se percibe un estallido sónico en el suelo. Incluso el propio suelo puede influir en el sonido de una explosión sónica. Las superficies duras como el hormigón , el pavimento y los edificios grandes pueden provocar reflejos que pueden amplificar el sonido de una explosión sónica. De manera similar, los campos de hierba y el follaje profuso pueden ayudar a atenuar la fuerza de la sobrepresión de un boom sónico.
Actualmente, no existen estándares aceptados por la industria para la aceptabilidad de un boom sónico. Sin embargo, se está trabajando para crear métricas que ayuden a comprender cómo responden los humanos al ruido generado por las explosiones sónicas. [12] Hasta que se puedan establecer tales métricas, ya sea mediante estudios adicionales o pruebas de sobrevuelos supersónicos, es dudoso que se promulgue legislación para eliminar la actual prohibición de sobrevuelos supersónicos vigente en varios países, incluido Estados Unidos.
El crujido que hace un látigo cuando se maneja correctamente es, de hecho, un pequeño estallido sónico. El extremo del látigo, conocido como "galleta", se mueve más rápido que la velocidad del sonido, creando así un estallido sónico. [2]
Un látigo se estrecha desde la sección del mango hasta la galleta. La galleta tiene mucha menos masa que la sección del mango. Cuando el látigo se balancea bruscamente, el impulso se transfiere a lo largo del látigo ahusado, y la masa decreciente se compensa con una velocidad creciente. Goriely y McMillen demostraron que la explicación física es compleja e implica la forma en que un bucle viaja por un filamento cónico bajo tensión. [13]
