Los diamantes de choque (también conocidos como diamantes de 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 estatorreactor de combustión supersónica , cuando funciona en una atmósfera. Los "diamantes" son en realidad un campo de flujo complejo que se hace visible por cambios abruptos en la densidad y la 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 causa el patrón de diamante. [1] : 48
Los diamantes de choque se forman cuando el escape supersónico de una tobera propulsora se expande ligeramente en exceso, lo que significa que la presión estática de los gases que salen de la tobera es menor que la presión del aire ambiente . La mayor presión ambiental comprime el flujo y, dado que el aumento de presión resultante en la corriente de gases de escape es adiabático , una reducción en la velocidad hace que su temperatura estática aumente sustancialmente. [2] El escape generalmente se expande en exceso a bajas altitudes, 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 un ángulo con respecto al flujo. El flujo comprimido se expande alternativamente mediante ventiladores de expansión Prandtl-Meyer , y cada "rombo" se forma mediante el emparejamiento de un choque 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 , lo que les da su nombre.
Finalmente, el flujo se expande lo suficiente como para que su presión vuelva a ser inferior a la ambiental, momento en el que el abanico de expansión se refleja desde la discontinuidad de contacto (el borde exterior del flujo). Las ondas reflejadas, llamadas abanico de compresión, hacen que el flujo se comprima. [2] Si el abanico 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, la cizalladura turbulenta en la discontinuidad de contacto hace que el patrón de onda se disipe con la distancia. [4]
De manera similar, se pueden formar patrones de diamante cuando una boquilla está subexpandida (la presión de salida es mayor que la ambiental) en condiciones de menor presión atmosférica y a mayor altitud. En este caso, primero se forma el abanico de expansión, seguido del choque oblicuo. [2]
Los diamantes de choque se asocian más comúnmente con la propulsión a chorro y a cohetes, pero pueden formarse en otros sistemas.
Cuando se disparan piezas de artillería, el gas sale de la boca del cañón a velocidades supersónicas y produce una serie de diamantes de choque. Los diamantes provocan un destello brillante en la boca del cañón que puede exponer la ubicación de los emplazamientos de los cañones 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 destello , los diamantes de choque se minimizan en gran medida. Agregar un freno de boca al extremo de la boca del cañón equilibra las presiones y evita los diamantes de choque. [1] : 41
Se observa que algunos chorros de radio , 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 fina "atmósfera" de gas en el espacio, [1] : 51 por lo que se plantea la hipótesis de que estos nudos son diamantes de choque. [5] [6]
