Un avión supersónico es un avión capaz de realizar vuelos supersónicos , es decir, volar más rápido que la velocidad del sonido ( Mach 1). Los aviones supersónicos se desarrollaron en la segunda mitad del siglo XX. Los aviones supersónicos se han utilizado con fines militares y de investigación, pero sólo dos aviones supersónicos, el Tupolev Tu-144 (que voló por primera vez el 31 de diciembre de 1968) y el Concorde (que voló por primera vez el 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 avión supersónico.
La aerodinámica del vuelo supersónico se denomina flujo compresible debido a la compresión asociada a las ondas de choque o " estruendo sónico " creadas por cualquier objeto que viaja más rápido que el sonido.
Los aviones que vuelan a velocidades superiores a Mach 5 se denominan aviones hipersónicos .
El primer avión que voló supersónico en vuelo nivelado fue el avión experimental estadounidense Bell X-1 , que estaba propulsado por un cohete de empuje de 6.000 libras (2.700 kg) propulsado por oxígeno líquido y alcohol etílico. La mayoría de los aviones supersónicos han sido aviones militares o experimentales.
La investigación aeronáutica durante la Segunda Guerra Mundial condujo a la creación del primer avión propulsado por cohetes y reactores. Posteriormente surgieron varias afirmaciones de haber roto la barrera del sonido durante la guerra. Sin embargo, el primer vuelo reconocido que superó la velocidad del sonido por parte de 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 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. [1] Según David Masters, [2] el prototipo DFS 346 capturado en Alemania por los soviéticos, después de ser liberado de un B-29 a 32800 pies (10000 m), alcanzó 683 mph (1100 km/h) a finales de 1951. , que habría superado 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) superó Mach 1 en un picado controlado 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). [3] Este fue el primer vuelo supersónico intencional realizado por un avión civil, y el único jamás realizado por un avión civil distinto del Concorde o el Tu-144 . [3]
En las décadas de 1960 y 1970, se realizaron muchos estudios de diseño para aviones supersónicos y finalmente entraron en servicio dos tipos, el soviético Tupolev Tu-144 (1968) y el anglo-francés Concorde (1969). Sin embargo, obstáculos políticos, medioambientales y económicos y un accidente mortal del Concorde impidieron que se utilizaran en todo su potencial comercial.
El vuelo supersónico conlleva importantes desafíos técnicos, ya que la aerodinámica del vuelo supersónico es dramáticamente diferente de la del vuelo subsónico (es decir, vuelo a velocidades más lentas que la del sonido). En particular, la resistencia aerodinámica aumenta bruscamente a medida que el avión pasa el régimen transónico, lo que requiere mucha mayor potencia del motor y estructuras más aerodinámicas.
Para mantener baja la resistencia aerodinámica, la envergadura de las alas debe ser limitada, lo que también reduce la eficiencia aerodinámica cuando se vuela lentamente. Dado que un avión supersónico también 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 velocidades.
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 se desplaza bruscamente, generalmente hacia atrás, para vuelos supersónicos. Sin embargo, el balanceo afecta el ajuste longitudinal de la aeronave y el mecanismo de balanceo añade peso y costo. El uso de un ala delta , como las utilizadas 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 al avión un ángulo de pérdida muy alto. . También resuelve el problema de la compresibilidad de fluidos a velocidades transónicas y supersónicas. Sin embargo, es, por supuesto, ineficiente a velocidades más bajas debido al requisito de un alto ángulo de ataque y, por lo tanto, necesita el uso de flaps .
Otro problema es el calor generado por la fricción cuando el aire fluye sobre el avión. 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 sólo para exceder la velocidad del sonido durante períodos cortos, como cuando interceptan un avión enemigo. Un número menor, como el avión de reconocimiento Lockheed SR-71 Blackbird y el avión supersónico Concorde, han sido diseñados para volar continuamente a velocidades superiores a la velocidad del sonido, y con estos diseños los problemas del vuelo supersónico son más graves.
Algunos de los primeros aviones supersónicos, incluido el primero, dependían de la potencia de los cohetes para proporcionar el empuje necesario, aunque los cohetes quemaban mucho combustible y, por tanto, los tiempos de vuelo eran cortos. Los primeros turborreactores consumían más combustible, pero no tenían suficiente empuje y algunos aviones experimentales estaban equipados con un turborreactor para vuelos a baja velocidad y un motor cohete para vuelos supersónicos. La invención del postquemador , en el que se quema combustible adicional en el escape del avión, hizo obsoletos estos tipos de motores mixtos. El motor turbofan hace pasar aire frío adicional alrededor del núcleo del motor, aumentando aún más su eficiencia de combustible , y hoy en día los aviones supersónicos funcionan con turbofan equipados con postquemadores.
Los aviones supersónicos suelen utilizar turbofan de derivación baja , ya que tienen una eficiencia aceptable tanto por debajo como por encima de la velocidad del sonido; o si se necesita un supercrucero, pueden ser deseables los motores turborreactores , ya que dan menos resistencia a la góndola a velocidades supersónicas. Los motores Pratt & Whitney J58 del Lockheed SR-71 Blackbird funcionaban de 2 maneras, despegando y aterrizando como turborreactores sin derivación, pero derivando parte del aire del compresor al postquemador a velocidades más altas. Esto permitió al Blackbird volar a más de Mach 3, más rápido que cualquier otro avión de producción. El efecto calefactor de la fricción del aire a estas velocidades obligó a desarrollar un combustible especial que no se descompusiera con el calor ni obstruyera las tuberías de combustible en su camino hacia el quemador.
Otro motor de alta velocidad es el estatorreactor . Esto debe volar bastante rápido antes de que funcione.
La aerodinámica supersónica es más simple que la aerodinámica subsónica porque las láminas de aire en diferentes puntos a lo largo del avión a menudo no pueden afectarse entre sí. Los aviones supersónicos y los vehículos cohete requieren un empuje varias veces mayor para superar la resistencia aerodinámica adicional que se experimenta en la región transónica (alrededor de Mach 0,85-1,2). A estas velocidades, los ingenieros aeroespaciales pueden guiar suavemente el aire alrededor del fuselaje del avión sin producir nuevas ondas de choque , pero cualquier cambio en el área transversal más abajo del vehículo provoca ondas de choque a lo largo de la carrocería. 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, un avión supersónico 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 calentamiento aerodinámico , por lo que una aeronave debe diseñarse 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. 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 provocar que las temperaturas en algunas partes del avión superen los 315 °C (600 °F).
Otra área de preocupación para los vuelos sostenidos a alta velocidad es el funcionamiento de los motores. Los motores a reacción crean empuje al aumentar la temperatura del aire que ingieren y, a medida que el avión 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, de modo que a medida que el avión 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 extra en el escape.
El diseño de la toma también fue un tema importante. Se debe recuperar la mayor parte de la energía disponible en el aire entrante, lo que se conoce como recuperación de admisión, utilizando ondas de choque en el proceso de compresión supersónica en la admisión. A velocidades supersónicas, la admisión debe garantizar que el aire se desacelere sin una pérdida excesiva de presión. Tiene que utilizar el tipo correcto de ondas de choque , oblicuas/planas, para que la velocidad de diseño de la aeronave comprima y desacelere el aire a una velocidad subsónica antes de que llegue al motor. Las ondas de choque se colocan mediante 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 subsónicamente. La mayor parte de la resistencia 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 resistencia de las ondas . Un avión que puede acelerar más allá de esta velocidad experimenta una disminución significativa de la resistencia y puede volar de forma supersónica con una mayor economía de combustible. Sin embargo, debido a la forma en que se genera la sustentación supersónicamente, la relación sustentación-arrastre del avión en su conjunto cae, lo que lleva a un menor alcance, compensando o anulando esta ventaja.
La clave para tener una baja resistencia supersónica es darle la forma adecuada al avión en general 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 tengan un aspecto muy similar 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 uso en bombarderos.
En las décadas de 1960 y 1970, se realizaron muchos estudios de diseño para aviones supersónicos y finalmente entraron en servicio dos tipos, el soviético Tupolev Tu-144 (1968) y el anglo-francés Concorde (1969). Sin embargo, obstáculos políticos, medioambientales y económicos y un accidente mortal del Concorde impidieron que se utilizaran en todo su potencial comercial.
El flujo de aire puede acelerarse o disminuirse localmente en diferentes puntos sobre una aeronave. En la región alrededor de Mach 1, algunas áreas pueden experimentar flujos supersónicos mientras que otras son subsónicos. Este régimen se llama vuelo transónico. A medida que cambia la velocidad del avión, se formarán o se moverán ondas de presión. Esto puede afectar el ajuste, la estabilidad y la controlabilidad de la aeronave, y la aeronave experimentará una mayor resistencia que las velocidades subsónicas o totalmente supersónicas. El diseñador debe asegurarse de que estos efectos se tengan en cuenta a todas las velocidades.
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.
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 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. [5]
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. Condujeron a la prohibición de los vuelos supersónicos de rutina sobre tierra. Aunque no se pueden prevenir por completo, las investigaciones sugieren que con una cuidadosa configuración del vehículo, las molestias que causan pueden reducirse hasta el punto de que los vuelos supersónicos por tierra pueden convertirse en una opción práctica.
El supercrucero es un vuelo supersónico sostenido de un avión supersónico con una carga útil, pasajeros o armas realizado de manera eficiente, lo que generalmente excluye el uso de postquemadores o "recalentamiento" altamente ineficientes. Muchos aviones militares supersónicos conocidos que no son capaces de realizar supercruceros sólo pueden mantener un vuelo Mach 1+ en ráfagas cortas, normalmente con postquemadores. Aviones como el SR-71 Blackbird están diseñados para volar a velocidad supersónica con los postquemadores habilitados.
Uno de los ejemplos más conocidos de avión capaz de realizar supercrucero fue el Concorde . Debido a su largo servicio como avión comercial, el Concorde tiene el récord de mayor tiempo pasado en supercrucero; más que todos los demás aviones combinados. [6]
Un transporte supersónico (SST) es una aeronave civil diseñada para transportar pasajeros a velocidades superiores a la velocidad del sonido . El único avión civil supersónico que entró en servicio fue el Tupolev Tu-144 de producción soviética , que voló por primera vez en 1968 y transportó pasajeros por última vez en 1978, y la NASA lo retiró de cualquier uso 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 ningún avión civil supersónico en servicio.
Una característica clave de estos diseños es la capacidad de mantener una velocidad de crucero supersónica 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 aviones son muy aerodinámicos y las alas tienen una envergadura muy corta. El requisito de velocidades bajas durante el despegue y el aterrizaje se cumple mediante el uso de sustentación en vórtice : a medida que el avión reduce la velocidad, la sustentación debe restablecerse levantando el morro para aumentar el ángulo de ataque del ala. El borde de ataque muy curvado hace que el aire gire a medida que fluye sobre el ala, acelerando el flujo de aire localmente y manteniendo la sustentación.
Otros proyectos de SST han incluido:
Los jets ejecutivos supersónicos (SSBJ) son una clase propuesta de pequeños aviones supersónicos. Ninguno ha volado todavía.
Los SSBJ, que normalmente están destinados a transportar unos diez pasajeros, tienen aproximadamente el mismo tamaño que los aviones comerciales subsónicos tradicionales.
Proyectos para aviones de pasajeros supersónicos e hipersónicos de gran escala y de negocios (ver 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.) se propusieron y ahora están en desarrollo.
Un bombardero estratégico debe transportar una gran carga de bombas a largas distancias. En consecuencia, se trata de un avión de gran tamaño, normalmente con un peso en vacío superior a los 25.000 kg. Algunos también han sido diseñados para funciones relacionadas, como reconocimiento estratégico y ataque antibuque.
Normalmente, el avión volará de forma subsónica durante la mayor parte de su vuelo para conservar combustible, antes de acelerar a velocidad supersónica para su bombardeo. [7]
Son pocos los bombarderos estratégicos supersónicos que 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 en día, ninguno permanece en producción.
Los tipos que han volado incluyen:
Algunos bombarderos estratégicos supersónicos, como el Sukhoi T-4 , también son capaces de desempeñar funciones de reconocimiento (aunque el Sukhoi siguió siendo un prototipo).
El Lockheed SR-71 Blackbird fue diseñado específicamente para esa función y fue un desarrollo más amplio del avión de reconocimiento Lockheed A-12 que voló por primera vez en 1962.
Los cazas supersónicos y los aviones relacionados a veces se denominan jets rápidos. Constituyen la inmensa mayoría de los aviones supersónicos y algunos, como el Mikoyan-Gurevich MiG-21 , el Lockheed F-104 Starfighter y el Dassault Mirage III , se han producido en grandes cantidades.
Muchos cazas militares supersónicos y aviones similares de cuarta y quinta generación están en desarrollo en varios países, entre ellos Rusia, China, Japón, Corea del Sur, India, Irán y Estados Unidos.
