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 solo 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 " boom sónico " creado por cualquier objeto que viaje más rápido que el sonido.
Los aviones que vuelan a velocidades superiores a Mach 5 se denominan aviones hipersónicos .
El primer avión que voló a velocidad supersónica en vuelo horizontal fue el avión experimental estadounidense Bell X-1 , que estaba propulsado por un cohete de 2700 kg (6000 libras) de empuje alimentado 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 jets. 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 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 en romper la barrera del sonido con una piloto femenina fue un F-86 Canadair Sabre con Jacqueline Cochran a los controles. [1] Según David Masters, [2] el prototipo DFS 346 capturado en Alemania por los soviéticos, después de ser lanzado desde un B-29 a 32800 pies (10000 m), alcanzó 683 mph (1100 km/h) a finales de 1951, lo que habría superado Mach 1 a esa altura. El piloto en estos vuelos fue el alemán Wolfgang Ziese.
El 21 de agosto de 1961, un avión Douglas DC-8-43 (matrícula N9604Z) superó la velocidad de Mach 1 en un picado controlado durante un vuelo de prueba en la Base 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 de un avión de pasajeros civil, y el único realizado por un avión de pasajeros civil que no fuera el Concorde o el Tu-144 . [3]
En los años 1960 y 1970 se realizaron numerosos estudios de diseño para aviones de pasajeros supersónicos y finalmente entraron en servicio dos modelos: el Tupolev Tu-144 soviético (1968) y el Concorde anglo-francés (1969). Sin embargo, obstáculos políticos, ambientales y económicos y un accidente fatal 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 radicalmente diferente a la del vuelo subsónico (es decir, el vuelo a velocidades inferiores a la del sonido). En particular, la resistencia aerodinámica aumenta considerablemente a medida que el avión pasa del régimen transónico, lo que requiere una potencia de motor mucho mayor y fuselajes más aerodinámicos.
Para optimizar la resistencia, la envergadura de las alas debe ser limitada, lo que también reduce la eficiencia aerodinámica durante el vuelo subsónico, incluidos el despegue y el aterrizaje. [4] Minimizar la resistencia de las olas es un aspecto crucial del diseño de las alas. 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 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 el vuelo a baja velocidad y luego se mueve bruscamente, generalmente hacia atrás, para el vuelo supersónico. 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 utilizadas en el Concorde de Aerospatiale-BAC, 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, 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 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 superar 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 de pasajeros 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 queman mucho combustible y, por lo tanto, los tiempos de vuelo eran cortos. Los primeros turborreactores eran más eficientes en cuanto al consumo de combustible, pero no tenían suficiente empuje y algunos aviones experimentales estaban equipados tanto con un turborreactor para el vuelo a baja velocidad como con un motor de cohete para el vuelo supersónico. La invención del postquemador , en el que se quema combustible adicional en el escape del reactor, hizo que estos tipos de motores mixtos quedaran obsoletos. El motor de turbofán hace pasar aire frío adicional alrededor del núcleo del motor, lo que aumenta aún más su eficiencia de combustible , y los aviones supersónicos actuales están propulsados por turborreactores equipados con postquemadores.
Los aviones supersónicos suelen utilizar turbofán de bajo bypass , ya que tienen una eficiencia aceptable tanto por debajo de la velocidad del sonido como por encima; o, si se necesita supercrucero , pueden ser deseables los motores turborreactores , ya que ofrecen menos resistencia de la góndola a velocidades supersónicas. Los motores Pratt & Whitney J58 del Lockheed SR-71 Blackbird funcionaban de dos formas: despegaban y aterrizaban como turborreactores sin bypass, pero desviaban parte del aire del compresor al postquemador a velocidades más altas. Esto permitía al Blackbird volar 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 significaba que se tenía 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 estatorreactor , que debe volar bastante rápido para poder funcionar.
La aerodinámica supersónica es más sencilla que la subsónica porque las capas 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 experimentada dentro de la región transónica (alrededor de Mach 0,85-1,2). A estas velocidades, los ingenieros aeroespaciales pueden guiar suavemente el aire alrededor del fuselaje de la aeronave sin producir nuevas ondas de choque , pero cualquier cambio en el área transversal más abajo en el vehículo provoca ondas de choque a lo largo del cuerpo. Los diseñadores utilizan 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 en perfiles subsónicos y 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 un calentamiento aerodinámico , por lo que un avión debe estar diseñado para operar y funcionar a temperaturas muy altas. El duraluminio , un material tradicionalmente utilizado en la fabricación de aviones, comienza a perder resistencia y 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 a reacción Lockheed SR-71 Blackbird podría volar continuamente a Mach 3,1, lo que podría provocar que las temperaturas en algunas partes del avión alcancen más de 315 °C (600 °F).
Otro aspecto que preocupa a la hora de realizar vuelos a alta velocidad es el funcionamiento de los motores. Los motores a reacción generan empuje aumentando la temperatura del aire que ingieren y, a medida que el avión aumenta su velocidad, el proceso de compresión en la entrada provoca un aumento de la temperatura antes de que esta llegue a los motores. La temperatura máxima permitida del escape está determinada por los materiales de la turbina situada en la parte trasera del motor, de modo que, a medida que el avión aumenta su velocidad, la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida que puede crear el motor quemando combustible disminuye, al igual que el empuje. El mayor empuje necesario para alcanzar velocidades supersónicas se tenía que recuperar quemando combustible adicional en el escape.
El diseño de la entrada también fue un tema importante, ya que gran parte de la energía disponible en el aire entrante debe recuperarse, lo que se conoce como recuperación de la entrada, mediante ondas de choque en el proceso de compresión supersónica en la entrada. A velocidades supersónicas, la entrada debe asegurarse de que el aire se desacelere sin una pérdida excesiva de presión. Debe utilizar el tipo correcto de ondas de choque , oblicuas o planas, para la velocidad de diseño de la aeronave para comprimir y desacelerar el aire a velocidad subsónica antes de que llegue al motor. Las ondas de choque se colocan utilizando una rampa o un cono que puede ser necesario ajustar según las compensaciones entre la complejidad y el rendimiento requerido de la aeronave.
Un avión capaz de operar durante períodos prolongados a velocidades supersónicas tiene una ventaja potencial en cuanto a alcance sobre un diseño similar que opere a velocidades subsónicas. La mayor parte de la resistencia que experimenta un avión al acelerar a velocidades supersónicas se produce justo por debajo de la velocidad del sonido, debido a un efecto aerodinámico conocido como resistencia de onda . Un avión que puede acelerar más allá de esta velocidad experimenta una disminución significativa de la resistencia y puede volar a velocidades supersónicas con un mejor ahorro de combustible. Sin embargo, debido a la forma en que se genera la sustentación a velocidades supersónicas, la relación sustentación-resistencia del avión en su conjunto disminuye, lo que conduce a un menor alcance, lo que compensa o anula esta ventaja.
La clave para tener una baja resistencia supersónica es dar 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 Sears-Haack . Esto ha llevado a que casi todos los aviones de crucero supersónicos se vean muy similares 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 su uso en bombarderos.
En los años 1960 y 1970 se realizaron numerosos estudios de diseño para aviones de pasajeros supersónicos y finalmente entraron en servicio dos modelos: el Tupolev Tu-144 soviético (1968) y el Concorde anglo-francés (1969). Sin embargo, obstáculos políticos, ambientales y económicos y un accidente fatal del Concorde impidieron que se utilizaran en todo su potencial comercial.
El flujo de aire puede acelerarse o desacelerarse localmente en diferentes puntos sobre una aeronave. En la región cercana a Mach 1, algunas áreas pueden experimentar flujo supersónico mientras que otras son subsónicas. Este régimen se denomina vuelo transónico. A medida que cambia la velocidad de la aeronave, se formarán ondas de presión o se moverán. Esto puede afectar el equilibrio, la estabilidad y la capacidad de control de la aeronave, y la aeronave experimentará una mayor resistencia aerodinámica que a 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 suele calificarse de hipersónico. En esta región, los problemas de resistencia 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 estampido sónico es el sonido asociado con las ondas de choque que se crean cuando un objeto que viaja por el aire viaja más rápido que la velocidad del sonido . Los estampidos 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 por encima o el chasquido de un látigo son ejemplos de un estampido sónico en miniatura. [6]
Las explosiones sónicas producidas por los grandes aviones supersónicos pueden ser especialmente fuertes y alarmantes, tienden a despertar a la gente y pueden causar daños menores a algunas estructuras. Estas explosiones llevaron a la prohibición de los vuelos supersónicos rutinarios sobre la tierra. Aunque no se pueden evitar por completo, las investigaciones sugieren que, si se diseña cuidadosamente el vehículo, las molestias que provocan pueden reducirse hasta el punto de que los vuelos supersónicos sobre la tierra puedan 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 postcombustión o "recalentamiento" altamente ineficientes. Muchos aviones militares supersónicos conocidos que no son capaces de alcanzar la velocidad de supercrucero solo pueden mantener un vuelo a Mach 1+ en ráfagas cortas, generalmente con postcombustión. Los aviones como el SR-71 Blackbird están diseñados para volar a velocidad supersónica con postcombustión activada.
Uno de los ejemplos más conocidos de un avión capaz de alcanzar velocidades de supercrucero fue el Concorde . Debido a su largo servicio como avión comercial, el Concorde ostenta el récord de mayor tiempo en velocidad de supercrucero; más que todos los demás aviones juntos. [7]
Un avión de transporte supersónico (SST) es un avión civil diseñado para transportar pasajeros a velocidades superiores a la velocidad del sonido . Los únicos aviones civiles supersónicos que estuvieron en servicio fueron el Tupolev Tu-144, de fabricación soviética , que voló por primera vez en 1968 y transportó pasajeros por última vez en 1978; la NASA lo retiró de todo uso en 1997; y el Concorde , de fabricación 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 aerodinámica 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 bajas velocidades durante el despegue y el aterrizaje se cumple mediante el uso de la sustentación de vórtice : a medida que el avión disminuye su velocidad, la sustentación debe restablecerse elevando el morro para aumentar el ángulo de ataque del ala. El borde de ataque de curva pronunciada hace que el aire se retuerza a medida que fluye sobre el ala, acelerando el flujo de aire localmente y manteniendo la sustentación.
Otros proyectos de SST incluyen:
Los jets comerciales supersónicos (SSBJ) son una clase propuesta de aeronaves supersónicas pequeñas. Ninguna ha volado aún.
Generalmente diseñados para transportar unos diez pasajeros, los SSBJ tienen aproximadamente el mismo tamaño que los aviones comerciales subsónicos tradicionales.
Se propusieron proyectos para aviones de pasajeros supersónicos e hipersónicos de 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.) y ahora están en desarrollo.
Un bombardero estratégico debe transportar una gran carga de bombas a largas distancias. Por lo tanto, es un avión de gran tamaño, cuyo peso en vacío suele superar los 25.000 kg. Algunos también han sido diseñados para funciones relacionadas, como el reconocimiento estratégico y el ataque antibuque.
Normalmente, el avión volará a velocidad subsónica durante la mayor parte de su vuelo para ahorrar combustible, antes de acelerar a velocidad supersónica para su misión de bombardeo. [8]
Son pocos los bombarderos estratégicos supersónicos que han entrado en servicio. El primer modelo, 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 modelos siguen en servicio hoy en día, ninguno sigue 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 esta función y fue un desarrollo más grande del avión de reconocimiento Lockheed A-12 que voló por primera vez en 1962.
Los cazas supersónicos y los aviones relacionados se denominan a veces jets rápidos. Constituyen la abrumadora 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.
En varios países, entre ellos Rusia, China, Japón, Corea del Sur, India, Irán y Estados Unidos, se están desarrollando numerosos cazas supersónicos militares y aviones similares de cuarta y quinta generación.
