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El flujo transónico (o transsónico ) es el aire que fluye alrededor de un objeto a una velocidad que genera regiones de flujo de aire tanto subsónico como supersónico alrededor de ese objeto. [1] El rango exacto de velocidades depende del número de Mach crítico del objeto , pero el flujo transónico se observa a velocidades de vuelo cercanas a la velocidad del sonido (343 m/s al nivel del mar), típicamente entre Mach 0,8 y 1,2. [1]
La cuestión de la velocidad transónica (o región transónica) apareció por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial. [2] Los pilotos descubrieron que, al acercarse a la barrera del sonido, el flujo de aire hacía que el avión se volviera inestable. [2] Los expertos descubrieron que las ondas de choque pueden causar una separación a gran escala aguas abajo, lo que aumenta la resistencia y añade asimetría e inestabilidad al flujo alrededor del vehículo. [3] Se han realizado investigaciones para debilitar las ondas de choque en el vuelo transónico mediante el uso de cuerpos antichoque y perfiles aerodinámicos supercríticos . [3]
La mayoría de los aviones modernos con propulsión a chorro están diseñados para operar a velocidades aéreas transónicas. [4] Las velocidades aéreas transónicas ven un rápido aumento en la resistencia a partir de aproximadamente Mach 0,8, y son los costos de combustible de la resistencia los que generalmente limitan la velocidad aérea. Los intentos de reducir la resistencia de las olas se pueden ver en todos los aviones de alta velocidad. El más notable es el uso de alas en flecha , pero otra forma común es un fuselaje de cintura de avispa como un efecto secundario de la regla del área de Whitcomb .
Las velocidades transónicas también pueden producirse en las puntas de las palas de los rotores de helicópteros y aviones. Esto ejerce una tensión desigual y severa sobre las palas del rotor y puede provocar accidentes si se produce. Es uno de los factores limitantes del tamaño de los rotores y de las velocidades de avance de los helicópteros (ya que esta velocidad se suma al lado de barrido hacia delante [delantero] del rotor, lo que puede provocar transónicas localizadas).
Los problemas relacionados con la velocidad de los aviones aparecieron por primera vez durante la era supersónica en 1941. [5] Ralph Virden, un piloto de pruebas, se estrelló en un accidente aéreo fatal. [6] Perdió el control del avión cuando una onda de choque causada por el flujo de aire supersónico se desarrolló sobre el ala, lo que provocó que se detuviera. [6] Virden voló muy por debajo de la velocidad del sonido a Mach 0,675, lo que dio lugar a la idea de que se formaran diferentes flujos de aire alrededor del avión. [5] En los años 40, Kelly Johnson se convirtió en uno de los primeros ingenieros en investigar el efecto de la compresibilidad en los aviones. [5] Sin embargo, los túneles de viento contemporáneos no tenían la capacidad de crear velocidades de viento cercanas a Mach 1 para probar los efectos de las velocidades transónicas. [6] No mucho después, el término "transónico" se definió como "a través de la velocidad del sonido" y fue inventado por el director de la NACA, Hugh Dryden , y Theodore von Kármán , del Instituto de Tecnología de California. [5]
Inicialmente, la NACA diseñó "flaps de inmersión" para ayudar a estabilizar el avión al alcanzar el vuelo transónico. [5] Este pequeño flap en la parte inferior del avión desaceleraba el avión para evitar ondas de choque, pero este diseño solo retrasó la búsqueda de una solución para los aviones que vuelan a velocidad supersónica. [5] Se diseñaron túneles de viento más nuevos, para que los investigadores pudieran probar diseños de alas más nuevos sin arriesgar las vidas de los pilotos de prueba. [7] El túnel transónico de pared ranurada fue diseñado por la NASA y permitió a los investigadores probar alas y diferentes perfiles aerodinámicos en flujo de aire transónico para encontrar la mejor forma de punta de ala para velocidades sónicas. [7]
Después de la Segunda Guerra Mundial , se observaron cambios importantes en el diseño de aeronaves para mejorar el vuelo transónico. [6] La principal forma de estabilizar una aeronave era reducir la velocidad del flujo de aire alrededor de las alas cambiando la cuerda de las alas del avión, y una solución para prevenir las ondas transónicas eran las alas en flecha. [5] Dado que el flujo de aire golpearía las alas en ángulo, esto disminuiría el grosor del ala y la relación de cuerda. [5] Las formas de las alas de los perfiles aerodinámicos se diseñaron más planas en la parte superior para evitar ondas de choque y reducir la distancia del flujo de aire sobre el ala. [8] Más tarde, Richard Whitcomb diseñó el primer perfil aerodinámico supercrítico utilizando principios similares. [7]
Antes de la llegada de las computadoras potentes, incluso las formas más simples de las ecuaciones de flujo compresible eran difíciles de resolver debido a su no linealidad . [6] Una suposición común utilizada para evitar esta no linealidad es que las perturbaciones dentro del flujo son relativamente pequeñas, lo que permite a los matemáticos e ingenieros linealizar las ecuaciones de flujo compresible en un conjunto de ecuaciones diferenciales relativamente fácil de resolver para flujos totalmente subsónicos o supersónicos. [6] Esta suposición es fundamentalmente falsa para los flujos transónicos porque la perturbación causada por un objeto es mucho mayor que en los flujos subsónicos o supersónicos; una velocidad de flujo cercana o igual a Mach 1 no permite que los tubos de corriente (rutas de flujo 3D) se contraigan lo suficiente alrededor del objeto para minimizar la perturbación y, por lo tanto, la perturbación se propaga. [9] Los aerodinámicos tuvieron dificultades durante los primeros estudios del flujo transónico porque la teoría vigente en ese momento implicaba que estas perturbaciones (y, por lo tanto, la resistencia) se acercaban al infinito a medida que el número de Mach local se acercaba a 1, un resultado obviamente irreal que no podía remediarse utilizando los métodos conocidos. [6]
Uno de los primeros métodos utilizados para evitar la no linealidad de los modelos de flujo transónico fue la transformación hodógrafa . [2] Este concepto fue explorado originalmente en 1923 por un matemático italiano llamado Francesco Tricomi , quien utilizó la transformación para simplificar las ecuaciones de flujo compresible y demostrar que eran solucionables. [2] La transformación hodógrafa en sí también fue explorada por los libros de texto de Ludwig Prandtl y OG Tietjen en 1929 y por Adolf Busemann en 1937, aunque ninguno aplicó este método específicamente al flujo transónico. [2]
Gottfried Guderley, un matemático e ingeniero alemán de Braunschweig , descubrió el trabajo de Tricomi en el proceso de aplicación del método hodógramático al flujo transónico cerca del final de la Segunda Guerra Mundial. [2] Se centró en las ecuaciones de flujo compresible de perfil aerodinámico delgado no lineales, las mismas que derivó Tricomi, aunque su objetivo de usar estas ecuaciones para resolver el flujo sobre un perfil aerodinámico presentó desafíos únicos. [2] [6] Guderley y Hideo Yoshihara, junto con algunas aportaciones de Busemann, utilizaron más tarde una solución singular de las ecuaciones de Tricomi para resolver analíticamente el comportamiento del flujo transónico sobre un perfil aerodinámico de doble cuña , los primeros en hacerlo solo con los supuestos de la teoría de perfil aerodinámico delgado. [2] [6]
Aunque tuvo éxito, el trabajo de Guderley todavía se centraba en lo teórico y solo dio como resultado una única solución para un perfil aerodinámico de doble cuña a Mach 1. [2] Walter Vincenti , un ingeniero estadounidense del Laboratorio Ames , tenía como objetivo complementar el trabajo de Guderley sobre Mach 1 con soluciones numéricas que cubrieran el rango de velocidades transónicas entre Mach 1 y el flujo totalmente supersónico. [2] Vincenti y sus asistentes se basaron en el trabajo de Howard Emmons, así como en las ecuaciones originales de Tricomi, para completar un conjunto de cuatro soluciones numéricas para la resistencia sobre un perfil aerodinámico de doble cuña en flujo transónico por encima de Mach 1. [2] La brecha entre el flujo subsónico y Mach 1 fue cubierta más tarde por Julian Cole y Leon Trilling , completando el comportamiento transónico del perfil aerodinámico a principios de la década de 1950. [2]
A velocidades transónicas, los abanicos de expansión supersónicos forman áreas intensas de baja presión y baja temperatura en varios puntos alrededor de un avión. Si la temperatura cae por debajo del punto de rocío, se formará una nube visible. Estas nubes permanecen con el avión mientras viaja. No es necesario que el avión en su conjunto alcance velocidades supersónicas para que se formen estas nubes. Por lo general, la cola del avión alcanzará el vuelo supersónico mientras que el morro del avión todavía está en vuelo subsónico. Una burbuja de abanicos de expansión supersónicos que termina en una onda de choque de estela rodea la cola. A medida que el avión continúa acelerando, los abanicos de expansión supersónicos se intensificarán y la onda de choque de estela aumentará de tamaño hasta alcanzar el infinito, momento en el que se forma la onda de choque de proa. Esto es Mach 1 y la singularidad de Prandtl-Glauert .
En astrofísica, siempre que haya evidencia de choques (estables, en propagación u oscilantes), el flujo cercano debe ser transónico, ya que solo los flujos supersónicos forman choques. Todas las acumulaciones de agujeros negros son transónicas. [10] Muchos de estos flujos también tienen choques muy cerca de los agujeros negros.
Los chorros o erupciones de objetos estelares jóvenes o discos alrededor de agujeros negros también pueden ser transónicos, ya que comienzan de forma subsónica y a gran distancia son invariablemente supersónicos. Las explosiones de supernovas van acompañadas de flujos supersónicos y ondas de choque. Los arcos de choque formados en los vientos solares son un resultado directo de los vientos transónicos de una estrella. Durante mucho tiempo se ha pensado que existía un arco de choque alrededor de la heliosfera de nuestro sistema solar, pero se ha descubierto que no es así según los datos del IBEX publicados en 2012. [11]
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