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El flujo transónico (o transónico ) es 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 cuando se acercaban a la barrera del sonido, el flujo de aire hacía que la aeronave se volviera inestable. [2] Los expertos descubrieron que las ondas de choque pueden causar una separación a gran escala aguas abajo, aumentando la resistencia, añadiendo asimetría e inestabilidad al flujo alrededor del vehículo. [3] Se han realizado investigaciones para debilitar las ondas de choque en vuelos transónicos mediante el uso de cuerpos antichoque y superficies aerodinámicas supercríticas . [3]
La mayoría de los aviones a reacción modernos están diseñados para operar a velocidades de aire 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 normalmente limitan la velocidad del aire. Los intentos de reducir la resistencia de las olas se pueden ver en todos los aviones de alta velocidad. Lo más notable es el uso de alas en flecha , pero otra forma común es un fuselaje con cintura de avispa como efecto secundario de la regla del área de Whitcomb .
Las velocidades transónicas también pueden ocurrir en las puntas de las palas de los rotores de helicópteros y aviones. Esto genera tensiones severas y desiguales en la pala del rotor y, si ocurre, puede provocar accidentes. Es uno de los factores limitantes del tamaño de los rotores y las velocidades de avance de los helicópteros (ya que esta velocidad se agrega al lado de barrido hacia adelante [principal] del rotor, posiblemente causando transónicos localizados).
Los problemas con el vuelo de aviones relacionados con la velocidad 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 un flujo de aire supersónico se desarrolló sobre el ala, provocando que se detuviera. [6] Virden voló muy por debajo de la velocidad del sonido a Mach 0,675, lo que generó la idea de que se formaban 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 buceo" para ayudar a estabilizar el avión cuando alcanza el vuelo transónico. [5] Esta pequeña aleta en la parte inferior del avión ralentizó el avión para evitar ondas de choque, pero este diseño solo retrasó la búsqueda de una solución para los aviones que volaban a velocidad supersónica. [5] Se diseñaron túneles de viento más nuevos, para que los investigadores pudieran probar diseños de alas más nuevos sin arriesgar la vida 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 observó que cambios importantes en el diseño de los aviones mejoraban los vuelos transónicos. [6] La forma principal de estabilizar un avión era reducir la velocidad del flujo de aire alrededor de las alas cambiando la cuerda de las alas del avión, y una solución para evitar 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 la 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 potentes computadoras, 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 eludir 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 fáciles 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 (trayectorias 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 lucharon durante los estudios anteriores del flujo transónico porque la teoría entonces vigente 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 poco realista que no podía remediarse utilizando métodos conocidos. [6]
Uno de los primeros métodos utilizados para eludir 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 tenían solución. [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 en Braunschweig , descubrió el trabajo de Tricomi en el proceso de aplicar el método hodógrafo al flujo transónico cerca del final de la Segunda Guerra Mundial. [2] Se centró en las ecuaciones de flujo compresible de perfil delgado no lineal, las mismas que derivó Tricomi, aunque su objetivo de usar estas ecuaciones para resolver el flujo sobre un perfil aerodinámico presentaba 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 , siendo el primero en hacerlo sólo con los supuestos de Teoría del perfil aerodinámico delgado. [2] [6]
Aunque tuvo éxito, el trabajo de Guderley todavía se centró en lo teórico y solo dio como resultado una solución única para un perfil aerodinámico de doble cuña a Mach 1. [2] Walter Vincenti , un ingeniero estadounidense del Laboratorio Ames , pretendía complementar el trabajo de Guderley en Mach 1 con métodos numéricos. soluciones que cubrirían 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 el arrastre sobre un perfil aerodinámico de doble cuña en flujo transónico por encima de Mach 1. [2] La brecha entre subsónico y el flujo de Mach 1 fue posteriormente cubierto por Julian Cole y Leon Trilling , completando el comportamiento transónico del perfil aerodinámico a principios de los años 1950. [2]
A velocidades transónicas, los ventiladores de expansión supersónicos forman áreas intensas de baja presión y baja temperatura en varios puntos alrededor de una aeronave. 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. Normalmente, la cola del avión alcanzará el vuelo supersónico mientras la proa del avión todavía está en vuelo subsónico. Una burbuja de ventiladores de expansión supersónicos que terminan en una estela de onda de choque rodea la cola. A medida que el avión continúa acelerando, los ventiladores 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. Este es Mach 1 y la singularidad Prandtl-Glauert .
En astrofísica, dondequiera que haya evidencia de choques (fijos, propagándose u oscilando), el flujo cercano debe ser transónico, ya que sólo los flujos supersónicos forman choques. Todas las acreciones de agujeros negros son transónicas. [10] Muchos de estos flujos también tienen choques muy cerca de los agujeros negros.
Los flujos o chorros de objetos estelares jóvenes o discos alrededor de los 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 por los vientos solares son el resultado directo de los vientos transónicos de una estrella. Durante mucho tiempo se pensó que había un arco de choque alrededor de la heliosfera de nuestro sistema solar, pero según los datos del IBEX publicados en 2012, se descubrió que no era así .
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