Vuelo subsónico y supersónico
Cuando el aire fluye a través de
un ducto a una velocidad por debajo de la velocidad del sonido, se comporta tal
y como se explicó en el principio de Bernoulli, adentrándonos nuevamente en ese
tema, cuando el ducto converge (disminuye su sección transversal) en dirección
del flujo, la velocidad del aire aumenta y su presión disminuye, en cambio, si avanza
a través de una divergencia (la sección transversal aumenta), la velocidad disminuirá
y la presión aumentará. Estos cambios en la velocidad y la presión no influyen
en la densidad del aire, la cual se mantiene constante a lo largo de todo el
trayecto, como se muestra en la Figura 10-5. Por lo cual podemos decir que el
aire se estudia como un fluido incompresible.
En cambio, si el aire viaja por
un ducto a una velocidad superior a la del sonido, tendrá un comportamiento totalmente
distinto, de hecho, ocurre lo contrario al caso visto anteriormente, agregando además
un cambio en la densidad del mismo, si el flujo de aire pasa a través de una
sección convergente, este disminuirá su velocidad, aumentando su presión y su
densidad, y, si pasa a través de una sección divergente, su velocidad aumentará
y su presión y densidad disminuirán. Tal como podemos verlo en la Figura 10-6.
Por lo que podemos decir que el aire ahora se estudia como un fluido
compresible.
Velocidad del sonido.
Un factor de gran importancia en
el estudio del vuelo supersónico es la velocidad del sonido, teniendo en cuenta
que la velocidad del sonido puede definirse como la proporción a la cual hay
alteraciones pequeñas de la presión que se dispersarán a través del aire.
La velocidad a la cual viaja el
sonido en condiciones estándar (nivel del mar), es de unos 340.24 m/s, 1116
ft/s, 761 mph o 661 kn. Y a diferencia de lo que muchos piensan, la velocidad
del sonido no se ve afectada por el cambio en la presión atmosférica, debido a
que la densidad también se ve afectada por estos cambios, sin embargo, un
cambio en la temperatura sí afecta a la velocidad del sonido, de hecho, en la
tabla mostrada abajo podemos ver las variaciones de la temperatura, presión y
velocidad del sonido a diferentes altitudes, y podemos notar que
aproximadamente a los 36000 ft, y hasta los 85000 ft, la temperatura se
mantiene constante, aunque la presión, y por lo tanto, la densidad, disminuyen,
mientras que la velocidad del sonido se mantiene constante junto a la
temperatura.
Número Mach.
Debido a la relación entre el
efecto de las fuerzas del aire a velocidades supersónicas y la velocidad del
sonido, así como que la velocidad del sonido varía con la temperatura, es más
importante conocer la relación entre la velocidad del avión respecto a la
velocidad del sonido, que sólo la velocidad del avión respecto al aire. A esta
relación se le conoce como número Mach (M), el cual se consigue dividiendo la
velocidad real del avión entre la velocidad del sonido en la altitud a la que
este se encuentra.
Tipos de vuelo de alta velocidad.
Velocidades del flujo del aire
por debajo de Mach 1, son consideradas como subsónicas, si están a Mach 1,
sónicas, y superiores a Mach 1, se consideran supersónicas. Pero hay que tomar
en consideración que no en todas las partes del avión la velocidad será igual
con respecto a la velocidad del sonido, por lo cual se tiene un concepto
conocido como “velocidad local”, la cual se refiere a la velocidad del aire
fluyendo en una parte en particular del avión, por ejemplo, mientras algunas
partes del avión estén volando cerca de Mach 1, puede haber partes como el
extradós que tengan una velocidad superior al Mach 1, así mismo otras que estén
por debajo de esta cantidad. Debido a estas condiciones donde el avión tenga
diferentes cantidades de número Mach, es necesario poner un rango o régimen de
vuelo, los cuales se definen como los siguientes:
- Subsónico: Números Mach menores a 0.75
- Transónico: Números Mach entre 0.75 y 1.20
- Supersónico: Números Mach entre 1.20 y 5
- Hipersónico: Números Mach superiores a 5
Otra forma de comprender estos
regímenes sería la siguiente:
- Subsónico: Aquel vuelo donde ninguna de las velocidades locales supera Mach 1.
- Transónico: Aquel vuelo donde algunas velocidades locales están por debajo de Mach 1 y otras por encima del mismo.
- Supersónico: Aquel vuelo donde todas las velocidades locales están por encima de Mach 1.
Formación de onda de choque.
A velocidades subsónicas, como se
mencionó anteriormente, el aire se comporta como un fluido incompresible, con
alteraciones en la presión, o pulsos de presión, que se forman en cada parte
del avión. Estos pulsos viajan a través del aire a la velocidad del sonido y
sirven como una especie de “advertencia” de que el avión se aproxima, y, como
resultado de esta advertencia, el aire comienza a moverse en una especie de
ondas parecidas a cuando arrojamos una piedra al agua, de forma circular alrededor
del punto de impacto, tal y como se ve en la figura (a), pero a medida que el
número Mach aumenta este efecto se va desplazando, provocando que el punto de
impacto se mueva un poco hacia la izquierda, como en la figura (b), hasta
llegar a un punto donde el objeto toca tangencialmente a estas ondas, o sea,
cuando el avión llega a Mach 1, tal y como se ve en la figura (c), para,
finalmente, al superar la velocidad del sonido, el punto de impacto ahora se ha
desplazado fuera de estas ondas, provocando una especie de figura parecida a
una cuña, o un triángulo, lo cual conocemos como onda de choque, representado
en la figura (d).
Tipos de onda de choque.
Los diversos tipos de onda de
choque se forman dependiendo de las características con que el aire entre en
contacto con la superficie, por lo tanto, tenemos 3:
- Ondas de choque normales.
- Ondas de choque oblicuas.
- Ondas de expansión.
Ondas de choque normales.
Cuando la velocidad del aire en
movimiento alcanza la velocidad del sonido, las alteraciones de la presión en
el aire no se pueden propagar en contra del flujo, por lo tanto, se acumulan en
un punto donde la velocidad del sonido es alcanzada, formando una onda de
choque normal. Cuando una corriente de aire supersónico golpea una onda de
choque normal, ocurre lo siguiente:
- La corriente de aire disminuye su velocidad hasta ser subsónica.
- La dirección del flujo de aire que se encuentra directamente detrás de la onda de choque no cambia.
- La presión estática de la corriente de aire detrás de la onda de choque incrementa.
- La densidad de la corriente de aire detrás de la onda de choque incrementa drásticamente.
- La energía de la corriente de aire se reduce drásticamente.
Ondas de choque oblicuas.
Una onda de choque oblicua se
forma cuando una corriente de aire supersónico golpea un objeto afilado. Y
cuando una corriente supersónica golpea una onda de choque oblicua, ocurre lo
siguiente:
- La corriente de aire disminuye su velocidad, pero se mantiene supersónica.
- La dirección del flujo cambia para seguir a la forma con la que ha chocado.
- La presión estática de la corriente de aire detrás de la onda de choque incrementa.
- La densidad de la corriente de aire detrás de la onda de choque incrementa.
- Alguna parte de la energía de la corriente de aire es convertida en calor y desperdiciada.
Ondas de expansión.
Cuando la superficie sobre al
cual la corriente de aire está fluyendo a una velocidad por encima de la
velocidad del sonido se desplaza fuera de este flujo de aire, se forma una onda
de expansión. Y cuando una corriente de aire supersónica pasa a través de una
onda de expansión, pasa lo siguiente:
- La corriente de aire se acelera, y el aire detrás de la onda de expansión obtiene una velocidad supersónica mayor.
- La dirección del flujo cambia para seguir a la forma con la que ha chocado.
- La presión estática de la corriente de aire detrás de la onda de choque disminuye.
- La densidad de la corriente de aire detrás de la onda de choque disminuye.
- No existe una pérdida de energía en la corriente de aire.
