Aviones supersónicos

Para optimizar la resistencia aerodinámica, la envergadura debe limitarse, lo que también reduce la eficiencia aerodinámica durante el vuelo subsónico, incluyendo el despegue y el aterrizaje. ^{[ 7 ]} Minimizar la resistencia de onda es un aspecto crucial del diseño de alas. Dado que una aeronave supersónica también debe despegar y aterrizar a una velocidad relativamente baja, su diseño aerodinámico debe ser un compromiso entre los requisitos para ambos extremos del rango de velocidad.

Una solución a este problema 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 inclina bruscamente, generalmente hacia atrás, para vuelos supersónicos. Sin embargo, la oscilación afecta el equilibrio longitudinal de la aeronave, y el mecanismo de oscilación añade peso y coste. 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 proporcionando a la aeronave un ángulo de pérdida muy elevado . También resuelve el problema de la compresibilidad del fluido a velocidades transónicas y supersónicas. Sin embargo, por supuesto, es ineficiente a velocidades más bajas debido a la necesidad de un ángulo de ataque elevado, y por lo tanto requiere el uso de flaps .

Otro problema es el calor generado por la compresión del aire y la fricción al fluir sobre la aeronave. La mayoría de los diseños subsónicos utilizan aleaciones de aluminio como el duraluminio , que son económicas y fáciles de trabajar, pero pierden resistencia rápidamente a altas temperaturas. Esto limita la velocidad máxima a aproximadamente Mach 2.2.

La mayoría de los aviones supersónicos, incluidos muchos aviones de combate militares , están diseñados para pasar la mayor parte del vuelo a velocidades subsónicas y superar la velocidad del sonido solo durante breves periodos, como al interceptar 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 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 propulsión de cohetes para proporcionar el empuje necesario, aunque los cohetes consumen mucho combustible y, por lo tanto, los tiempos de vuelo eran cortos. Los primeros turborreactores eran más eficientes en el consumo de combustible, pero no tenían suficiente empuje, y algunos aviones experimentales estaban equipados tanto con un turborreactor para vuelos a baja velocidad como con un motor de cohete para vuelos supersónicos. La invención del postquemador , en el que se quema combustible adicional en el escape del reactor, hizo obsoletos estos tipos de motores mixtos. El motor turbofán hace circular aire frío adicional alrededor del núcleo del motor, aumentando aún más su eficiencia de combustible , y los aviones supersónicos actuales están propulsados ​​por turbofanes equipados con postquemadores. ^{[ 8 ]}

Los aviones supersónicos suelen usar turbofanes de bajo índice de derivación, ya que tienen una eficiencia aceptable tanto por debajo como por encima de la velocidad del sonido; ^{[ 9 ]} o, si se necesita supercrucero , pueden ser deseables los motores turborreactores , ya que generan menos resistencia aerodinámica en la góndola a velocidades supersónicas. Los motores Pratt & Whitney J58 del Lockheed SR-71 Blackbird funcionaban de dos maneras: despegaban y aterrizaban como turborreactores sin derivación, 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 hizo necesario desarrollar un combustible especial que no se degradara con el calor y obstruyera las tuberías de combustible en su camino hacia el quemador. ^{[ 10 ]}

Otro sistema de propulsión de alta velocidad es el estatorreactor . Este necesita volar a una velocidad bastante alta para poder funcionar. ^{[ 11 ]}

La aerodinámica subsónica es más simple que la supersónica porque las capas de aire en diferentes puntos a lo largo del avión a menudo no se afectan entre sí en vuelo subsónico. Los aviones y cohetes supersónicos 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 de la aeronave sin producir nuevas ondas de choque , pero cualquier cambio en el área transversal más abajo en el vehículo produce ondas de choque a lo largo del cuerpo. Los diseñadores utilizan la regla de área de Whitcomb para minimizar los cambios bruscos de tamaño. ^{[ 12 ]}

Sin embargo, en aplicaciones prácticas, un avión supersónico debe operar de forma 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 un calentamiento aerodinámico , por lo que una aeronave debe diseñarse para operar y funcionar a temperaturas muy elevadas. El duraluminio , un material tradicionalmente utilizado en la fabricación de aeronaves, comienza a perder resistencia y deformarse a temperaturas relativamente bajas, y no es adecuado para su uso continuo a velocidades superiores a Mach 2,2 o 2,4. Materiales como el titanio y el acero inoxidable permiten operar a temperaturas mucho más altas. Por ejemplo, el avión Lockheed SR-71 Blackbird podía volar continuamente a Mach  3,1, lo que podía provocar que algunas partes de la aeronave alcanzaran temperaturas superiores a los 315  °C (600  °F).

Otro aspecto importante para el vuelo sostenido a alta velocidad es el funcionamiento del motor. Los motores a reacción generan empuje al aumentar la temperatura del aire que aspiran, y a medida que la aeronave acelera, el proceso de compresión en la admisión provoca un aumento de temperatura antes de que el aire llegue a los motores. La temperatura máxima admisible de los gases de escape está determinada por los materiales de la turbina , situada en la parte trasera del motor. Por lo tanto, a medida que la aeronave acelera, la diferencia entre la temperatura de admisión y la de escape que el motor puede generar mediante la combustión de combustible disminuye, al igual que el empuje. El mayor empuje necesario para alcanzar velocidades supersónicas debía recuperarse mediante la combustión de combustible adicional en los gases de escape.

El diseño de la toma de aire también representó un desafío importante. Gran parte de la energía disponible en el aire entrante debe recuperarse, mediante un proceso conocido como recuperación de aire, utilizando ondas de choque en la compresión supersónica. A velocidades supersónicas, la toma de aire debe asegurar que el aire se desacelere sin una pérdida de presión excesiva. Para ello, debe emplear el tipo correcto de ondas de choque (oblicuas o planas) según la velocidad de diseño de la aeronave, con el fin de comprimir y desacelerar el aire a velocidad subsónica antes de que llegue al motor. Las ondas de choque se posicionan mediante una rampa o un cono, que puede requerir ajuste según el equilibrio entre la complejidad y el rendimiento exigido por la aeronave.

Una aeronave capaz de operar durante periodos prolongados a velocidades supersónicas tiene una ventaja potencial en alcance respecto a un diseño similar que opere a velocidad subsónica. Además, la mayor parte de la resistencia aerodinámica que experimenta una aeronave al acelerar hasta alcanzar velocidades supersónicas se produce justo por debajo de la velocidad del sonido, debido a un efecto aerodinámico conocido como resistencia de onda . Una aeronave que puede acelerar por encima de esta velocidad experimenta una reducción significativa de la resistencia y puede volar supersónicamente con un menor consumo de combustible. Sin embargo, debido a la forma en que se genera la sustentación a velocidad supersónica, la relación sustentación-resistencia de la aeronave en su conjunto disminuye, lo que reduce el alcance y contrarresta o anula esta ventaja.

La clave para lograr una baja resistencia supersónica reside en diseñar la aeronave de forma adecuada, haciéndola larga y delgada, y acercándola a una forma "perfecta", como la ojiva de von Karman o el cuerpo Sears-Haack . Esto ha provocado que casi todos los aviones de crucero supersónicos se parezcan entre sí, con un fuselaje muy largo y estilizado y grandes alas delta (véase el SR-71 , el Concorde , etc.). Si bien esta forma no es ideal para aviones de pasajeros, resulta bastante adaptable para su uso como bombarderos.

El flujo de aire puede acelerarse o desacelerarse localmente en diferentes puntos de 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 forman o se desplazan ondas de presión. Esto puede afectar el trimado, la estabilidad y la controlabilidad de la aeronave, y esta experimentará una mayor resistencia aerodinámica que a velocidades subsónicas o supersónicas. El diseñador debe asegurarse de que estos efectos se tengan en cuenta a todas las velocidades. ^{[ 13 ]}

Los vuelos a velocidades superiores a Mach 5 se denominan hipersónicos. En este rango, los problemas de resistencia aerodinámica y calentamiento se agudizan. Resulta difícil fabricar materiales que soporten las fuerzas y temperaturas generadas por la resistencia del aire a estas velocidades.

Un estampido sónico es el sonido asociado a las ondas de choque que se crean cuando un objeto que viaja por el aire lo hace a una velocidad superior a la del sonido . Los estampidos sónicos generan cantidades significativas de energía sonora , con un sonido similar al de una explosión o un trueno para el oído humano. El chasquido de una bala supersónica al pasar por encima o el chasquido de un látigo son ejemplos de un estampido sónico en miniatura. ^{[ 15 ]}

Las explosiones sónicas producidas por grandes aeronaves supersónicas pueden ser particularmente fuertes y molestas, tienden a despertar a las personas y pueden causar daños menores a algunas estructuras. Finalmente, llevaron a la prohibición de los vuelos supersónicos rutinarios sobre tierra. Si bien no se pueden evitar por completo, las investigaciones sugieren que con un diseño cuidadoso de la aeronave, las molestias que provocan podrían reducirse hasta el punto de que los vuelos supersónicos sobre tierra podrían convertirse en una opción viable.

El supercrucero es el vuelo supersónico sostenido de una aeronave supersónica con carga útil, pasajeros o armamento, realizado de manera eficiente, lo que generalmente excluye el uso de postquemadores o postcombustión, que son altamente ineficientes. Muchas aeronaves militares supersónicas conocidas que no son capaces de realizar supercrucero solo pueden mantener un vuelo a Mach 1 o superior en ráfagas cortas, generalmente con postquemadores. Aeronaves como el SR-71 Blackbird están diseñadas para volar a velocidad supersónica con los postquemadores activados.

Uno de los ejemplos más conocidos de una aeronave capaz de supercrucero fue el Concorde . Debido a su largo servicio como avión comercial, el Concorde ostenta el récord de mayor tiempo en supercrucero; más que todas las demás aeronaves juntas. ^{[ 16 ]}

Los aviones de negocios supersónicos (SSBJ, por sus siglas en inglés) son una clase propuesta de aeronaves supersónicas pequeñas. Ninguno ha volado todavía.

Los SSBJ, diseñados normalmente para transportar a unos diez pasajeros, tienen aproximadamente el mismo tamaño que los jets ejecutivos subsónicos tradicionales.

Se propusieron proyectos para aviones de pasajeros supersónicos e hipersónicos, tanto de gran escala como de clase ejecutiva (véase 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 actualmente se encuentran en desarrollo.

• Douglas F4D Skyray (1951)
• North American F-100 Super Sabre (1953)
• Daga Convair F-102 Delta (1953)
• Grumman F-11 Tiger (1954)
• McDonnell F-101 Voodoo (1954)
• Lockheed F-104 Starfighter (1954)
• Republic F-105 Thunderchief (1955)
• Vought F-8 Crusader (1955)
• Convair F-106 Delta Dardo (1956)
• North American A-5 Vigilante (1958)
• McDonnell Douglas F-4 Phantom II (1958)
• Northrop F-5A/B Freedom Fighter (1959)
• Northrop T-38 Talon (1959)
• General Dynamics–Grumman F-111B (1965)
• Grumman F-14 Tomcat (1970)
• McDonnell Douglas F-15 Eagle (1972)
• General Dynamics F-16 Fighting Falcon (1974)
• McDonnell Douglas F/A-18 Hornet (1978)
• McDonnell Douglas F-15E Strike Eagle (1986)
• Boeing F/A-18E/F Super Hornet (1995)
• Lockheed Martin F-22 Raptor (1997)
• Lockheed Martin F-35 Lightning II (2006)

• Mikoyan-Gurevich MiG-19 (1953)
• Mikoyan-Gurevich MiG-21 (1955)
• Sukhoi Su-7 (1955)
• Sukhoi Su-9 (1956)
• Sukhoi Su-11 (1958)
• Yakovlev Yak-28 (1958)
• Yakovlev Yak-27 (1960)
• Tupolev Tu-28 (1961)
• Sukhoi Su-15 (1962)
• Mikoyan-Gurevich MiG-25 (1964)
• Sukhoi Su-17 (1966)
• Sukhoi Su-24 (1967)
• Mikoyan-Gurevich MiG-23 (1967)
• Mikoyan MiG-27 (1970)
• Yakovlev Yak-38 (1971)
• Mikoyan MiG-31 (1975)
• Sukhoi Su-27 (1977)
• Mikoyan MiG-29 (1977)
• Sukhoi Su-33 (1987)
• Sukhoi Su-30 (1989)
• Sukhoi Su-34 (1990)
• Mikoyan MiG-35 (2007)
• Sukhoi Su-35 (2008)
• Sukhoi Su-57 (2010)

• Shenyang J-6 Farmer (1958)
• Nanchang Q-5 Fantan (1965)
• Plataforma de pesca Chengdu J-7 (1966)
• Shenyang J-8 (1969)
• Xian JH-7 Flounder (1988)
• Chengdu J-10 Dragón Vigoroso (1998)
• Shenyang J-11 (1998)
• Nanchang/Hongdu L-15 (2005)
• Shenyang J-15 Flying Shark (2009)
• Chengdu J-20 furtivo (2011)
• Shenyang J-16 (2012)

• Dassault Súper Misterio B1 (1955)
• Dassault Mirage III (1956)
• Dassault Mirage F1 (1966)
• Dassault Mirage 5 (1967)
• Dassault-Breguet Super Étendard (1974)
• Dassault Mirage 2000 (1978)
• Dassault Rafale (1986)

• Saab 32 Lansen (1952)
• Saab 35 Draken (1955)
• Saab 37 Viggen (1967)
• Saab JAS 39 Gripen (1988)

• HESA Azarakhsh (1997)
• HESA Saeqeh (2004)
• IAIO Qaher-313 (2013)

• Mitsubishi T-2 (1971)
• Mitsubishi F-1 (1975)
• Mitsubishi F-2 (1995)

• HAL HF-24 Marut (1961)
• HAL Tejas (2001)

• IAI Nesher (1971)
• IAI Kfir (1973)

• KAI T-50 Golden Eagle (2002)
• KAI KF-21 Boramae (2022)

• Rayos eléctricos ingleses (1954)

• Helwan HA-300 (1964)

• SEPECAT Jaguar (1968)

• Tornado de Panavia (1974)

• Eurofighter Typhoon (1994)

• PAC JF-17 Thunder (2003)

• Guepardo Atlas (1986)

• AIDC F-CK-1 Ching-kuo (1989)