Trabajo Práctico

Tema: Barrera del Sonido

Barrera del sonido, término que se refiere a los efectos de compresibilidad experimentados por los aviones supersónicos cuando su velocidad con respecto al aire se aproxima a la velocidad local del sonido (1.223 km/h a nivel del mar en condiciones normales).

Choque de compresibilidad

Estos efectos de compresibilidad se producen cuando un cuerpo —por ejemplo, una aeronave— alcanza una velocidad suficiente para romper el flujo normal de las moléculas de aire que se apartan para dejar paso al objeto que se aproxima. A esas velocidades, las moléculas de aire situadas en la trayectoria del objeto y en las inmediaciones no reciben la ‘advertencia’ de la llegada del objeto con suficiente antelación para poder apartarse de forma ordenada, y son sometidas a un desplazamiento violento. Esta ruptura en la fluidez del flujo de aire se produce porque el medio normal de ‘advertencia’ son las ondas de presión, que viajan a la velocidad local del sonido, y en este caso son adelantadas por el objeto en movimiento. Este efecto, conocido como choque de compresibilidad, provoca cambios importantes en la distribución de presiones, densidades y temperaturas del aire alrededor del cuerpo en movimiento. La velocidad local del sonido varía significativamente, y disminuye —aunque de forma errática— al aumentar la altitud sobre la superficie terrestre. Por ejemplo, mientras que la velocidad local del sonido es de unos 1.220 km/h al nivel del mar, cae hasta aproximadamente 1.060 km/h a 11.000 m de altitud, tras lo que permanece constante hasta los 18.000 metros.

El llamado ‘número de Mach’ es la velocidad de un proyectil o avión con respecto al medio que lo rodea, dividida entre la velocidad del sonido en ese mismo medio y bajo las mismas condiciones. Por tanto, a nivel del mar y en condiciones normales de humedad y temperatura, una velocidad de 1.223 km/h representa un número de Mach de 1, y se designaría por ‘Mach 1’. Esta misma velocidad en la estratosfera correspondería a Mach 1,16, debido a las diferencias de densidad, presión y temperatura a mayores altitudes. Al indicar las velocidades por su número de Mach en lugar de hacerlo en kilómetros por hora, puede obtenerse una representación más adecuada de las condiciones reales del vuelo.

Historia

Las investigaciones aerodinámicas realizadas en la década de 1930 no lograron producir un avión capaz de entrar en la región de compresibilidad. Además, durante los años siguientes, las industrias aeronáuticas de todo el mundo pasaron de desarrollar nuevos modelos a fabricar en masa versiones mínimamente modificadas de sus diseños existentes, ya que la proximidad de la guerra hizo que los gobiernos exigieran mayores niveles de producción.

La década de 1940

Esto no quiere decir que no se produjeran avances: en Estados Unidos, los esfuerzos para producir un motor radial de 2.000 caballos culminaron con éxito en 1940. En Alemania, en agosto de 1939 ya se había probado en vuelo un reactor experimental propulsado por un motor de reacción HE-2B desarrollado por el ingeniero aeronáutico Ernst Heinkel. No hubo demasiados signos de avances aerodinámicos comparables fuera de Alemania, donde se estaba estudiando la idea de alas en flecha de sección delgada como método para retrasar la aparición de efectos de compresibilidad.

El principal obstáculo al que se enfrentaban los expertos en aerodinámica —que no sería resuelto hasta finales de la década de 1940— residía en la incapacidad de construir un túnel aerodinámico capaz de proporcionar resultados precisos para velocidades situadas en la zona de compresibilidad o próximas a la misma. En ausencia de ese tipo de datos, los diseñadores de aviones de gran velocidad se limitaron a seguir produciendo versiones cada vez más depuradas de los diseños tradicionales, dotadas de versiones cada vez más potentes de los motores tradicionales.

En 1944 se vino a unir a los cazas de hélice la primera generación de aviones de reacción. Aparte de volar a una velocidad algo mayor, los nuevos reactores empleaban los diseños aerodinámicos tradicionales, con el clásico perfil de ala con superficies superiores mucho más curvadas que las inferiores.

A fin de evitar que se formara un vacío, el aire que pasaba por encima de las alas debía avanzar más rápidamente que el que fluía por debajo. Por tanto, el aire situado encima de las alas era el primero en encontrarse con fenómenos de compresibilidad localizados que, a su vez, afectaban a la controlabilidad del avión.

Sorprendentemente, parece que ninguna de las naciones beligerantes de la II Guerra Mundial llevó a cabo investigaciones coherentes sobre compresibilidad, salvo explorar modelo por modelo la capacidad de picado a gran velocidad, tras lo cual se daba instrucciones a los pilotos de que no superaran determinadas velocidades a una altitud dada.

La era de la barrera del sonido

La aviación no entraría en la era de la barrera del sonido hasta el 14 de octubre de 1947, cuando el capitán estadounidense Charles Yeager (Chuck Yeager) llevó el avión Bell X-1 propulsado por cohetes hasta una velocidad con respecto al aire de 1.078 km/h a 12.800 m de altura, lo que corresponde a Mach 1,015. Aunque Yeager había demostrado sin lugar a dudas que era posible romper la barrera del sonido, aún aprendería por experiencia propia que los efectos poco conocidos de la compresibilidad, potencialmente peligrosos, podían acechar a la vuelta de la esquina. Más de seis años después de superar Mach 1, Yeager se encontró con un problema mientras volaba a Mach 2,4. En un fenómeno descrito como acoplamiento inercial de balanceo, el X-1A que pilotaba empezó repentinamente a balancearse; cualquier intento de Yeager por recuperar altura y controlar el avión no hacía sino aumentar el problema. En unos segundos perdió totalmente el control, y el avión cayó rápidamente desde su altitud inicial de casi 23.000 m hasta unos 10.500 m, donde se estabilizó en una barrena invertida subsónica. Yeager sobrevivió, pero ese mismo año el mismo fenómeno causó la muerte de George Welsh, el más cualificado de los pilotos de pruebas estadounidenses, con lo que fue necesario interrumpir los suministros del primer caza auténticamente supersónico, el F-100 Super Sabre (que alcanzaba Mach 1,3), hasta encontrar una solución al acoplamiento inercial de balanceo y otros efectos.

El despliegue operativo del F-100 en 1955 cerró la era de la barrera del sonido, y supuso la culminación de los esfuerzos realizados por audaces pilotos que probaban los nuevos aparatos a gran altitud sobre las montañas estadounidenses de sierra Nevada. Mientras que la Unión Soviética casi igualó el esfuerzo estadounidense durante la década de 1950, otros países como Gran Bretaña (con el English Electric Lightning), Francia (con el Dassault Mirage III) y Suecia (con el Saab 35 Draken) no desplegaron cazas supersónicos de producción nacional hasta 1960.

Los aviones supersónicos actuales se construyen con materiales avanzados capaces de resistir el calor provocado por el rozamiento del aire a velocidades tan elevadas. La mayoría son aeronaves militares, con la famosa excepción del avión comercial de lujo franco-británico Concorde, que realizó sus primeros vuelos de prueba en 1971 y empezó a transportar pasajeros a Estados Unidos en 1976. Capaz de lograr velocidades en torno a Mach 2, el Concorde combina una velocidad propia de aviones militares con la seguridad y fiabilidad de una aeronave comercial. El Concorde, también conocido como transporte supersónico (SST), es capaz de realizar la travesía de ida y vuelta del Atlántico norte en menos tiempo del que un reactor normal necesita para hacer el vuelo de ida. Sin embargo, el ruido producido por este avión esbelto de atractivo diseño siempre ha creado problemas medioambientales, y sólo se construyeron 16 de las 400 unidades previstas inicialmente. Actualmente hay 14 Concordes en servicio, y todavía no se han concretado planes para construir un nuevo avión comercial supersónico.