Boom sónico

Todos los veranos, desde hace ya 10 años, se realiza en Gijón un estupendo festival aéreo que cuenta con la participación de numerosas aeronaves y varias patrullas acrobáticas. El festival congrega cada año a miles de personas en la playa de San lorenzo, donde pueden ver evolucionar en el aire a aeronaves tan avanzadas como el Eurofighter o el Harrier. En alguna conversación que tuve con mi hermano, este me preguntaba por las capacidades supersónicas del Harrier, ya que en el festival aéreo se hizo una pasada rasante con gran alboroto por parte del publico asistente al escuchar el "estampido" producido en ese vuelo a baja altura.

El Harrier (‘aguilucho’ en inglés) es un avión transónico que a duras penas llega al Mach 1 en algún picado. En vuelo recto y nivelado (sobre todo si lleva alguna carga exterior) se queda bastante lejos. En dicho festival lo normal es que acudiera "limpio" sin cargas exteriores, quizás únicamente un par de misiles del tipo Sidewinder, pero cautivos (solo la unidad de guiado sería real).

Con su motor más potente, el Pegasus 11 Mk 107, este avión puede alcanzar las 24,750 lbf o los 110 kN. Esta potencia le permite acercarse a los 1.065 km/h, muy lejos del Mach 1 a nivel del mar. Recuérdese que la velocidad del sonido en la atmósfera terrestre es de 343 m/s a 20 °C de temperatura, con 50 % de humedad y a nivel del mar. Si deseamos obtener la equivalencia en kilómetros por hora podemos determinarla mediante la siguiente conversión física: Velocidad del sonido en el aire en km/h = (343 m/1 s) · (3600 s/1 h) · (1 km/1000 m) = 1234,8 km/h.

El vuelo transónico y el ala supercrítica

Se le llama velocidad transónica al rango entre 980 y 1230 km/h. Un flujo transónico se produce cuando en el campo de flujo de un fluido compresible coexisten velocidades subsónicas y supersónicos dependiendo del perfil aerodinámico. En una aeronave que vuela todavía a menor velocidad que la del sonido, en el flujo alrededor localmente puede exceder la velocidad del sonido. La transición del flujo de aire de flujo de subsónico a supersónico esta asociado con una onda de choque que causa una alta resistencia al flujo que afectan a la distribución de la presión en la aeronave.

Para que la transición entre los dos tipos de vuelo se produzca de la manera más "suave" posible se suelen utilizar perfiles alares especiales del tipo supercrítico, tal como ocurre con el ala del Harrier. Unode los grandes problemas de los perfiles convencionales es que a altasvelocidades aparecen las ondas de choque, que incrementan notablemente el valorde la resistencia aerodinámica y disminuyen considerablemente la magnitud de lafuerza de sustentación. Para evitar estos efectos, los diseñadores han desarrolladovarias técnicas, como por ejemplo el uso de alas en flecha progresiva, losperfiles de pequeño espesor o una combinación de ambas para tratar de reducirlos efectos adversos del vuelo a altas velocidades.

Este tipo de diseños ayudóal incremento de la velocidad para poder alcanzar cifras del orden del Mach 0.75,pero aún se podía ir un poco más allá refinando estos perfiles para reducirtodavía más la resistencia por onda de choque, que aún crecía excesivamente.Otro problema que apenas pudo resolverse con los diseños anteriores fue el dela controlabilidad y eficiencia aerodinámica a altas y bajas velocidades(especialmente en maniobras de despegue y aterrizaje).

En los años 60, elcientífico de la NASA Richard T.Whitcomb, jefe del departamento de AerodinámicaTransónica, dio con el diseño queresolvía estos problemas. El ala supercrítica. En comparación con un alaconvencional, el ala supercrítica es plana en el extradós y más redondeada enel intradós, posee una curvatura de borde de ataque algo mayor comparada con lade un perfil convecional y tiene una curva extradós-intradós hacia abajo amedida que se acerca al borde de salida. Ver figura.

Para apreciar lasdiferencias entre un perfil convencional y un perfil supercrítico basta hacer una comparación como la de la siguiente figura.

tal y como se puede apreciar en la figura, este tipo de ala reduce el efecto de las ondas de choque en el extradós (esrtas aparecen mucho más atrás), reduciendo considerablemente los efectos de la resistencia aerodinámica. Éste tipo de perfil permiteel vuelo en las cercanías del Mach 1 sin experimentar los problemas que teníanlos perfiles convencionales.

Como se puede apreciar,la onda de choque en el perfil convencional crece de manera abrupta y tiene unaforma más aguda, mientras que en el perfil supercrítico la onda de choque se vaformando de manera progresiva y se extiende de manera contínua sobre el perfil,reduciendo así los efectos adversos del incremento de laresistencia.

Las principales ventajas de los perfiles supercríticos son:

1. Retrasan de forma muy notoria la aparición de ondas dechoque debido a que las partículas de aire no viajan tan rápidas por elextradós, al tener éste una forma más plana. Esto reduce la resistencia ypermite el vuelo a altas velocidades.
2. Al retrasar los efectos de laaparición de la onda de choque, se requiere menor ángulo de flecha y se reducenlos problemas asociados a este tipo de configuración.
3. El mayor espesorde éste tipo de perfiles permite dar más puntos de anclaje en las unionesala-fuselaje. Esto da mayor rigidez a la estructura,lo que permiteque la aeronave pueda llevar más carga y combustible. Además, el mayor espesor permite incrementarla envergadura y superficie del ala.
4. Por otro lado, el hecho de tener menorángulo de flecha y mayor superficie alar y envergadura proporciona mejoresactuaciones en vuelo a bajas velocidades: se pueden usar menores velocidades dedespegue y aterrizaje lo que permite la operación desde casi cualquier tipo de aeropuerto.

La velocidad del sonido

La velocidad del sonido depende del medio donde se propaga. En las películas del oeste todos nos acordamos de ver al indio pegando la oreja a las vías del tren para saber la distancia a la que se encontraba y poder asaltarlo... En general y sin complicarnos mucho, podemos decir que cuanto más denso es el medio, más rápido se propaga el sonido. En el caso de las vías, suponiendo que fueran de acero, esto equivaldría a unos 6.100 m/s. El sonido viaja a modo de onda por su medio. Las moléculas que componen la atmósfera se ven disturbadas por esta onda de forma similar a lo que ocurre en los estadios de fútbol con la famosa ola. No es lo mismo, pero es una buena aproximación.

Mucha gente piensa que la velocidad del sonido depende de la altura, pero esto no es correcto. El error se debe fundamentalmente a que se suele expresar la relación Velocidad del sonido/Altitud en gráficas como esta que se muestra a continuación.

Tal como se puede ver en la gráfica, cuanto más alto volamos, mas despacio viaja la velocidad del sonido. Pero esto no es por la altura, es por las condiciones de la atmósfera y principalmente debido a su temperatura.

En el aire, la velocidad del sonido depende fundamentalmente de la temperatura.

Como la velocidad del sonido varía, se suele manejar el término "Velocidad del sonido local" (“local speed of sound” o LSS) este termino se utiliza para referirse específicamente a la velocidad del sonido en un punto o altura determinado. Para calcular esta velocidad local se suele emplear la siguiente fórmula:

Donde Tk es la temperatura en grados Kelvin y 38.94 es una constante para que el resultado sean nudos (Kts). Así por ejemplo, si queremos saber cual es la velocidad del sonido a nivel del mar en condiciones estándar (15°C), basta con calcular la raíz cuadrada de (273 + 15) y multiplicarla por 38.94. El resultado son 660.83 nudos. Cualquier objeto puede ir más rápido que el sonido si las condiciones son las apropiadas. Como curiosidad, en la gráfica que se muestra a continuación se puede ver la velocidad que alcanzó el aeronauta Felix Baumgartner en el famoso salto estratosférico "Red Bull Stratos Jump".

Tal como se puede apreciar, Felix fue más rápido que el sonido durante unos 45 segundos. Así que llegar a romper la barrera del sonido depende de la velocidad del sonido en un punto, temperatura, momento o altura determinado. En aerodinámica, la barrera del sonido usualmente se refiere al punto en el cual un objeto (aeronave o cualquier otra cosa, por ejemplo Felix) se mueve desde una velocidad transónica a supersónica. Fue un término aeronáutico comenzado a usar durante la II GM cuando muchas aeronaves comenzaron a encontrar los efectos de la compresibilidad, un efecto aerodinámico no conocido. Felix en su salto llegó a alcanzar el Mach 1.24. Cuando se le preguntó después de su salto si había escuchado el Boom sónico, felix dijo: “I didn’t feel a sonic boom because I was so busy just trying to stabilize myself.” (no pude escucharlo porque estaba muy ocupado tratando de estabilizarme). Lo cual no es correcto, pues el boom no se puede apreciar cuando ocurre la transición subsónico/supersónico.

En realidad el boom lo percibe aquella persona que se encuentra parada y ve moverse al objeto. Si nosotros vamos por delante de la onda de choque jamás oiremos nada. Esto es lo que me ocurrió a mi cuando volé en el F-18 a Mach 1.6, dentro del cockpit no se aprecia más que la aguja del Mach-meter superando el Mach 1. La mejor analogía es la de un barco que navega y produce olas según se desplaza por el agua. El barco produce las olas pero va por delante de ellas. Si nosotros estamos disfrutando de un día estupendo en un muelle flotante, percibiremos las turbulencia que produce la ola cuando esta alcance nuestro muelle.. pero el barco se alejará sin sentir nada, el solo produce la ola.

En la tabla siguiente se puede ver la clasificación de las aeronave según su régimen de velocidad y sus características principales.



Conos de Mach y conos de condensación (dos cosas distintas)

Otra de las típicas preguntas surge cuando se visualizan estos conos. Los conos de condensación se forman a muchos regímenes que no tienen por qué coincidir con Mach 1. A veces se producen en las cercanías y a veces bastante por debajo. Depende más de las condiciones de humedad, temperatura y densidad del aire. Este cono o disco blanco es una consecuencia de la onda de choque. Este fenómeno se conoce como "Singularidad de Prandtl-Glauert". El cono de Mach en cambio se puede describir como: la envolvente de perturbaciones en el medio producidas por un móvil desplazándose a una velocidad superior a la del sonido. Por lo general este cono no se puede ver en condiciones reales y se debe de recurrir a los túneles de viento o los laboratorios especializados.

La nube que se observa está formada por vapor de agua condensado en forma de pequeñas gotas en el aire en rápida expansión, en la zona enrarecida detrás de la onda de choque de aire comprimido.

En algunas ocasiones ambos conos pueden llegar a coincidir o encontrarse muy cera, con lo que la visualización podría darnos una buena indicación de la velocidad de la aeronave. Esto ya se ha tratado en el post que me publicó Gizmodo en su día y que se basa en un simple cálculo trigonométrico, como se muestra el gráfico.

Para una explicación sencilla ver el post: http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/04/mach-1-y-conos-de-condensacion.html

Las respuestas a las preguntas de mi hermano.


¿Es posible que el Harrier pudiera romper la barrera del sonido? Si estuvieras presenciando algún festival aéreo y el Harrier pasara por encima del Mach 1 seguro que te acordarías, porque el "petardazo" es menudo.

¿Qué es lo que escucha entonces el piloto?

Los aviones supersónicos están diseñados de forma que la transición sea suave tanto para entrar como para salir del vuelo supersónico. Las ondas de choque se amortiguan mucho y la verdad es que no se siente nada de nada ni al entrar ni al salir cuando se va dentro. Desde afuera si que se escucha.

El estampido sónico no se oye en el interior, precisamente porque vas cerrado y vas por delante de la onda de choque. Lo que si se oye mucho es el crujir del aparato cuando le metes G's y eso asusta la primera vez que lo escuchas, porque ademas ves como se doblan y se retuercen las alas. Ahí te das cuenta de lo bien construidos que estan estos aparatos, pero si no te lo cuenta antes da realmente mucho miedo (parece que se van a romper).

Otra cosa que impresiona mucho y que no te lo esperas si nadie te lo cuenta, es el hecho de que un avión pueda dar un frenazo en el aire... literalmente, la sensación es exactamente como en un coche de carreras. Hay otras cosa como la aceleración en el despegue que se dan por supuestas y todo el mundo puede imaginar, pero lo del frenazo te deja pensando durante un buen rato y es mucho más impresionante que la aceleración. Si no llevaras el atalaje te estamparías los "morros" contra el tablero de instrumentos... sin duda.

¿Que es lo que se escucha en tierra?

En la foto de abajo (de izquierda a derecha) se puede ver una bala recién disparada a una velocidad de Mach 1.3, en los siguientes fotogramas se ve la bala decelerando hasta llegar a una velocidad subsónica. Es interesante darse cuenta de la inclinación de las ondas de choque según pierde velocidad. Si escucháramos pasar la bala sobre nuestras cabezas apreciaríamos un chasquido debido a las ondas de choque. En el último fotograma ya no se escucharía el chasquido sino un silbido.

Como se aprecia perfectamente en la espectacular imagen de arriba, una bala lo que produce en realidad son dos ondas de choque. Una de alta presión se denomina la onda de proa (en el morro) con las ondas todas apelotonadas y la otra la de salida o de cola con las ondas de choque de baja presión (descomprimiéndose). Ese ruido intenso se produce por la variación brusca de presión del aire pasando primero de presión normal a alta presión, después, a la inversa, a presión más baja que la atmosférica y, por fin, de vuelta a la presión normal atmosférica.

En la imagen de abajo ves a tres observadores. B escucha el estampido sónico que no es mas que las dos ondas muy seguidas. C ya no escucha nada y A lo va a escuchar en breve.

El avión supersónico genera una onda de choque tridimensional en forma de cono (Englobando un serie de frentes de onda esféricos) que se propaga hasta llegar al suelo. Cuando esta onda de choque (Zona de aire a gran presión) alcanza a una persona en tierra. ésta oye un crujido agudo.

Una idea errónea común es que los estampidos sónicos se producen cuando un avión atraviesa la "barrera del sonido", esto es, sólo cuando la velocidad del avión pasa de menor a mayor que la del sonido. Eso no es cierto. El hecho es que una onda de choque, y el estampido sónico que produce, barren en forma continua hacia atrás y por debajo de un avión que viaje más rápido que el sonido, así como una onda de proa barre continuamente atrás de una lancha rápida. Puede ser que el avión que genera esa onda de choque ¡haya atravesado la barrera del sonido mucho tiempo antes!

No es necesario que la fuente en movimiento sea "ruidosa'" para producir una onda de choque. Siempre que un objeto se mueva con más rapidez que la del sonido, producirá ruido. Una bala supersónica que pase sobre nosotros produce un crujido, un estampido sónico pequeño. Si la bala fuera mayor y perturbara más aire en su trayectoria, el crujido se parecería más a un estampido. Cuando un domador restalla su látigo en el circo, el crujido que se oye es en realidad un estampido sónico que produce el extremo del látigo al moverse con más rapidez que la del sonido. Tanto la bala como el látigo no vibran, por lo que no son fuentes de sonido. Pero cuando se mueven con velocidades supersónicas, producen su propio sonido al generar ondas de choque.

 Para saber más:

Sobre las velocidades TAS, CAS y MN° se puede ver:
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/04/la-interpretacion-de-las-velocidades.html
Sobre aerodinámica del reactor:
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/02/mas-sobre-aerodinamica-del-reactor-con.html
Actualización: Gizmodo en Español acaba de poner un Post muy interesante sobre el tema:
http://es.gizmodo.com/asi-se-ven-las-ondas-de-sonido-de-un-avion-en-pleno-vue-1726585921