Aire Compresible a velocidades supersónicas
Debido a las pequeñas fuerzas involucradas a bajas velocidades, dijimos muchas veces en este Blog que el aire es considerado generalmente un fluido incompresible (no, no hemos dicho incomprensible). Sin embargo, los cazas supersónicos, los transportes comerciales, los bombarderos y el Concorde, por poner unos ejemplos, vuelan a velocidades mayores que la mayoría de los aviones pequeños. Las velocidades a las que vuelan estos aparatos introducen algunos problemas físicos adicionales que no están presentes en el vuelo a baja velocidad. En particular, la compresibilidad del aire se vuelve muy significativa.
Hemos dicho aquí muchas veces que el aire en la sustentacíon se debe considerar como fluido incompresible debido a las bajas fuerzas involucradas en el vuelo a baja velocidad. Pero el aire es, en realidad, un fluido compresible. Todos los fluidos, incluso el agua, son compresibles en algún grado. Cuando el aire se comprime, su densidad cambia. Este es un fenómeno inherentemente diferente a lo que ocurre en el vuelo a baja velocidad, donde la densidad del aire permanece esencialmente sin cambios a medida que pasa sobre un ala, fuselaje u otras partes del avión. La foto que se ve a continuación nos muestra a un F-18 volando en las cercanías de la velocidad del sonido (régimen transónico entre 1 y 1.2). Al final del post podremos calcularlo.
Hemos dicho aquí muchas veces que el aire en la sustentacíon se debe considerar como fluido incompresible debido a las bajas fuerzas involucradas en el vuelo a baja velocidad. Pero el aire es, en realidad, un fluido compresible. Todos los fluidos, incluso el agua, son compresibles en algún grado. Cuando el aire se comprime, su densidad cambia. Este es un fenómeno inherentemente diferente a lo que ocurre en el vuelo a baja velocidad, donde la densidad del aire permanece esencialmente sin cambios a medida que pasa sobre un ala, fuselaje u otras partes del avión. La foto que se ve a continuación nos muestra a un F-18 volando en las cercanías de la velocidad del sonido (régimen transónico entre 1 y 1.2). Al final del post podremos calcularlo.
El aire que fluye en la parte superior e inferior del ala se ha expandido, bajando la densidad y la temperatura para hacer que el vapor de agua se condense. En el vuelo de alta velocidad, uno debe comprender dónde, cuándo y cómo cambia la densidad del aire.
En general, a altas velocidades es donde la compresibilidad del aire se vuelve significativa, la velocidad del aire cambia de forma opuesta a la de la presión, la densidad y la temperatura.
Si tuviéramos que hacer fluir tal fluido a través de una tubería con una constricción, ¿qué veríamos? Esto ya lo hemos tratado otras veces ene ste Blog. A medida que el fluido llega a la constricción, la velocidad aumenta mientras que la presión estática (medida perpendicularmente al flujo) disminuye. Entonces, a medida que la velocidad aumenta, la presión disminuye, y debido a que el fluido es incompresible, la densidad y la temperatura siguen siendo las mismas. En general, para un fluido incompresible, la velocidad y la presión cambian en direcciones opuestas y la densidad y la temperatura permanecen constantes.
A medida que aumenta la velocidad del aire, las fuerzas se vuelven significativas y la compresibilidad del aire tiene más influencia. Ahora la densidad del aire puede cambiar y, por lo tanto, su volumen ya no permanece constante. Así que echemos un vistazo a lo que sucede cuando un fluido compresible como el aire fluye a través de una tubería con una constricción. En la constricción, o venturi, las cosas se parecen bastante al caso incompresible, pero ahora la densidad y la temperatura cambian. Mientras el aire viaja a menos de Mach 1 en el venturi, la velocidad aumenta y la presión estática disminuye, al igual que la densidad y la temperatura que también disminuyen.
Si el aire viaja más de Mach 1 entrando en el venturi, la velocidad disminuye y la presión estática, la densidad y la temperatura aumentan. En general, a altas velocidades donde la compresibilidad del aire se vuelve significativa, la velocidad del aire cambia en la dirección opuesta a la de la presión, la densidad y la temperatura.
Una situación análoga al flujo de aire compresible es la del tráfico. A medida que aumenta la densidad de los automóviles, disminuyen las velocidades de estos. En la densidad máxima tenemos un embotellamiento y un mínimo en velocidad. A medida que la densidad disminuye nuevamente y la distancia entre los vehículos aumenta, también lo hacen las velocidades.
Lo esencial es que el aire supersónico no puede comunicarse aguas arriba (hacia adelante en el ala) y solo puede comunicarse a una distancia muy corta directamente sobre un punto en un ala. Esto tendrá un profundo efecto en el comportamiento del aire que fluye sobre un ala a velocidades transónicas o supersónicas. Hay un elemento adicional en la aerodinámica supersónica que no existe en la aerodinámica subsónica: la formación de ondas de choque. Debido a que el aire se comporta de manera diferente cuando fluye a velocidad supersónica, los aviones que vuelan supersónicos deben tener alas con una forma diferente. Ver las otras entradas del Blog sobre el tema:
Bonus para el que quiera calcular grosso modo la velaocidad del F-18 en la foto usando la trigonometría básica:
- Vs es la velocidad del sonido que corta a la onda (unos 58º) en ángulo recto.
- Vst es la distancia recorrida (velocidad x tiempo) por el sonido
- Vt es la distancia recorrida (velocidad x tiempo) por el F-18
Luego X = 1,17 o en otras palabras, el F-18 de la foto vuela aproximadamente a Mach 1.17 (17% por encima de la velocidad del sonido), régimen transónico más o menos. Lo más rápido que yo he volado en el F-18 es Mach 1.65 (en una prueba en vuelo con un biplaza del 152 escuadrón) y eso ocurrió a unos 25000 pies de altura, donde la velocidad del sonido es diferente a la que existe a nivel del mar como en la foto de arriba.
La velocidad del sonido depende de la temperatura. A nivel del mar en un día estádar la velocidad del sonido es de unos 661 nudos. Se puede calcular fácilmente con la fórmula:
a 25000 pies de altura la temperatura es de unos -35ºC. Por lo tanto: Velocidad local del sonido = 38.94*(273 - 35)^ 0.5 = 600 nudos. Teníamos un tanque de combustible central y para conseguir esa velocidad tuvimos que hacer uso continuado del postquemador en el biblaza 152-01.
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