¿Cómo funciona la barrera del sonido?

A velocidades normales, un avión se anuncia a sí mismo. Las perturbaciones de presión viajan por delante de él a la velocidad del sonido, y el aire comienza a apartarse antes de que lleguen el morro y el ala, fluyendo con suavidad a su alrededor. A medida que el avión se acerca a la velocidad del sonido, ese aviso tiene cada vez menos tiempo para actuar. El aire llega a las superficies antes de poder ajustarse, y en lugar de apartarse con suavidad se comprime de forma abrupta en una región muy fina llamada onda de choque. Al atravesar una onda de choque, la presión, la temperatura y la densidad saltan casi instantáneamente mientras el flujo se frena. Las primeras ondas de choque aparecen no en Mach 1, sino antes, normalmente alrededor de Mach 0,8, porque el aire que acelera sobre la parte curva superior del ala ya es localmente supersónico aunque el avión en su conjunto no lo sea.

Las ondas de choque cuestan energía, y el avión la paga en forma de resistencia. Entre aproximadamente Mach 0,8 y Mach 1,2, el rango transónico, la resistencia puede multiplicarse varias veces a medida que las ondas de choque se forman, se refuerzan y se desplazan por las alas y el fuselaje. Detrás de una onda de choque, la capa límite a menudo se separa de la superficie, causando sacudidas (buffet) y pérdida de sustentación. El centro de sustentación se desplaza hacia atrás, inclinando el morro hacia abajo en una tendencia llamada Mach tuck, y las superficies de control situadas detrás de una onda de choque pueden perder efecto porque el aire que las alcanza ya ha sido perturbado. Los aviones de hélice de la Segunda Guerra Mundial sufrieron estos efectos en picados a alta velocidad, y varios se perdieron, de ahí surgió la idea de una barrera sólida.

La barrera resultó ser una cuestión de empuje y de forma, no un límite absoluto. Los motores a reacción y los motores cohete aportaban un empuje que seguía aumentando a alta velocidad, a diferencia de las hélices, cuyas puntas se volvían supersónicas primero. Las alas finas y los morros afilados retrasan y debilitan las ondas de choque; echar las alas hacia atrás reduce la velocidad que el aire percibe a lo largo de la cuerda y desplaza el aumento de resistencia a un número de Mach más alto. Un estabilizador horizontal totalmente móvil, en lugar de un elevador articulado, mantiene el control de cabeceo durante todo el rango transónico. La regla del área, descubierta en la década de 1950, demostró que suavizar la forma en que varía la sección transversal total de un avión a lo largo de su longitud reduce bruscamente la resistencia transónica, por lo que algunos diseños supersónicos tienen fuselajes estrechados. Una vez superado Mach 1, las ondas de choque se estabilizan en un patrón fijo y el vuelo vuelve a ser más tranquilo, aunque la resistencia sigue siendo mayor que en crucero subsónico.