¿Cómo funcionan los aviones supersónicos?

Por debajo de la velocidad del sonido, el aire que tiene delante un avión es advertido de su llegada por ondas de presión y fluye suavemente a su alrededor. Por encima de Mach 1, el avión supera sus propias señales de presión, y el aire se desvía abruptamente en ondas de choque adheridas al morro, a las tomas de aire, a los bordes de ataque de las alas y a la cola. Cada onda de choque cuesta energía, que aparece como resistencia de onda. Un diseño supersónico empieza por hacer esas ondas de choque lo más débiles y escasas posible: un morro afilado, alas finas con bordes de ataque agudos, y flecha o una planta en delta para que los bordes de ataque queden dentro del cono de Mach del morro. El fuselaje se mantiene esbelto y su área de sección transversal varía suavemente de morro a cola, siguiendo la regla del área que Richard Whitcomb formalizó en los años cincuenta.

El compresor de un motor a reacción no puede admitir flujo supersónico. Por eso todo avión supersónico tiene una toma de aire que frena el aire hasta aproximadamente Mach 0,5 antes de que llegue al ventilador o a la cara del compresor, y lo hace mediante una serie controlada de ondas de choque oblicuas en lugar de una única onda de choque normal violenta. En el Concorde esto se lograba con rampas accionadas hidráulicamente dentro de tomas rectangulares, que a Mach 2 aportaban una gran parte del empuje neto simplemente comprimiendo el aire entrante; el SR-71 usaba un cono móvil central en cada góndola. Si la toma de aire falla, se produce un «unstart», una pérdida violenta de empuje cuando el patrón de ondas de choque sale expulsado del conducto.

El empuje en sí procede de turborreactores o turbofanes de bajo índice de derivación, normalmente con postcombustión, que quema combustible adicional en el escape para atravesar el aumento de resistencia transónico. Unos pocos aviones, como el Concorde y el F-22, pueden después volar en crucero supersónico sin postcombustión, lo que resulta mucho más eficiente en combustible.

A Mach 2 el aire comprimido contra el revestimiento lo calienta hasta bastante más de 100 °C; el morro del Concorde alcanzaba unos 127 °C y la estructura se alargaba unos 20 cm en crucero. Las aleaciones de aluminio toleran aproximadamente ese límite; aviones más rápidos, como el SR-71, usaban titanio. La velocidad también desplaza el centro de sustentación hacia atrás, lo que haría bajar el morro. El Concorde resolvía esto bombeando combustible entre los depósitos delanteros y traseros para desplazar con él el centro de gravedad, en lugar de arrastrar la resistencia de una deflexión de equilibrado permanente. Las superficies de control pierden eficacia cuando se forman ondas de choque sobre ellas, por lo que los aviones supersónicos usan estabilizadores horizontales de movimiento completo o elevones que mueven toda la superficie.

Las ondas de choque se arrastran detrás del avión hasta el suelo como un estampido sónico, razón por la cual el vuelo supersónico civil sobre tierra está prohibido en la mayoría de los países desde los años setenta. El X-59 de la NASA está probando si un fuselaje cuidadosamente diseñado puede convertir el estampido en un golpe suave; si lo consigue, las normas podrían cambiar.