Come funziona il muro del suono?

A velocità ordinarie, un aereo si annuncia in anticipo. Le perturbazioni di pressione lo precedono alla velocità del suono, e l'aria comincia a dividersi prima che il muso e le ali arrivino, scorrendo in modo fluido attorno a essi. Quanto più l'aereo si avvicina alla velocità del suono, tanto meno tempo resta a questo preavviso per agire. L'aria raggiunge le superfici prima di potersi adattare e, invece di scansarsi dolcemente, viene compressa bruscamente in una zona molto stretta, chiamata onda d'urto. Attraverso un'onda d'urto, pressione, temperatura e densità salgono quasi istantaneamente, mentre il flusso viene decelerato. I primi urti non si verificano a Mach 1, ma prima, tipicamente intorno a Mach 0,8, perché l'aria accelerata sulla superficie curva superiore dell'ala raggiunge già lì una velocità supersonica locale, anche se l'aereo nel complesso non la raggiunge ancora.

Le onde d'urto costano energia, e l'aereo la paga in resistenza. Tra circa Mach 0,8 e Mach 1,2, la fascia transonica, la resistenza può moltiplicarsi più volte mentre gli urti si formano, si intensificano e si spostano su ali e fusoliera. Dietro un urto, lo strato limite spesso si separa dalla superficie, causando vibrazioni e perdita di portanza. Il centro di portanza si sposta all'indietro, spingendo il muso verso il basso, una tendenza chiamata "mach tuck", e le superfici di controllo poste dietro un urto possono perdere efficacia, perché l'aria che le raggiunge è già perturbata. Gli aerei a elica della Seconda guerra mondiale incontrarono questi effetti durante picchiate ad alta velocità, e diversi andarono persi in questo modo, da cui nasce l'idea di un muro fisso.

Il muro si rivelò una questione di spinta e forma, non un limite assoluto. I motori a getto e a razzo fornivano una spinta che continuava ad aumentare ad alta velocità, diversamente dalle eliche, le cui punte delle pale raggiungevano prima la velocità supersonica. Ali sottili e musi aguzzi ritardano e attenuano gli urti; una freccia alare riduce la velocità che l'aria sperimenta lungo la corda dell'ala, spostando l'aumento di resistenza a un numero di Mach più alto. Uno stabilizzatore orizzontale mobile, invece di un elevatore incernierato, mantiene il controllo di beccheggio in tutta la fascia transonica. La regola dell'area, scoperta negli anni '50, mostrò che una variazione più uniforme della sezione trasversale totale di un aereo lungo la sua lunghezza riduce fortemente la resistenza transonica, motivo per cui alcuni velivoli supersonici hanno fusoliere strette nella parte centrale. Una volta superato Mach 1, gli urti si stabilizzano in uno schema costante e il volo torna a essere più regolare, anche se la resistenza resta maggiore rispetto alla crociera subsonica.