Come funzionano gli aerei supersonici?

Sotto la velocità del suono, l'aria davanti a un aereo è avvisata del suo avvicinamento da onde di pressione e scorre fluidamente attorno ad esso. Sopra Mach 1, l'aereo supera i propri segnali di pressione, e l'aria viene deviata brutalmente in onde d'urto che si formano sul naso, sulle prese d'aria, sui bordi d'attacco delle ali e sulla coda. Ogni urto costa energia, che si manifesta come resistenza d'onda. Un progetto supersonico inizia rendendo questi urti quanto più debole e pochi possibile: un naso aguzzo, ali sottili con bordi d'attacco affilati, e freccia o forma a delta, in modo che i bordi d'attacco rientrino nel cono di Mach del naso. La fusoliera viene mantenuta sottile, e la sua area della sezione trasversale varia in modo uniforme dal naso alla coda, secondo la regola dell'area, formalizzata da Richard Whitcomb negli anni '50.

Il compressore di un motore a getto non può accettare un flusso d'aria supersonico. Ogni aereo supersonico possiede quindi una presa d'aria che decelera l'aria a circa Mach 0,5 prima che raggiunga lo stadio del fan o del compressore, tramite una sequenza controllata di urti obliqui invece di un singolo urto normale violento. Sul Concorde questo avveniva tramite rampe mosse idraulicamente in prese d'aria rettangolari, che a Mach 2 fornivano gran parte della spinta netta semplicemente comprimendo l'aria in ingresso; l'SR-71 usava in ogni navicella motore uno spike centrale mobile. Una presa d'aria mal regolata provoca un «unstart», una violenta perdita di spinta quando il pattern d'urto salta fuori dal condotto.

La spinta stessa proviene da turbogetti o turbofan a basso rapporto di diluizione, solitamente con postbruciatore, che brucia carburante aggiuntivo nel getto di scarico per superare l'aumento della resistenza transonica. Alcuni aerei, come il Concorde e l'F-22, possono poi volare in regime supersonico senza postcombustione, il che è molto più efficiente dal punto di vista del carburante.

A Mach 2, l'aria compressa sulla pelle la riscalda a ben oltre 100 °C; il naso del Concorde raggiungeva circa 127 °C, e la cellula si espandeva in crociera di circa 20 cm. Le leghe di alluminio resistono approssimativamente a questo limite; aerei più veloci come l'SR-71 usavano titanio. La velocità sposta inoltre il centro di pressione all'indietro, il che spingerebbe il naso verso il basso. Il Concorde risolveva questo problema pompando carburante tra i serbatoi anteriori e posteriori, per spostare di conseguenza il baricentro, invece di accettare la resistenza di una deflessione permanente del trim. Le superfici di controllo perdono efficacia quando si formano urti sopra di esse, motivo per cui gli aerei supersonici usano stabilizzatori orizzontali interamente mobili o elevoni, che muovono l'intera superficie.

Le onde d'urto si trascinano dietro l'aereo fino al suolo e lì generano il boom sonico, motivo per cui il volo supersonico civile sopra la terraferma è proibito nella maggior parte dei paesi dagli anni '70. L'X-59 della NASA sta testando se una cellula accuratamente sagomata possa trasformare il boom in un tonfo sommesso; in tal caso, la normativa potrebbe seguire.