Quando si rompe la barriera del suono?

La velocità del suono nell'aria dipende solo dalla temperatura, non dalla pressione né dall'altitudine in sé. La relazione è semplice: aumenta con la radice quadrata della temperatura assoluta. Nell'atmosfera standard al livello del mare, a 15°C, il suono viaggia a 340,3 m/s, cioè 1.225 km/h (661 kt). Alla tropopausa, a 11.000 metri e -56,5°C, scende a 295 m/s, circa 1.062 km/h (573 kt), e resta costante oltre quella quota finché la temperatura non cambia.

Per questo il riferimento operativo non è la velocità in km/h, ma il numero di Mach: il rapporto tra la velocità dell'aereo e la velocità del suono in quell'aria specifica. Un aereo di linea che viaggia a Mach 0,85 si muove a circa 900 km/h; lo stesso valore a bassa quota sarebbe molto più rapido in termini assoluti.

Non esiste una barriera fisica a Mach 1, ma c'è una transizione scomoda. Già nella zona transonica, a partire da Mach 0,7 o 0,8, si formano sulle parti più curve dell'ala zone di flusso supersonico locale e, con esse, onde d'urto che provocano un forte aumento della resistenza e distacchi del flusso. Questo fenomeno, chiamato divergenza della resistenza, fece subire a vari prototipi degli anni '40 vibrazioni violente, perdita di controllo e persino inversione del comando dell'equilibratore, il che alimentò l'idea di una "barriera del suono".

La soluzione fu una questione di progettazione: ali a freccia, che ritardano la formazione delle onde d'urto; profili sottili; la regola dell'area di Whitcomb, che restringe la fusoliera all'altezza dell'ala per rendere più uniforme la distribuzione delle aree di sezione trasversale; e lo stabilizzatore orizzontale completamente mobile, proprio la modifica che rese controllabile il Bell X-1.

Sopra Mach 1, l'aereo vola davanti alle proprie perturbazioni, che si accumulano in un cono d'urto il cui passaggio, a livello del suolo, viene percepito come un boom sonico. Il boom è continuo per tutta la durata del volo supersonico: si prolunga come una scia, non avviene solo nel momento di superare Mach 1.

Il primo volo supersonico registrato fu quello del Bell X-1, pilotato da Charles "Chuck" Yeager il 14 ottobre 1947 sul deserto del Mojave, a Mach 1,06 e circa 13.000 metri di altitudine, dopo essere stato lanciato da un B-29. Nel 1976, il Lockheed SR-71 Blackbird stabilì il record di velocità per un aereo con pilota a propulsione aerobica: 3.529,6 km/h. Il record assoluto a terra appartiene al ThrustSSC, che nel 1997 superò Mach 1 al livello del suolo.

Nell'aviazione civile, il volo supersonico fu una breve eccezione. Il Concorde volò tra il 1976 e il 2003 a Mach 2,02, e il Tupolev Tu-144 ebbe una carriera commerciale ancora più breve. Il boom sonico portò al divieto dei voli supersonici civili sul territorio di numerosi paesi, il che limitò questi aerei alle rotte oceaniche e ne distrusse la viabilità economica. La ricerca attuale si concentra proprio sull'attenuare questo boom tramite forme che disperdano le onde d'urto.