Perché gli aerei superano il muro del suono?

Un aereo in volo perturba l'aria intorno a sé, e queste perturbazioni si propagano come onde di pressione alla velocità del suono: circa 340 m/s (1.225 km/h) al livello del mare a 15 °C e circa 295 m/s (1.060 km/h) nella stratosfera, dove l'aria è più fredda. Finché l'aereo vola più lento delle proprie onde, queste lo precedono, e l'aria più avanti "sa" già che sta arrivando e si sposta dolcemente. Quando l'aereo si avvicina a questa velocità, Mach 1, le onde non riescono più a fuggire in avanti: si accumulano in un fronte di compressione brusco, l'onda d'urto, e il comportamento dell'aria intorno all'aereo cambia radicalmente.

Prima che l'intero aereo raggiunga Mach 1, l'aria accelerata sulla parte più curva dell'ala diventa già localmente supersonica. Sulla superficie superiore si formano onde d'urto che staccano lo strato limite, la resistenza si moltiplica, e le superfici di controllo perdono efficacia o addirittura invertono la loro azione. Questa zona, approssimativamente tra Mach 0,8 e 1,2, distrusse diversi aerei negli anni Quaranta e diede origine all'idea di un muro insuperabile. Il Bell X-1, pilotato da Chuck Yeager, dimostrò nell'ottobre 1947 che questo muro non esisteva: con una fusoliera ispirata a un proiettile di fucile, uno stabilizzatore orizzontale interamente mobile e un motore a razzo, superò Mach 1 in volo livellato.

Volare più veloce del suono richiede tre cose. Primo, molta spinta: la resistenza d'onda è così grande che molti caccia la superano solo con il postbruciatore, anche se alcuni progetti moderni raggiungono la crociera supersonica anche senza di esso. Secondo, forme che ritardano e attenuano le onde d'urto: ali a freccia o a delta, profili sottili, musi aguzzi e la regola dell'area, secondo cui l'area della sezione trasversale totale dell'aereo deve variare in modo uniforme dal muso alla coda. Terzo, comandi e una struttura che resistano agli spostamenti del centro di pressione e ai carichi del regime supersonico.

Le onde d'urto che accompagnano l'aereo si propagano a forma di cono fino al suolo e vengono percepite come un doppio boom, uno dal muso e uno dalla coda. Questo rumore è il motivo per cui il Concorde poteva volare a velocità supersonica solo sul mare, e perché oggi si cercano forme di fusoliera che riducano il boom a un tonfo attutito, come nel demonstrator X-59 della NASA.