Como funcionam os aviões supersónicos?

Abaixo da velocidade do som, o ar diante de um avião é avisado da sua aproximação por ondas de pressão e flui suavemente à sua volta. Acima de Mach 1, o avião ultrapassa os seus próprios sinais de pressão, e o ar é desviado abruptamente em ondas de choque que se formam no nariz, nas entradas de ar, nos bordos de ataque das alas e na cauda. Cada choque custa energia, que surge como resistência de onda. Um projeto supersónico começa por tornar esses choques tão fracos e tão poucos quanto possível: um nariz afiado, alas finas com bordos de ataque afiados, e enflechamento ou forma delta, de modo que os bordos de ataque fiquem dentro do cone de Mach do nariz. A fuselagem é mantida esguia, e a sua área de secção transversal varia de forma uniforme do nariz à cauda, segundo a regra da área, formalizada por Richard Whitcomb na década de 1950.

O compressor de um motor a jato não consegue aceitar fluxo de ar supersónico. Todo avião supersónico possui, por isso, uma entrada de ar que desacelera o ar para cerca de Mach 0,5 antes de este atingir o estágio da ventoinha ou do compressor, através de uma sequência controlada de choques oblíquos em vez de um único choque normal violento. No Concorde, isso era feito através de rampas movidas hidraulicamente em entradas rectangulares, que a Mach 2 forneciam uma grande parte do empuxo líquido apenas ao comprimir o ar que entrava; o SR-71 usava em cada nacele do motor um cone central móvel. Uma entrada de ar mal ajustada provoca um «unstart», uma perda violenta de empuxo quando o padrão de choque sai disparado da conduta.

O empuxo propriamente dito provém de turbojatos ou turbofans de baixa taxa de diluição, geralmente com pós-combustão, que queima combustível adicional no jato de escape para superar o aumento da resistência transónica. Alguns aviões, como o Concorde e o F-22, conseguem depois voar em regime supersónico sem pós-combustão, o que é muito mais económico em combustível.

A Mach 2, o ar comprimido na superfície aquece-a para bem mais de 100 °C; o nariz do Concorde atingia cerca de 127 °C, e a célula expandia-se em cruzeiro cerca de 20 cm. As ligas de alumínio suportam aproximadamente esse limite; aviões mais rápidos, como o SR-71, usavam titânio. A velocidade também desloca o centro de pressão para trás, o que empurraria o nariz para baixo. O Concorde resolvia isto bombeando combustível entre os tanques dianteiros e traseiros, para deslocar o centro de gravidade em conformidade, em vez de aceitar a resistência de uma deflexão permanente de trimagem. As superfícies de controlo perdem eficácia quando se formam choques sobre elas, razão pela qual os aviões supersónicos usam estabilizadores horizontais totalmente móveis ou elevons, que movem toda a superfície.

As ondas de choque arrastam-se atrás do avião até ao solo e aí geram o estrondo sónico, razão pela qual o voo supersónico civil sobre terra está proibido na maioria dos países desde a década de 1970. O X-59 da NASA está a testar se uma célula cuidadosamente moldada pode transformar o estrondo num ruído surdo e suave; se assim for, a regulamentação poderá seguir-se.