O que acontece quando um avião atinge a velocidade supersônica?

Som é uma onda de pressão, e em velocidade subsônica o ar diante de um avião recebe, por meio dessas ondas, um aviso prévio: o fluxo começa a se desviar do nariz e das asas antes mesmo que eles cheguem lá. Em Mach 1, o avião se move tão rápido quanto o próprio aviso, e as perturbações não conseguem mais se propagar para a frente. Elas se acumulam em regiões extremamente finas, onde pressão, temperatura e densidade sobem quase de forma descontínua. São as ondas de choque, e todo avião supersônico carrega uma série delas no nariz, na cabine do piloto, nas bordas de ataque das asas, nas entradas de ar e na cauda.

O desconfortável não é o voo supersônico em si, mas o caminho até lá. O ar acelera ao se curvar sobre uma asa, de modo que partes do fluxo atingem Mach 1 enquanto o avião ainda está em cerca de Mach 0,8. Ondas de choque locais se formam na superfície superior, a camada limite por trás delas se separa, e o arrasto aumenta fortemente. Nos primeiros aviões que exploraram essa faixa, os efeitos eram dramáticos: vibrações, uma tendência de cabrar para baixo chamada Mach tuck, ailerons com efeito invertido e profundores bloqueados pela onda de choque que se formava na cauda. O Bell X-1 resolveu esse último problema com um estabilizador horizontal totalmente móvel, e as ferramentas de projeto que vieram depois, asas em flecha, perfis finos e a regra da área, permitiram que aviões posteriores atravessassem essa faixa sem sobressaltos.

Quando o avião está totalmente em regime supersônico, o fluxo se torna mais ordenado. As ondas de choque se estabilizam, o arrasto se estabiliza em um nível mais alto, mas previsível, e o centro de pressão se desloca para trás, o que no Concorde era compensado bombeando combustível para um tanque de compensação na cauda. O ar comprimido pelas ondas de choque também esquenta: em Mach 2, o nariz do Concorde atingia cerca de 127 °C, e a estrutura da fuselagem se expandia cerca de 25 cm em cruzeiro. As entradas dos motores precisam de rampas ou cones móveis para desacelerar o ar entrante a velocidade subsônica antes do compressor. Os pilotos sentem pouco disso; o machímetro é o único sinal claro de que algo mudou.

As ondas de choque não ficam coladas ao avião. Elas se propagam em forma de cone para fora e alcançam o solo como um aumento súbito de pressão, seguido por uma queda, ouvida como um estrondo duplo. O estrondo está presente de forma contínua ao longo de toda a trajetória supersônica, razão pela qual voos supersônicos sobre terra estão proibidos na maioria dos países desde os anos 1970, e por isso o X-59 da NASA testa um formato que atenua essa assinatura.