Aerodinámica: Ondas de Choque – Learn to Fly Blog

Hoy vamos a echar un vistazo a un concepto relacionado con el vuelo de alta velocidad, las ondas de choque, con un extracto de la Manual del piloto de conocimientos aeronáuticos (FAA-H-8083-25B). Durante el vuelo, un ala produce sustentación acelerando el flujo de aire sobre la superficie superior. Este aire acelerado puede, y lo hace, alcanzar velocidades sónicas aunque el propio avión pueda estar volando subsónico. En algunos ángulos de ataque extremos (AOA), en algunas aeronaves, la velocidad del aire sobre la superficie superior del ala puede ser el doble de la velocidad de la aeronave. Por lo tanto, es completamente posible tener un flujo de aire supersónico y subsónico en un avión al mismo tiempo. Cuando las velocidades de flujo alcanzan velocidades sónicas en algún lugar de una aeronave (como el área de máxima inclinación del ala), una mayor aceleración da como resultado la aparición de efectos de compresibilidad, como la formación de ondas de choque, aumento de la resistencia, sacudidas, estabilidad y control. dificultades. Los principios de flujo subsónico no son válidos a todas las velocidades por encima de este punto.

Cuando un avión vuela a velocidades subsónicas, el aire que está delante es “advertido” de la llegada del avión mediante un cambio de presión transmitido delante del avión a la velocidad del sonido. Debido a esta advertencia, el aire comienza a apartarse antes de que llegue el avión y está preparado para dejarlo pasar fácilmente. Cuando la velocidad del avión alcanza la velocidad del sonido, el cambio de presión ya no puede advertir al aire que está adelante porque el avión se mantiene al ritmo de sus propias ondas de presión. Más bien, las partículas de aire se acumulan frente al avión, lo que provoca una fuerte disminución de la velocidad del flujo directamente frente al avión, con el correspondiente aumento de la presión y la densidad del aire.

A medida que la velocidad del avión aumenta más allá de la velocidad del sonido, la presión y la densidad del aire comprimido delante de él aumentan y el área de compresión se extiende a cierta distancia por delante del avión. En algún punto de la corriente de aire, las partículas de aire están completamente imperturbadas, ya que no han recibido una advertencia previa de la aproximación del avión, y en el siguiente instante las mismas partículas de aire se ven obligadas a sufrir cambios repentinos y drásticos de temperatura, presión, densidad y velocidad. . El límite entre el aire no perturbado y la región de aire comprimido se denomina onda de choque o de “compresión”. Este mismo tipo de onda se forma cada vez que una corriente de aire supersónica se reduce a subsónica sin un cambio de dirección, como cuando la corriente de aire se acelera a velocidad sónica sobre la parte combada de un ala y luego se desacelera a velocidad subsónica como el área de máxima. se pasa la comba. Una onda de choque se forma como un límite entre los rangos supersónico y subsónico.

Siempre que se forma una onda de choque perpendicular al flujo de aire, se denomina onda de choque “normal” y el flujo inmediatamente detrás de la onda es subsónico. Una corriente de aire supersónica que atraviesa una onda de choque normal experimenta estos cambios:

• La corriente de aire se reduce a subsónica.
• El flujo de aire inmediatamente detrás de la onda de choque no cambia de dirección.
• La presión estática y la densidad de la corriente de aire detrás de la ola aumentan considerablemente.
• La energía de la corriente de aire (indicada por la presión total, dinámica más estática) se reduce considerablemente.

La formación de ondas de choque provoca un aumento de la resistencia. Uno de los principales efectos de una onda de choque es la formación de una densa región de alta presión inmediatamente detrás de la onda. La inestabilidad de la región de alta presión y el hecho de que parte de la energía de la velocidad de la corriente de aire se convierte en calor a medida que fluye a través de la ola, es un factor que contribuye al aumento de la resistencia, pero la resistencia resultante de la separación del flujo de aire es mucho mayor. . Si la onda de choque es fuerte, es posible que la capa límite no tenga suficiente energía cinética para soportar la separación del flujo de aire. El arrastre que se produce en la región transónica debido a la formación de ondas de choque y la separación del flujo de aire se conoce como “arrastre de onda”. Cuando la velocidad supera el número de Mach crítico en aproximadamente un 10 por ciento, la resistencia de las olas aumenta considerablemente. Se requiere un aumento considerable en el empuje (potencia) para aumentar la velocidad de vuelo más allá de este punto en el rango supersónico donde, dependiendo de la forma de la superficie aerodinámica y el AOA, la capa límite puede volver a adherirse.

Las ondas de choque normales se forman en la superficie superior del ala y forman un área adicional de flujo supersónico y una onda de choque normal en la superficie inferior. A medida que la velocidad de vuelo se acerca a la velocidad del sonido, las áreas de flujo supersónico se agrandan y las ondas de choque se acercan al borde de fuga.

Asociados con el “aumento de la resistencia” están los cambios de sacudida (conocidos como sacudida de Mach), compensación y estabilidad y una disminución en la efectividad de la fuerza de control. La pérdida de sustentación debido a la separación del flujo de aire da como resultado una pérdida de flujo descendente y un cambio en la posición de la presión central en el ala. La separación del flujo de aire produce una estela turbulenta detrás del ala, lo que hace que las superficies de la cola se sacudan (vibren). El control de cabeceo morro arriba y morro abajo proporcionado por la cola horizontal depende de la corriente descendente detrás del ala. Por lo tanto, un aumento en la corriente descendente disminuye la efectividad del control de cabeceo de la cola horizontal ya que aumenta efectivamente el AOA que está viendo la superficie de la cola. El movimiento del centro de presión (CP) del ala afecta el momento de cabeceo del ala. Si el CP se mueve hacia atrás, se produce un momento de inmersión denominado “Mach tuck” o “tuck under”, y si se mueve hacia adelante, se produce un momento de morro hacia arriba. Esta es la razón principal del desarrollo de la configuración de cola en T en muchas aeronaves propulsadas por turbinas, que coloca el estabilizador horizontal lo más lejos posible de la turbulencia de las alas.