Barrera del sonido

La existencia de la barrera del sonido era evidente para los aerodinamistas antes de que se dispusiera de evidencia directa a bordo de aeronaves. En particular, la teoría, muy simple, de perfiles aerodinámicos delgados a velocidades supersónicas producía una curva que tendía a un arrastre infinito a Mach 1, disminuyendo con el aumento de la velocidad. Esto se podía observar en pruebas con proyectiles disparados desde cañones, un método común para comprobar la estabilidad de diversas formas de proyectiles. A medida que el proyectil disminuía su velocidad inicial y comenzaba a aproximarse a la velocidad del sonido, experimentaba un rápido aumento del arrastre y una desaceleración mucho más rápida. Se entendía que el arrastre no llegaba al infinito, ya que sería imposible que el proyectil superara Mach 1, pero no existía una teoría mejor, y los datos coincidían con la teoría en cierta medida. Al mismo tiempo, velocidades cada vez mayores en túneles de viento mostraban un efecto similar al aproximarse a Mach 1 desde abajo. En este caso, sin embargo, no existía ningún desarrollo teórico que explicara el porqué de este fenómeno. Lo que se observó fue que el aumento del arrastre no era gradual, sino que presentaba un punto de inflexión definido donde comenzaba a aumentar repentinamente. Esta velocidad era diferente para distintas formas de ala y secciones transversales, y se la conoció como el "Mach crítico". ^{[ 8 ]}

Según el aerodinamista británico WF Hilton, de Armstrong Whitworth Aircraft , el término se creó accidentalmente. En 1935, durante una demostración en la feria anual del Laboratorio Nacional de Física, Hilton presentó un gráfico de mediciones en un túnel de viento que comparaba la resistencia aerodinámica de un ala con la velocidad del aire. Durante estas explicaciones, afirmaba: «Vean cómo la resistencia de un ala aumenta como una barrera contra velocidades más altas, a medida que nos acercamos a la velocidad del sonido». Al día siguiente, los periódicos londinenses se llenaron de declaraciones sobre una «barrera del sonido». Si este fue o no el primer uso del término es discutible, pero en la década de 1940 su uso en la industria ya era común. ^{[ 8 ]}

A finales de la década de 1930, una consecuencia práctica de esto se hacía evidente. Si bien las aeronaves aún operaban muy por debajo de Mach 1, generalmente a la mitad de esa velocidad como máximo, sus motores superaban rápidamente los 1000 hp. A estos niveles de potencia, las hélices  tradicionales de dos palas mostraban un rápido aumento de la resistencia aerodinámica. La velocidad de la punta de una pala de hélice depende de la velocidad de rotación y de la longitud de la pala. A medida que aumentaba la potencia del motor, se necesitaban palas más largas para transmitir esta potencia al aire operando a las RPM más eficientes del motor. La velocidad del aire también depende de la velocidad de avance de la aeronave. Cuando la velocidad de la aeronave es suficientemente alta, las puntas alcanzan velocidades transónicas. Se forman ondas de choque en las puntas de las palas que reducen la potencia del eje que impulsa la hélice. Para mantener el empuje, la potencia del motor debe compensar esta pérdida y, además, debe igualar la resistencia aerodinámica de la aeronave a medida que aumenta con la velocidad. La potencia requerida es tan grande que el tamaño y el peso del motor se vuelven prohibitivos. Esta limitación de velocidad impulsó la investigación de los motores a reacción , especialmente por Frank Whittle en Inglaterra y Hans von Ohain en Alemania. Esto también propició el desarrollo de hélices con un número cada vez mayor de palas: durante la guerra se vieron hélices de tres, cuatro y cinco palas. A medida que se comprendió mejor el problema, también se desarrollaron hélices de palas anchas con mayor cuerda, como las que se observan (por ejemplo) en los modelos de finales de la guerra del Republic P-47 Thunderbolt .

Sin embargo, los aviones de hélice podían acercarse a su número Mach crítico , diferente para cada aeronave, en picada. Hacerlo provocó numerosos accidentes por diversas razones. Volando el Mitsubishi Zero , los pilotos a veces volaban a máxima potencia contra el terreno porque las fuerzas que aumentaban rápidamente actuando sobre las superficies de control de su aeronave los superaban. ^{[ 9 ]} En este caso, varios intentos de solucionarlo solo empeoraron el problema. De igual modo, la flexión causada por la baja rigidez torsional de las alas del Supermarine Spitfire hacía que, a su vez, contrarrestaran las entradas de control de los alerones, lo que llevaba a una condición conocida como inversión de control . Esto se solucionó en modelos posteriores con cambios en el ala. Peor aún, una interacción particularmente peligrosa del flujo de aire entre las alas y las superficies de cola de los Lockheed P-38 Lightning en picada hacía que "salir" de las picadas fuera difícil; en un vuelo de prueba de 1941, el piloto de pruebas Ralph Virde murió cuando el avión se estrelló contra el suelo a gran velocidad. ^{[ 8 ]} El problema se resolvió posteriormente con la adición de un "flap de picado" que alteraba el flujo de aire en estas circunstancias. El aleteo debido a la formación de ondas de choque en superficies curvas fue otro problema importante, que provocó, de manera muy notoria, la desintegración de un de Havilland Swallow y la muerte de su piloto, Geoffrey de Havilland, Jr., el 27 de septiembre de 1946. Se cree que un problema similar fue la causa del accidente del avión cohete BI-1 en la Unión Soviética en 1943.

Todos estos efectos, aunque en la mayoría de los casos no relacionados, dieron lugar al concepto de una "barrera" que dificultaba que una aeronave superara la velocidad del sonido. ^{[ 10 ]} Los informes de prensa erróneos hicieron que la mayoría de la gente imaginara la barrera del sonido como un "muro" físico que las aeronaves supersónicas debían "romper" con una punta afilada en la parte delantera del fuselaje. Los productos de los expertos en cohetería y artillería superaban habitualmente Mach 1, pero los diseñadores de aeronaves y los aerodinamistas durante y después de la Segunda Guerra Mundial discutieron Mach 0,7 como un límite peligroso de superar. ^{[ 11 ]}

Durante la Segunda Guerra Mundial e inmediatamente después, se hicieron varias afirmaciones de que la barrera del sonido se había roto en un picado. La mayoría de estos supuestos eventos pueden descartarse como errores de instrumentación. El indicador de velocidad aerodinámica (ASI) típico utiliza las diferencias de presión del aire entre dos o más puntos de la aeronave, generalmente cerca de la nariz y en el costado del fuselaje, para producir una cifra de velocidad. A alta velocidad, los diversos efectos de compresión que conducen a la barrera del sonido también hacen que el ASI se vuelva no lineal y produzca lecturas inexactamente altas o bajas, dependiendo de las especificaciones de la instalación. Este efecto se conoció como "salto de Mach". ^{[ 12 ]} Antes de la introducción de los medidores de Mach , las mediciones precisas de velocidades supersónicas solo podían hacerse de forma remota, normalmente utilizando instrumentos terrestres. Se descubrió que muchas afirmaciones de velocidades supersónicas estaban muy por debajo de esta velocidad cuando se medían de esta manera.

En 1942, Republic Aviation emitió un comunicado de prensa en el que afirmaba que los tenientes Harold E. Comstock y Roger Dyar habían superado la velocidad del sonido durante picados de prueba en un Republic P-47 Thunderbolt . Existe un amplio consenso en que esto se debió a lecturas inexactas del indicador de velocidad aerodinámica (ASI). En pruebas similares, el North American P-51 Mustang demostró límites en Mach 0,85, y cada vuelo por encima de Mach 0,84 provocó daños en la aeronave por vibración. ^{[ 13 ]}

Uno de los números Mach instrumentados más altos registrados para un avión de hélice es Mach 0,891 para un Spitfire PR XI , volado durante pruebas de picado en el Royal Aircraft Establishment, Farnborough en abril de 1944. El Spitfire, una variante de reconocimiento fotográfico , el Mark XI, equipado con un sistema pitot múltiple de tipo "rake" extendido , fue pilotado por el comandante de escuadrón J.  R. Tobin a esta velocidad, correspondiente a una velocidad aerodinámica verdadera corregida (TAS) de 606 mph. ^{[ 14 ]} En un vuelo posterior, el comandante de escuadrón Anthony Martindale alcanzó Mach 0,92, pero terminó en un aterrizaje forzoso después de que el exceso de revoluciones dañara el motor. ^{[ 15 ]} 

Hans Guido Mutke afirmó haber roto la barrera del sonido el 9 de abril de 1945 en el avión a reacción Messerschmitt Me 262. Declaró que su indicador de velocidad del aire (ASI) marcó 1100 kilómetros por hora (680 mph) . Mutke informó no solo de vibraciones transónicas , sino también de la recuperación del control normal una vez superada cierta velocidad, seguida de una fuerte vibración una vez que el Me 262 redujo la velocidad. También informó de la parada del motor. ^{[ 16 ]} 

Esta afirmación es ampliamente cuestionada, incluso por pilotos de su unidad. ^{[ 17 ]} Se sabe que todos los efectos que reportó ocurren en el Me 262 a velocidades mucho menores, y la lectura del ASI simplemente no es confiable en la velocidad transónica. Además, una serie de pruebas realizadas por Karl Doetsch a petición de Willy Messerschmitt encontraron que el avión se volvía incontrolable por encima de Mach 0.86, y a Mach 0.9 se inclinaba hacia adelante en picada de la que no se podía recuperar. Las pruebas posteriores a la guerra realizadas por la RAF confirmaron estos resultados, con la ligera modificación de que la velocidad máxima utilizando nuevos instrumentos resultó ser Mach 0.84, en lugar de Mach 0.86. ^{[ 18 ]}

En 1999, Mutke solicitó la ayuda del profesor Otto Wagner de la Universidad Técnica de Múnich para realizar pruebas computacionales y determinar si la aeronave podía romper la barrera del sonido. Estas pruebas no descartan la posibilidad, pero carecen de datos precisos sobre el coeficiente de arrastre necesarios para realizar simulaciones exactas. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Wagner declaró: «No quiero excluir la posibilidad, pero puedo imaginar que también pudo haber estado justo por debajo de la velocidad del sonido y haber sentido las vibraciones, pero sin superar Mach 1». ^{[ 17 ]}

Una prueba presentada por Mutke se encuentra en la página 13 del "Manual del piloto del Me 262 A-1", publicado por el Cuartel General del Comando de Material Aéreo , Wright Field , Dayton, Ohio, como Informe No. F-SU-1111-ND el 10 de enero de 1946:

Se ha informado que se alcanzaron velocidades de 950 km/h (590 mph) en un picado suave de 20° a 30° con respecto a la horizontal. No se realizaron picados verticales. A velocidades de 950 a 1000 km/h (590 a 620 mph), el flujo de aire alrededor de la aeronave alcanza la velocidad del sonido, y se informa que las superficies de control ya no afectan la dirección del vuelo. Los resultados varían según el avión: algunos realizan un giro brusco y un picado, mientras que otros pican gradualmente. También se informa que, una vez superada la velocidad del sonido, esta condición desaparece y se restablece el control normal.

Los comentarios sobre la recuperación del control de vuelo y la eliminación de las vibraciones por encima de Mach 1 son muy significativos en un documento de 1946. Sin embargo, no está claro de dónde provienen estos términos, ya que no parece que los pilotos estadounidenses realizaran tales pruebas. ^{[ 19 ]}

En su libro de 1990, Me-163 , el ex piloto del Messerschmitt Me 163 "Komet", Mano Ziegler, afirma que su amigo, el piloto de pruebas Heini Dittmar , rompió la barrera del sonido mientras descendía en picado el avión cohete, y que varias personas en tierra oyeron los estallidos sónicos. Afirma que el 6 de julio de 1944, Dittmar, volando un Me 163B V18, con el código alfabético Stammkennzeichen VA+SP, fue medido viajando a una velocidad de 1130  km/h (702  mph). ^{[ 21 ]} Sin embargo, no existe evidencia de tal vuelo en ninguno de los materiales de ese período, que fueron capturados por las fuerzas aliadas y estudiados exhaustivamente. ^{[ 22 ]} Dittmar había sido registrado oficialmente a 1004,5  ​​km/h (623,8  mph) en vuelo horizontal el 2 de octubre de 1941 en el prototipo Me 163A V4 . Alcanzó esta velocidad con menos de la máxima potencia, ya que le preocupaba la turbulencia transónica. El propio Dittmar no afirma haber roto la barrera del sonido en ese vuelo y señala que la velocidad solo se registró en el AIS. Sin embargo, sí se atribuye el mérito de ser el primer piloto en "rozar la barrera del sonido". ^{[ 17 ]}

Hay varios vehículos no tripulados que volaron a velocidades supersónicas durante este período. En 1933, los diseñadores soviéticos que trabajaban en conceptos de estatorreactores dispararon motores de fósforo desde cañones de artillería para que alcanzaran velocidades operativas. Es posible que esto produjera un rendimiento supersónico de hasta Mach 2, ^{[ 23 ]} pero esto no se debió únicamente al motor en sí. Por el contrario, el misil balístico alemán V-2 rompió rutinariamente la barrera del sonido en vuelo, por primera vez el 3 de octubre de 1942. Para septiembre de 1944, los V-2 alcanzaban rutinariamente Mach 4 (1200 m/s, o 3044 mph) durante el descenso terminal.  

En 1942, el Ministerio de Aviación del Reino Unido inició un proyecto ultrasecreto con Miles Aircraft para desarrollar el primer avión del mundo capaz de romper la barrera del sonido. El proyecto dio como resultado el desarrollo del prototipo del avión Miles M.52 , propulsado por un turborreactor, que fue diseñado para alcanzar 1000 mph (417 m/s; 1600 km/h) (más del doble del récord de velocidad existente) en vuelo horizontal, y para ascender a una altitud de 36 000 pies (11 km) en 1 minuto y 30 segundos.       

Se incorporaron varias características avanzadas al diseño resultante del M.52, fruto de la consulta con expertos de organismos gubernamentales con conocimientos actualizados sobre aerodinámica supersónica . En particular, el diseño presentaba un morro cónico para reducir la resistencia supersónica ^{[ 24 ]} y bordes de ataque de las alas afilados. El diseño empleaba alas muy delgadas de sección biconvexa, propuestas por Jakob Ackeret para minimizar la resistencia . Las puntas de las alas estaban recortadas para evitar la onda de choque cónica generada por el morro de la aeronave. El fuselaje tenía un diámetro de 5 pies con un depósito de combustible anular alrededor del motor ^{[ 25 ] .}

Otra adición crítica fue el uso de un estabilizador accionado por potencia , también conocido como cola totalmente móvil , cola volante o cola totalmente volante , una clave para el control de vuelo transónico y supersónico, que contrastaba con los planos de cola articulados tradicionales (estabilizadores horizontales) conectados mecánicamente a la columna de control del piloto . Las superficies de control convencionales se volvieron ineficaces a las altas velocidades subsónicas que entonces alcanzaban los cazas en picado, debido a las fuerzas aerodinámicas causadas por la formación de ondas de choque en la articulación y el movimiento hacia atrás del centro de presión , que juntos podían anular las fuerzas de control que el piloto podía aplicar mecánicamente, dificultando la recuperación del picado. ^{[ 26 ] [ 27 ]} Un impedimento importante para el vuelo transónico temprano fue la inversión de control , el fenómeno que hacía que las entradas de vuelo (palanca, timón) cambiaran de dirección a alta velocidad; fue la causa de muchos accidentes y cuasi accidentes. Se requiere un estabilizador para que una aeronave pueda atravesar el rango de velocidad transónica de forma segura, sin que el piloto pierda el control. El Miles M.52 fue el primer ejemplo de esta solución, que desde entonces se ha aplicado universalmente.

Inicialmente, la aeronave iba a utilizar el motor más reciente de Frank Whittle , el Power Jets W.2/700 , con el que solo alcanzaría velocidad supersónica en picado suave. Para desarrollar una versión totalmente supersónica de la aeronave, se proporcionaría empuje adicional con la adición del aumentador n.° 4, que proporcionaba un flujo de aire adicional desde un ventilador entubado y recalentaba detrás del ventilador. ^{[ 28 ]}

Aunque el proyecto finalmente se canceló, la investigación se utilizó para construir un modelo a escala del 30% sin tripulación del M.52 que logró una velocidad de Mach 1,38 en un exitoso vuelo de prueba transónico y supersónico controlado en octubre de 1948; este fue un logro único en ese momento que proporcionó "cierta validación de la aerodinámica del M.52 en la que se basaba el modelo". ^{[ 29 ]}

Mientras tanto, los pilotos de prueba lograron altas velocidades en el de Havilland DH 108, un avión sin cola y de ala en flecha . Uno de ellos fue Geoffrey de Havilland, Jr. , quien murió el 27 de septiembre de 1946 cuando su DH 108 se desintegró a aproximadamente Mach 0,9. ^{[ 30 ]} John Derry ha sido llamado "el primer piloto supersónico de Gran Bretaña" ^{[ 31 ]} debido a un picado que realizó en un DH 108 el 6 de septiembre de 1948.

El Ministerio del Aire británico firmó un acuerdo con Estados Unidos para intercambiar todos sus datos y diseños de investigación de alta velocidad, incluidos los del M.52, ^{[ 32 ]} por investigación estadounidense equivalente, pero Estados Unidos incumplió el acuerdo y no se obtuvo nada a cambio. ^{[ 33 ]}

El Bell X-1 , el primer avión tripulado estadounidense construido para romper la barrera del sonido, era visualmente similar al Miles M.52 , pero con una cola horizontal de montaje alto para evitar la estela de las alas. En comparación con la cola totalmente móvil del M.52, el X-1 utilizaba una cola convencional con elevadores, pero con un estabilizador móvil para mantener el control al atravesar la barrera del sonido. Fue en el X-1 que Chuck Yeager se convirtió en la primera persona en lograrlo en vuelo nivelado el 14 de octubre de 1947, volando a una altitud de 45 000  pies (13,7  km). George Welch hizo una afirmación plausible, aunque oficialmente no verificada, de haber roto la barrera del sonido el 1 de octubre de 1947, mientras volaba un North American XP-86 (más tarde conocido como F-86 Sabre). Welch también afirmó haber repetido su vuelo supersónico el 14 de octubre de 1947, 30 minutos antes de que Yeager rompiera la barrera del sonido en el Bell X-1. Aunque las pruebas aportadas por testigos e instrumentos sugieren firmemente que Welch alcanzó la velocidad supersónica, los vuelos no fueron debidamente supervisados ​​y no están reconocidos oficialmente. El XP-86 alcanzó oficialmente la velocidad supersónica el 26 de abril de 1948. ^{[ 34 ]}

El 14 de octubre de 1947, poco menos de un mes después de la creación de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos como servicio independiente, las pruebas culminaron con el primer vuelo supersónico tripulado, pilotado por el capitán de la Fuerza Aérea Charles "Chuck" Yeager en la aeronave n.° 46-062, a la que bautizó como Glamorous Glennis . La aeronave propulsada por cohetes fue lanzada desde la bodega de bombas de un B-29 especialmente modificado y planeó hasta aterrizar en una pista. El vuelo n.° 50 del XS-1 es el primero en el que el X-1 registró un vuelo supersónico, con una velocidad máxima de Mach 1,06 (361  m/s, 1299  km/h, 807,2  mph).

Como resultado del primer vuelo supersónico del X-1, la Asociación Nacional de Aeronáutica (NACA) decidió que el Trofeo Collier de 1947 se compartiera entre los tres principales participantes del programa. El presidente Harry S. Truman homenajeó en la Casa Blanca a Larry Bell por Bell Aircraft, al capitán Yeager por pilotar los vuelos y a John Stack por sus contribuciones a la NACA . ^{[ 35 ]}

Jackie Cochran was the first woman to break the sound barrier, which she did on 18 May 1953, piloting a plane borrowed from the Royal Canadian Air Force, with Yeager accompanying her.^[36]

On December 3, 1957, Margaret Chase Smith became the first woman in Congress to break the sound barrier, which she did as a passenger in an F-100 Super Sabre piloted by Air Force Major Clyde Good.^[37]

In the late 1950s, Allen Rowley, a British journalist, was able to fly in a Super Sabre at 1000 mph, one of the few non-American civilians to exceed the speed of sound and one of the few civilians anywhere to make such a trip.^[38]

On 21 August 1961, a Douglas DC-8-43 (registration N9604Z) unofficially exceeded Mach 1 in a controlled dive during a test flight at Edwards Air Force Base, as observed and reported by the flight crew; the crew were William Magruder (pilot), Paul Patten (co-pilot), Joseph Tomich (flight engineer), and Richard H. Edwards (flight test engineer).^[39] This was the first supersonic flight by a civilian airliner, achieved before the Concorde or the Tu-144 flew.^[39]

As the science of high-speed flight became more widely understood, a number of changes led to the eventual understanding that the "sound barrier" is easily penetrated, with the right conditions. Among these changes were the introduction of thin swept wings, the area rule, and engines of ever-increasing performance. By the 1950s, many combat aircraft could routinely break the sound barrier in level flight, although they often suffered from control problems when doing so, such as Mach tuck. Modern aircraft can transit the "barrier" without control problems.^[40]

A finales de la década de 1950, el tema se comprendía tan bien que muchas empresas comenzaron a invertir en el desarrollo de aviones supersónicos, o SST , creyendo que ese era el siguiente paso "natural" en la evolución de la aviación comercial. Sin embargo, esto aún no ha sucedido. Si bien el Concorde y el Tupolev Tu-144 entraron en servicio en la década de 1970, ambos fueron retirados posteriormente sin ser reemplazados por diseños similares. El último vuelo de un Concorde en servicio fue en 2003. A pesar de un resurgimiento del interés en la década de 2010, a fecha de 2024 no hay aviones supersónicos comerciales en servicio. ^{[ 41 ]}

Aunque el Concorde y el Tu-144 fueron los primeros aviones en transportar pasajeros comerciales a velocidades supersónicas, no fueron los primeros ni los únicos aviones comerciales en romper la barrera del sonido. El 21 de agosto de 1961, un Douglas DC-8 rompió la barrera del sonido a Mach  1,012, o 1240  km/h (776,2  mph), mientras realizaba un picado controlado a través de 12  510 m (41 088 pies  ). El propósito del vuelo era recopilar datos sobre un nuevo diseño de borde de ataque para el ala. ^{[ 42 ]}

El 12 de enero de 1948, un trineo cohete no tripulado de Northrop se convirtió en el primer vehículo terrestre en romper la barrera del sonido. En una instalación de pruebas militares en la Base de la Fuerza Aérea Muroc (ahora Base de la Fuerza Aérea Edwards ), California , alcanzó una velocidad máxima de 1019  mph (1640  km/h) antes de salirse de la pista. ^{[ 43 ] [ 44 ]}

El 15 de octubre de 1997, a bordo de un vehículo diseñado y construido por un equipo liderado por Richard Noble , el piloto de la Real Fuerza Aérea, Andy Green, se convirtió en la primera persona en romper la barrera del sonido en un vehículo terrestre, cumpliendo con las normas de la Federación Internacional del Automóvil (FIA ). El vehículo, denominado ThrustSSC ("Super Sonic Car"), logró el récord 50 años y un día después del primer vuelo supersónico de Yeager .