VOLAR A MÁS DE MACH 1

En los modelos convencionales subsónicos, el efecto de la velocidad del sonido no resulta un factor muy importante. Tan sólo se tiene en cuenta a la hora de determinar qué esfuerzo puede soportar el avión durante una aceleración brusca, por ejemplo durante el transcurso de un picado. No obstante en los aparatos supersónicos es un factor clave para su diseño y construcción. Uno de los campos de la aviación donde más aparatos supersónicos hay es en la aviación militar, y son sobretodo los cazas los aviones más interesados en alcanzar altas velocidades.

El sonido se desplaza a unos 340 m/s (~1.220 km/h) al nivel del mar. Se define el número de "Mach", en honor a Ernst Mach, el físico austríaco que calculó de manera aproximada la velocidad del sonido. Es la relación entre la velocidad a la que se vuela respecto a la del sonido. Mach es por tanto un número adimensional (sin unidades de magnitud). Por ejemplo, Mach 1 significa volar a 1.220 km/h y si el sonido viaja a la misma velocidad, el cociente es igual a 1. No obstante, la proporción varía con la temperatura y para alcanzar un mismo número de Mach hacen falta menos kilómetros por hora a gran altitud que a ras de suelo. Entre el nivel del mar y los 10.000m de altura la velocidad del sonido desciende con la misma proporción y entre los 10.000m y los 20.000m se mantiene prácticamente constante a 1.062km/h.

Veamos ahora, cómo se comporta un avión al volar a diferentes velocidades. Supongamos un punto estático que emite continuamente ondas de presión, o para decirlo de otra manera, ondas sonoras. Cada onda se aleja del punto siempre a la misma velocidad, a la velocidad del sonido.
Si este punto que puede ser un avión se desplaza a su vez a una velocidad inferior a la del sonido (Figura 1, desplazamiento hacia la izquierda), las ondas sonoras tienen tiempo dada su mayor velocidad de alejarse de él; el vuelo se dice que es subsónico.

Figura 1. El vuelo subsónico, velocidad inferior a Mach 1.

Si el punto se desplaza a la velocidad del sonido (Figura 2), las ondas de presión o sonoras (comúnmente denominadas ondas de choque) no pueden alejarse del punto y se acumulan perpendicularmente a la dirección de desplazamiento y el vuelo se dice que es transónico. Dicho acumulamiento es la famosa "barrera del sonido". El efecto aerodinámico de estas ondas de choque produce un aumento considerable de la resistencia del aire y hace disminuir la eficacia de las superficies de control y por lo tanto de los mandos de vuelo.

Figura 2. El vuelo transónico, velocidad igual a Mach 1.

Cuando el avión vuela más deprisa que la velocidad del sonido, las ondas sonoras se desplazan hacia atrás formando un cono tridimensional. El efecto asociado a sobrepasar Mach 1 es el denominado "Bang" o estampido sónico, ya que las ondas sonoras no pueden dispersarse hacia delante y son irradiadas hacia atrás con el efecto, visto desde tierra, de una bomba sónica, debido al brusco cambio de presión del aire.
Un avión que vuela a velocidad supersónica crea poderosas ondas de choque, que una vez que llegan a tierra son capaces de descascarillar techos, romper cristales y agrietar paredes. Éstas son quizás las causas principales, además del molesto ruido, que prohíbe los vuelos supersónicos sobre áreas habitadas. Tan sólo se permiten este tipo de vuelos sobre los mares y océanos.

Figura 3. Vuelo supersónico, velocidad mayor que Mach 1.

En 1964, la Administración Federal de Aviación (FAA) había patrocinado un experimento denominado "Operación Bongo Mark 2", en el que los bombarderos supersónicos B-58 Hustler de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos sometieron a los 324.000 habitantes de la ciudad de Oklahoma a 1.254 estampidos sónicos durante un periodo de cinco meses. Antes de que finalizase el ensayo, se habían recibido 15.000 quejas. Una gran parte de ellas eran fraudulentas, pero muchas otras no; se tuvieron que pagar más de 200.000 dólares en daños. Dicho experimento tendría un profundo efecto en el desarrollo del SST estadounidense: a las protestas medioambientales se les unieron, por conocimiento propio, las de aquellos que experimentaron los estampidos sónicos sobre sus cabezas.

Más experiencias con la velocidad del sonido

Las experiencias con las velocidades transónicas empezaron mucho antes del nacimiento del Concorde. Durante la Segunda Guerra Mundial, la velocidad representaba un factor clave. Cada una de las potencias implicadas pretendía tener el interceptor más rápido y eficaz. Algunos países se toparon con problemas de diseño por culpa de las ondas de choque.

En los Estados Unidos se investigó sobre los problemas de las ondas de choque en los cazas bimotores Lockheed P-38 Lightning. La versión de aquel momento, el P-38F, padecía según sus pilotos de problemas de control a altas velocidades. Los P-38F los empleaban en aquel momento las fuerzas aéreas norteamericanas en el Norte de África contra los alemanes e italianos y contra Japón en el Pacífico. El avión era capaz de alcanzar altas velocidades, más de 640 km/h, tanto como los Messerschmitt 109 alemanes y más que los Cero japoneses. Aunque la velocidad del sonido aún quedaba lejana, el P-38 podía alcanzar grandes velocidades al realizar picados. Algunos pilotos sostienen haber sobrepasado los 800km/h en muy duras condiciones.
Una mañana de 1941, el piloto de pruebas Ralph Virden despegó para comprobar por él mismo el estado del P-38 en el transcurso de un picado. La gente que estaba en tierra observó cómo el avión perdió el estabilizador trasero y se estrellaba contra el suelo, matando a su piloto.
Para evitar que en combate ocurriera esto durante bombardeos en picado y demás, se diseñó una nueva versión, el P-38J, la cual estaba equipada con unos frenos de picado, que impedían que el avión se desintegrara al descender cada vez a mayor velocidad. Aunque realmente estos frenos no solucionaban el problema; tan sólo se conseguía alejarse de él.

Un P-38 con los colores de las fuerzas aéreas de los Estados Unidos en
tiempos de paz. Este ejemplar se conserva en perfecto estado de vuelo.

Gran Bretaña también experimentó por su cuenta el problema de las velocidades transónicas en combate. Durante los primeros meses de la guerra, los pilotos de la RAF descubrieron que sus cazas Spitfire se hacían casi incontrolables cuando sobrepasaban los 600 km/h.

En 1942, tres cazabombarderos Hawker Typhoon de la RAF que se encontraban sobre Francia realizando una misión de patrulla, avistaron a unos cazas alemanes Messerschmitt 109. Los Typhoon eran aviones que se empleaban para el ataque al suelo y el apoyo cercano, y aunque se diseñaron como cazas, su techo máximo era bastante bajo, no más de 6.000 metros. No obstante, por debajo de esa altitud, el avión era un caza espectacular y estaba muy bien armado, con cuatro cañones de 20mm. Los tres Typhoon se lanzaron sobre los aviones alemanes desde una altura mayor que ellos. Los alemanes también los avistaron, y para su sorpresa, vieron que dos de los aviones británicos cayeron a tierra tras haber perdido el control. El otro Typhoon abandonó la zona de inmediato.

Después de la guerra, se sabría que tanto esta experiencia como la de los P-38, se debieron a que los aviones que no estaban adecuadamente diseñados, podían tener fatales encuentros con sus propias ondas de choque, y que éstas no aparecían tan sólo cuando el avión entero alcanzaba Mach 1; hoy se sabe que las diferentes partes de un avión no vuelan todas a la misma velocidad.

Y estos otros en tiempos de guerra. Un escuadrón de los Typhoon
de la Royal Air Force, en misión de patrulla sobre la costa francesa
el día del desembarco británico en Sword, el 6 de junio de 1944.

Los alemanes tuvieron sus propias experiencias. En los meses previos a la guerra, algunos aviones Messerschmitt 209, la versión promocional del famoso caza Me-109, se estrellaron cuando volaban a alta velocidad. El Me-209 se llevó el récord de velocidad a finales de los años 30 al volar a 752 km/h. Como sus homólogos los Spitfires británicos, los Me-109 sufrían aun más si cabe el problema de las altas velocidades.

Tres cazas Messerschmitt 109G en el verano de 1943. El Me-109 fue uno de
los cazas más numerosos de toda la historia, con más de 35.000 unidades.

Sin embargo, es para los alemanes el honor de haber roto la barrera del sonido por primera vez en la historia, con su misil balístico V-2. Aunque no era un avión, este cohete innovador se convirtió en octubre de 1942 en el primer objeto construido por el hombre que rompía la barrera del sonido y salía de la atmósfera terrestre. También fueron los alemanes los únicos en construir el avión más rápido de la guerra, el Messerschmitt 163 Komet, interceptor propulsado por cohete. Este avión, aunque es mucho más pequeño, guarda un enorme parecido con el Concorde, ya que fue de los pioneros en utilizar las alas delta y en emplear los "elevones", unas superficies de control que actúan de manera diferencial, haciendo el mismo papel que los alerones y superficies de cola de los aviones convencionales. El 163, no pasó la barrera del sonido, pero estuvo bien cerca ya que podía alcanzar cerca de 1.000 km/h y en su primer vuelo a alta velocidad, su piloto Heini Dittmar, estuvo a punto de morir tras perder el control. Se sospechó que fueron las ondas de choque las culpables, pero afortunadamente para Dittmar, las Gs negativas cortaron el suministro de combustible y pudo hacerse de nuevo con el control del avión.

Un cohete V2 capturado por las fuerzas norteamericanas.

Un Komet despega dejando una estela de humo blanco.

La compañía Messerschmitt entregó a la Luftwaffe, la fuerza aérea alemana, el mejor si cabe de todos los cazas de la guerra. El Me-262 a reacción era un diseño sobresaliente, con alas en flecha positiva y turborreactores Junkers. En crucero, podía volar a 870 km/h dejando totalmente atrás al brillante P-51D Mustang de los Estados Unidos. El 262 si se lanzaba en picado podía alcanzar cerca de 1.020 km/h, pero a partir de ese momento el avión se hacía incontrolable con unas vibraciones tremendas y los mandos se volvían completamente inoperativos. El 262 fue el avión que abrió una nueva era en la aviación, en la que condenó a todos los aviones militares con alas rectas y propulsados por motores de pistón.

El Messerschmitt 262 fue el mejor de todos los cazas
de la Segunda Guerra Mundial, dada su tecnología.

También los rusos y los japoneses comprobaron que sus aviones perdían eficacia a alta velocidad. Entre ellos, el Mitsubishi Cero japonés era el avión más maniobrable de toda la guerra volando por debajo de los 400 km/h. Pero a partir de 600 km/h el avión no respondía a los mandos prácticamente.