...En el divergente de una tobera supersónica (por ejemplo, bidimensional), el gas se acelera:
..Arriba se muestran las ondas de Mach en el divergente de un propulsor de cohete. Estas ondas parecen reflejarse en la pared. Esto está relacionado con una condición de compatibilidad respecto al flujo en la pared: la bisectriz interior de las dos ondas de Mach, o características, representa la dirección del flujo, que debe ser tangente a la pared.
...La velocidad del sonido se alcanza en la garganta. Aguas arriba, el gas está a velocidad subsónica. Se acelera en el divergente y la presión disminuye. Un motor de cohete funcionará con un rendimiento tanto mejor cuanto más elevada sea la velocidad de eyección. Pero existe una contrapartida: también es necesario que los gases sean eyectados a una presión igual a la presión ambiente, a la altitud donde operan dichos propulsores. A esto se le denomina «adaptación de la tobera». Si el divergente es demasiado pronunciado, el gas será eyectado a una presión inferior a la presión ambiente (atmosférica) y aparecerán ondas de choque de recompresión. Las ondas de Mach también se denominan «características» del flujo. En un motor de cohete, con simetría de revolución, estas ondas de Mach son cónicas. Esto significa que en cualquier punto de la tobera, si se dispusiera un obstáculo fijo, del tamaño de un grano de arena, generaría una onda de Mach de forma cónica.
..El vector velocidad correspondería entonces al semiangulo en el vértice del cono. Cuanto mayor sea el número de Mach, más agudo será este cono de Mach.
...Los motores a reacción de los aviones están equipados con toberas de sección variable, cuyo divergente se abre progresivamente a medida que aumenta la altitud y disminuye la presión ambiente.
..Los divergentes de las toberas de los motores a reacción están dotados de «pétalos» que se abren mediante actuadores hidráulicos, a medida que la presión disminuye, lo cual está controlado directamente por una medición barométrica. Dado que la velocidad de eyección es más elevada, estos motores tienen un mejor rendimiento a gran altitud.
...Pero volvamos a nuestro canal. ¿Qué ocurre cuando la curva se presenta así:
...A la izquierda, el «convergente» no es demasiado pronunciado. Las características (ondas de Mach) tienden a estrecharse, pero no se cruzan (salvo fuera del propio flujo). Hay una disminución del «número de Mach local», de la velocidad, y un aumento de la altura de agua (equivalente a la presión en un gas).
...A la derecha, la curva es demasiado pronunciada. Las ondas de Mach tienden a cruzarse. Aparece un «resalto» líquido, análogo a una onda de choque en un gas. El flujo experimenta una discontinuidad. Aguas abajo de la onda de choque, la velocidad disminuye bruscamente al atravesar el resalto-onda.
..La proa de un buque también es un «convergente». Si el buque se desplaza a una velocidad baja, inferior a la velocidad de propagación de las ondas de superficie (por tanto, en régimen «subsónico»), las ondas de Mach no existen. Correlativamente, el nivel del agua permanece constante.
...A velocidades más altas (V > a), se puede calcular, mediante un ordenador, la geometría de las ondas de Mach teóricas en un flujo bidimensional. Se observa que se cruzan y tienden a focalizarse:
...En el dibujo anterior, se han calculado las ondas de Mach teóricas en un flujo gaseoso, resolviendo las ecuaciones de la mecánica de fluidos (Navier-Stokes) alrededor de un perfil de ala lenticular, sumergido en una corriente gaseosa supersónica, con ayuda de un ordenador (1979). Se observa que las ondas de Mach tienden a focalizarse. Solo se ha representado una familia de ondas. Estos lugares de focalización son los «lugares de nacimiento» de las ondas de choque. En efecto, estas ondas de Mach son pequeñas ondas de compresión. El flujo anterior no es, por tanto, físicamente realista. Nótese la presencia de dos abanicos de expansión en los flancos del perfil. Aparecerán, por tanto, dos sistemas de ondas de choque:
..Aguas abajo de las ondas de choque, el gas está «chocado», recomprimido, y su velocidad disminuye. Este fenómeno se produce en un espesor muy pequeño: unas centésimas de milímetro.
..Aguas abajo de la onda de choque frontal, tras haber sido desacelerado bruscamente, el gas se reacelera de forma continua, según un «abanico de expansión». Incluso se «sobreacelera», hasta el punto de que una segunda onda de choque, denominada onda de choque de cola, debe establecerse en el borde de salida del perfil para restablecer, aguas abajo, la presión ambiente, según el principio evocado en mi cómic «Le Mur du Silence» (véase el «CD-Lanturlu»):
Se ruega dejar el gas en el estado en que se encontró al entrar.
..El vector velocidad también sufre una discontinuidad en dirección si el borde de ataque es diedro:
(fenómeno análogo en el borde de salida si este también tiene forma de diedro).
...Veamos qué da esto en analogía hidráulica.
...Se observa que la sobreaceleración del agua en los flancos del buque hace aparecer la parte del casco situada en reposo por debajo de la línea de flotación.
...Estos sistemas de ondas (en flujo gaseoso o en estos flujos líquidos con superficie libre) modifican la distribución de la presión alrededor del perfil o del casco. De ello resulta una resistencia de onda que se suma a la resistencia por fricción. Durante un crucero supersónico (como, por ejemplo, durante un vuelo del Concorde), la resistencia de onda se vuelve tan importante que excede ampliamente la resistencia por fricción. El vuelo supersónico es, por tanto, gran consumidor de energía y las aeronaves deben estar equipadas con motores potentes. Asimismo, estos vuelos supersónicos solo pueden realizarse a gran altitud; de lo contrario, la resistencia de onda sería prohibitiva. Un avión a reacción apenas puede superar Mach 1,2 a ras de suelo.
¿Adónde va esta energía? Se disipa de dos maneras. Los artefactos supersónicos crean un «bang» muy intenso, que distribuye esta energía muy lejos de ellos, del mismo modo que la onda de choque creada por un explosivo disipa su energía a gran distancia. La onda de choque también provoca un calentamiento del aire, pero la disipación en forma sonora es mayoritaria.
..Hemos presentado aquí un sistema de «ondas adheridas». Si la parte frontal del aparato es roma (morro o bordes de ataque de las alas y del empenaje, en el caso del transbordador espacial), la onda de choque se establece a cierta distancia del objeto. Como la velocidad es nula en el «punto de estancamiento» del flujo, este se vuelve subsónico aguas abajo de la onda, y luego se produce la reaceleración.
..La recompresión del gas, aguas abajo de una onda de choque, va acompañada de un calentamiento. La temperatura en el «punto de estancamiento» aumenta muy rápidamente con el número de Mach (como su cuadrado). Los aviones supersónicos sufren, por tanto, en sus partes frontales (morro, bordes de ataque), fuertes cargas térmicas. Aunque esto conlleva un aumento de la resistencia, los morros o bordes de ataque deben ser romos a números de Mach muy elevados (régimen hipersónico) para repartir el flujo de calor. Recuérdese el morro muy romo de un artefacto experimental como el X-15.
..En el caso de cuerpos de reentrada, esto no es un problema, pues se busca precisamente el frenado. Las cápsulas de reentrada rusas son simplemente esféricas. Las cápsulas estadounidenses presentan un importante «escudo térmico», donde se produce una ablación parcial del material (no están diseñadas para servir más que unos pocos minutos y deben ser reemplazadas tras cada reentrada, si la cápsula es reutilizada).
...En 1975 nos planteamos el problema de una posible evolución supersónica, e incluso hipersónica (hasta Mach 15) en aire denso, a ras de los tejados. Con un sistema convencional (propulsor cohete o motor a reacción, tipo estatorreactor, más escudo térmico, o partes frontales refrigeradas con helio líquido), estos cruceros a muy alta velocidad son totalmente inviables. Ningún sistema podría soportar tal flujo de calor ni proporcionar el empuje necesario para vencer una resistencia de onda tan importante.
...Fui el primero en sugerir que la MHD podría resolver este problema (nota en los Comptes Rendus de la Academia de las Ciencias de 1975 y artículo en Science et Vie en 1976). Resulta bastante chocante ver a ciertos grupos de personas apropiarse de esta idea, sin la menor cita de este trabajo pionero, y cuando un antiguo técnico, perfectamente incompetente en la materia, declara en televisión, como muy recientemente:
..- Ahora sabemos cómo hacer evolucionar artefactos a velocidad supersónica sin que creen onda de choque.
la cosa se vuelve simplemente ridícula. Pero digamos que esto es bastante corriente en los medios técnico-científicos.
..Desde 1975 nos preguntamos, pues, cómo podrían eliminarse directamente las ondas de choque, creadoras tanto de un fuerte flujo de calor como de una fuerte resistencia de onda. Para abordar este problema, es necesario comprender bien por qué se forman estas ondas de choque.
..Cuando un objeto penetra en una masa gaseosa a velocidad subsónica, son las ondas sonoras las que «avisan» al gas de su llegada. Cuando un objeto, incluso romo, penetra en un gas a velocidad subsónica, este comienza a apartarse mucho antes de que el objeto esté sobre él:
