¿Estamos en la eficiencia de velocidad máxima para aviones a reacción en Mach 0,85?

Respuesta corta: el aumento de los precios del combustible habría reducido la velocidad más económica, pero los avances en la aerodinámica lo han compensado y el número máximo de Mach de crucero todavía está en Mach 0,85. Pero hay una razón mucho más simple por la que este número de Mach 0,85 parece tan inmutable.

Tenga en cuenta que estamos hablando del número máximo de Mach de crucero; todos los aviones volarán de forma más económica con números de Mach ligeramente más bajos, entre 0,78 y 0,82.

Ahora necesitamos definir la eficiencia. Para los aviones comerciales, esta es la capacidad de transporte por tiempo y puede expresarse mediante el producto de la carga útil, el alcance y la velocidad. Cuando ninguno de los tres constituyentes se puede cambiar sin hacer que el producto sea más costoso de lograr, ha alcanzado el punto de mayor eficiencia.

Tecnología del motor

El cambio más grande en los últimos 50 años fue en la tecnología del motor. Las relaciones de derivación han aumentado a valores cercanos a 10, la temperatura de entrada de la turbina es ahora 300°C más alta que en la era de los primeros jets y el control electrónico ha mejorado especialmente el rendimiento fuera de diseño de los motores. Esto ha hecho que sea menos atractivo aumentar la velocidad de vuelo, por lo que el Mach de crucero óptimo sería menor si no hubiera influido ningún otro efecto.

Otro efecto es el menor consumo de combustible. Los primeros diseños tenían que usar una cuerda de ala alta para empacar suficiente volumen de combustible para vuelos transoceánicos. El consumo mucho menor de los motores modernos les ha proporcionado autonomías superiores a las necesarias para llegar directamente a todos los puntos del planeta. Esto hizo posible reducir el área, el grosor y la masa del ala, y ahorrar algo de fricción, lo que ayudó nuevamente a ahorrar combustible. El grosor más bajo ayuda a hacer posibles números de Mach de crucero más altos.

Aerodinámica

La aerodinámica es el segundo factor. Con el A310 se introdujeron superficies aerodinámicas supercríticas y aumentaron el número de Mach operativo porque ahora se podía tolerar una región limitada de flujo supersónico en el ala sin un aumento significativo en la resistencia. Sin embargo, el beneficio de eso se usó para reducir el barrido del ala, aumentar el grosor del perfil aerodinámico y unir fuselajes más grandes a esas alas. Al final, los aviones más nuevos tenían los mismos números Mach de crucero que sus predecesores. Algo hizo que Mach 0.85 fuera demasiado atractivo para abandonarlo.

Un segundo efecto de los perfiles aerodinámicos supercríticos es su nariz más roma, lo que ayuda a alcanzar un coeficiente de sustentación máximo más alto. Esto también contribuyó a reducir la cuerda del ala, porque ahora el área del ala podría hacerse más pequeña para la misma velocidad de aterrizaje.

La verdadera razón

Cada nuevo avión comercial debe competir con los modelos más antiguos. En cuanto a la economía de combustible, esto no es un problema, pero la velocidad también es importante . Un número de Mach de crucero más alto permite tiempos más cortos para las conexiones. Ahora tienes que saber que los sistemas electrónicos de reservasenumeraría las conexiones ordenadas por tiempo de vuelo, primero las más cortas. Cuando un agente de viajes quería reservar un vuelo, rara vez miraba más allá de la primera pantalla y elegía uno de los primeros vuelos enumerados. Si un nuevo tipo hizo que el vuelo se deslizara hacia abajo en los listados, era un no vendedor. Esto es cierto incluso en los tiempos de las reservas en línea: las aerolíneas no obtienen muchas ganancias de los cazadores de gangas en Economy, su objetivo son los empresarios que vuelan en Business o First Class. Y esos todavía ordenan principalmente a través de agencias de viajes, por lo que las reglas no han cambiado. Esta es la razón por la que la velocidad de Mach 0,85 parece estar tan firmemente establecida; volar más rápido aumentaría el consumo de combustible de manera desproporcionada, e incluso los aviones más nuevos volarán en su mayoría alrededor de Mach 0,82 a Mach 0,84.

Hacer posible esta velocidad sigue siendo una lucha para los ingenieros de diseño, especialmente cuando se considera que los aviones más grandes necesitarían alas más gruesas para la eficiencia estructural, pero deben equiparse con alas más delgadas que las óptimas para permitir que el marketing reclame una velocidad de crucero de Mach 0,85.

No es nada inherente sobre Mach 0.85; es Mach 1 ese es el problema. La razón por la que los aviones comerciales suelen estar entre Mach 0,8 y Mach 0,9 se debe al número de Mach crítico del fuselaje en cuestión. Cuando la velocidad aerodinámica relativa de toda la aeronave está en el número de Mach crítico, habrá alguna parte de la estructura del avión donde el flujo de aire realmente alcance Mach 1. Esto se debe a la aceleración del aire alrededor de la estructura de la aeronave a medida que la estructura se mueve por el aire. El número de Mach crítico será diferente para diferentes fuselajes, pero suele ser el factor limitante para la velocidad de crucero de los aviones. Esta pregunta explica más sobre el número de Mach crítico.

Más o menos.

El problema es el "número de Mach crítico" de la forma en planta del ala. La mayoría de las alas tienen una superficie superior curva, lo que obliga al aire que se mueve sobre ese lado del ala a moverse más rápido, lo que reduce su presión y produce sustentación. A una velocidad aerodinámica de avance de todo el perfil aerodinámico cercana pero inferior a Mach 1, el flujo de aire sobre la parte superior del perfil aerodinámico excede Mach 1 cuando pasa sobre el borde de ataque del ala, luego vuelve a disminuir a velocidades subsónicas alrededor de la cresta del ala. Este flujo de aire "transsónico" aumenta la resistencia aerodinámica de la aeronave a velocidades aerodinámicas entre el número de Mach crítico y la velocidad a la que todo el flujo de aire sobre cada superficie de la aeronave es supersónico (cuando el flujo de aire transsónico ya no es un problema, pero otras velocidades aerodinámicas de vanguardia y de estela fuerzas llegan a dominar la resistencia total).

Los aviones comerciales a veces superan el número de Mach crítico de sus alas, produciendo una onda de choque que es visible como una perturbación óptica similar a un espejismo o, si las condiciones son las adecuadas, como una columna de vapor:

Los aviones de combate que aceleran más allá de Mach 1 comúnmente crean "conos de vapor" que comienzan en el borde transsónico de su flujo de aire, causado cuando la alta variación en la presión del aire en este borde de onda de choque transsónico obliga al vapor de agua a condensarse:

El número de Mach crítico está determinado por el diseño de la forma en planta. Las alas con secciones transversales más gruesas producen más sustentación por menos área (y más resistencia inducida por esa sustentación) y generalmente también tienen un ángulo de ataque más alto (lo que significa que, en igualdad de condiciones, una velocidad de pérdida más baja), pero la compensación es una menor número de Mach crítico. Lo contrario es cierto para una sección transversal más delgada; el número de Mach crítico aumenta, mientras que la sustentación, la resistencia y el AoA crítico se reducen.