O que acontece quando as aeronaves excedem a velocidade do som?

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Se você foi um dos poucos privilegiados a voar no Concorde ou não, provavelmente está familiarizado com o estrondo sônico que a aeronave criou ao viajar mais rápido que a velocidade do som. Isso, é claro, limitou o uso da aeronave em terra, prejudicando significativamente sua popularidade e limitando-a essencialmente a voos transatlânticos. Alcançando velocidades de duas vezes a velocidade do som (Mach 2,01), viajar entre Nova York e Londres poderia ser feito em menos de três horas.

Concorde não foi o primeiro avião supersônico. Esse título pertence ao Tupolev Tu-144, que fez seu primeiro voo em dezembro de 1968, dois meses antes do jato anglo-francês. No entanto, um acidente espetacular no Paris Air Show de 1973, problemas de confiabilidade e desenvolvimento, bem como o aumento dos preços do combustível, tornaram a aeronave essencialmente comercialmente inoperante.

Voando mais rápido que o som

O voo supersônico foi alcançado pela primeira vez em 1947 com um protótipo militar americano da aeronave Bell X-1. Desde então, tornou-se comum em aeronaves militares, mas apenas as duas aeronaves comerciais mencionadas acima conseguiram.

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O Concorde operou voos comerciais durante 27 anos, tendo entrado em serviço em 1976 com a British Airways e a Air France . Apenas 14 aeronaves voaram para essas duas companhias aéreas, apesar das opções iniciais para cerca de 100 aeronaves de 18 transportadoras diferentes.

Alcançar velocidades supersônicas foi uma conquista de engenharia impressionante para uma aeronave tão grande. As adaptações de design incluíram um design de asa delta, motores turbojato aprimorados com pós-combustores para reaquecer o escapamento, um nariz ajustável para reduzir o arrasto e tinta reflexiva para desviar o calor.

O Tu-144 era ainda mais ineficiente (dependendo de pós-combustores em todos os voos para velocidade supersônica) e só serviu uma rota comercial de Moscou a Almaty no Cazaquistão. A Aeroflot encerrou o serviço de passageiros em 1978 após um acidente. Depois disso, a aeronave foi usada para voos de pesquisa e de carga antes de ser finalmente aposentada em 1999. Tupolev construiu 16 do tipo.

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Rompendo a barreira do som

Uma das características do voo supersônico é o 'boom sônico' que ocorre quando a aeronave ultrapassa a velocidade do som. Esse ruído alto tem sido uma limitação severa para aeronaves supersônicas, com muitos países (incluindo os EUA) não permitindo voos supersônicos sobre terra.

Um estrondo sônico é na verdade uma onda de choque que é produzida quando um objeto, neste caso, uma aeronave, viaja mais rápido que a velocidade do som. Apesar do nome, não é um estrondo único, mas sim contínuo, seguindo a aeronave. No entanto, quando a velocidade aumenta, o impacto no solo diminui à medida que o 'cone' das ondas de choque se aperta.

O estrondo sônico ocorre quando a aeronave atinge a velocidade do som, ou Mach 1, em relação ao ar circundante - não medido em velocidade no solo. Isso ocorre porque a velocidade do som muda com a altitude e a temperatura. Ao nível do mar e em condições atmosféricas normais, a velocidade do som é de 345 metros por segundo (equivalente a 770 mph ou 1239 km/h). A 35.000 pés, isso pode ser reduzido para cerca de 295 metros por segundo (660 mph ou 1062 kph).

É claro que não são apenas as aeronaves que podem quebrar a barreira do som e criar um estrondo sônico. Uma bala de uma arma, ou mesmo um chicote, pode produzir o mesmo efeito.

Como ocorre o "boom"?

Uma aeronave em movimento produz ondas sonoras à medida que avança em todas as direções. Em velocidades mais baixas, eles se afastam mais rápido do que a aeronave está viajando. À medida que se aproxima de Mach 1, as ondas na frente da aeronave se acumulam e se comprimem, aumentando a pressão. Essa pressão cria um arrasto adicional que a aeronave precisa superar ou 'romper'.

(Foto: Alferes John Gay, Marinha dos EUA via Wikimedia Commons)

O boom ocorre quando as ondas se comprimem em uma única onda de choque. Isso cria um estrondo alto quando essa onda de choque de alta pressão atinge o solo. O estrondo sônico é, na verdade, um som de estrondo duplo. Isso acontece porque há um boom quando a onda de choque inicial de alta pressão é ouvida e outro quando a pressão volta ao normal para o ouvinte.

Supersônico sem quebrar a barreira do som

É possível voar mais rápido que a velocidade do som sem quebrar a barreira do som ou criar um estrondo sônico. Isso acontece quando as condições atmosféricas e o vento causam uma velocidade de solo mais alta. É a velocidade através do ar que causa o estrondo sônico. Portanto, se uma aeronave estiver viajando a, digamos, 600 mph e experimentar um vento de cauda de 200 mph, excederia a velocidade do som em relação ao solo, mas não ao ar.

Foi exatamente o que aconteceu em fevereiro de 2019, quando um voo da Virgin Atlantic relatou a velocidade mais rápida de uma aeronave não supersônica – impulsionada por um vento de cauda. Da mesma forma, a British Airways aproveitou um vento de cauda durante a tempestade Ciara em 2020 para quebrar o recorde do voo comercial programado subsônico mais rápido entre Nova York e Londres com um tempo de 4 horas e 56 minutos.

Since the weather wasn’t cooperating with @VirginGalactic this morning, @VirginAtlantic decided to fly faster than any other commercial non-supersonic plane in history at 801 mph (the speed of sound is 767mph) https://t.co/QMDNZ2NCZY #readbyrichard

— Richard Branson (@richardbranson) February 20, 2019

Quebrando a barreira mais uma vez

Após a aposentadoria do Concorde em 2003, muitos acreditavam que a era dos voos comerciais mais rápidos do que a velocidade do som havia terminado nesta metade do século. No entanto, uma nova geração de aspirantes a supersônicos está ocupada desenvolvendo novos jatos para reviver a era de passeios incrivelmente rápidos pelo céu. Mais adiante está Boom Supersonic e sua abertura. Ele deve ter um alcance de 4.250 NM (7.870 km), transportar entre 65 e 88 passageiros e viajar a uma velocidade de Mach 1,7.

(Foto: Boom Supersonic)

A aeronave passou recentemente por uma grande mudança de design que, entre outras coisas, a transformou em um quadrijato. Há apenas o pequeno problema de encontrar alguém para realmente fabricar os motores depois que a Rolls-Royce abandonou a colaboração no início deste ano. No entanto, a empresa recebeu pedidos substanciais da United e da American Airlines.

Enquanto isso, a Spike Aerospace, com sede em Boston, divulgou planos para um jato executivo chamado Spike S-512. Este tem uma capacidade planejada de 12 a 18 passageiros e uma velocidade de Mach 1,6, com alcance muito maior. A empresa afirma em seu site que poderá viajar por terra sem estrondo sônico.

(Foto: NASA via Wikimedia)

A NASA e a Lockheed Martin também estão realizando experimentos para desenvolver uma aeronave supersônica que pode operar sem gerar um estrondo sônico. A Lockheed Martin está trabalhando em parceria com a NASA no jato supersônico X-59 QueSST (Quiet Supersonic Technology). Isso visava voos de teste em 2021, mas foi adiado.

Edição de texto e imagens por Jorge Tadeu (com informações do Simple Flying)