Interconnessione fra Coni di Mach

La NASA ha pubblicato queste bellissime immagini che ritraggono due Northrop T-38 Talon in volo supersonico e l’interazione fra le onde d’urto che generano muovendosi attraverso l’atmosfera; è la prima volta che questo evento è stato immortalato!
Le immagini sono state scattate durante la quarta fase dei voli AirBOS (Air to Air Orieted Schlieren Flights). Si tratta di una serie dei voli dedicati a testare dei sistemi avanzati di cattura di immagini ad alta qualità di onde d’urto basato sul Metodo Schlieren, detta anche Strioscopia, ma adattato per osservare oggetti in volo essendo fisicamente semplificata.
I voli sono stati realizzati presso l’Armstrong Flight Research Center della NASA situato in Edwards, California.
Questa tecnologia permette di osservare le variazioni di pressione e quindi della densità del fluido. Di base il metodo Schlieren è un’ applicazione dell’interferometria, ed infatti un’altra tecnica che si usa per visualizzare le variazioni di densità di un fluido è quella che vede l’uso dell’interferometro Mach-Zehnder.
Per questa ragione le immagini scattate sono di loro natura monocromatiche, e sono state colorate in post produzione associando alle sfumature di grigi una scala cromatica da cui poter estrapolare il gradiente di pressione.

Le Onde d’Urto sono delle variazioni repentine di pressione all’interno del fluido (nel nostro caso l’aria) dovute a causa della compressione e distensione dello stesso e sono descritte come delle vere e proprie zone di discontinuità del fluido, essendo il loro spessore “sottilissimo” (nell’ordine dei 10nm). A monte dell’onda il fluido può avere valori di pressione, temperatura, densità e velocità del suono ben diversi di quelli a valle dell’onda.
In Aerodinamica il modello analitico con cui viene generalmente descritta l’aria ed i fenomeni ad essa correlati si basa su un modello di fluido incomprimibile, in cui gli effetti della comprimibilità possono essere trascurati. Questo permette ad esempio lo sviluppo di modelli per la descrizione della portanza e della resistenza su un profilo alare, ma vale solo finché ci troviamo con una velocità relativa del fluido inferiori o pari a Mach 0,3 valore entro cui la variazione di densità dell’aria è trascurabile rispetto al suo valore “standard” e pertanto nello studio di fenomeni transonici (0,8 < v < 1,2 M) e supersonici (v >1,2 M) non è più valido.
La particolarità della propagazione di un’onda in regime supersonico sta nel fatto che la sorgente dell’onda, spostandosi ad una velocità superiore a quella del suono genera delle onde circolari (sferiche) che si propagano più lentamente rispettano a quanto si allontani la sorgente, per cui il fronte generato dalle onde via via generate dalla sorgente assume la forma di un diedro, o di un cono nello spazio tridimensionale, motivo per cui il fronte d’onda chiamato Cono di Mach.

La particolarità di questo fronte sta nel fatto che tutte le perturbazioni generate dal movimento nel fluido risiedono al suo interno, mentre all’esterno il fluido resta indisturbato.
La forma del cono, e la sua formazione dipendono anche dalla forma del velivolo, perciò sono attivi dei programmi per lo studio di geometrie e superfici che sono in grado di distruggere il cono di Mach al momento della sua formazione, diminuendo drasticamente l’intensità del boom sonico.
Per questo scopo la tecnologia AirBOS verrà usata in ausilio del programma di sviluppo di dimostratori tecnologici denominato X-59 QueSST (Quiet SuperSonic Technology), realizzando dei velivoli in grado di viaggiare a velocità supersonica producendo un boom sonico 1/1000 di volte meno intenso di quello prodotto dagli attuali mezzi.

Fonte: NASA