Nel 2019 la NASA ha diffuso alcune immagini spettacolari: due aerei supersonici in volo affiancati, circondati da linee curve che si intrecciano come increspature sull'acqua. Sono le onde d'urto prodotte dagli aerei mentre viaggiano più veloci del suono, fotografate in volo con un livello di dettaglio mai raggiunto prima. Immagini belle, ma anche utili a un progetto ambizioso: rendere il volo supersonico abbastanza silenzioso da poter essere usato sopra le città.
Cos'è un'onda d'urto
Quando un oggetto si muove nell'aria, spinge le molecole davanti a sé e crea onde di pressione che si propagano alla velocità del suono, circa 1.200 chilometri orari al livello del mare. Finché l'oggetto è più lento del suono, le onde lo precedono e l'aria "sa" in anticipo che sta arrivando.
Quando l'oggetto supera la velocità del suono, le onde non riescono più a stargli davanti: si accumulano e si fondono in un fronte di pressione molto brusco, a forma di cono, che parte dal muso, dalle ali e dalla coda dell'aereo. Questo fronte è l'onda d'urto. Al suo passaggio la pressione, la temperatura e la densità dell'aria cambiano di colpo.
Il rapporto tra la velocità di un oggetto e quella del suono si chiama numero di Mach, in onore del fisico austriaco Ernst Mach, che nell'Ottocento fu tra i primi a fotografare le onde d'urto prodotte dai proiettili.
Il bang sonico
Quando il cono dell'onda d'urto raggiunge il suolo, chi si trova sotto sente un doppio colpo secco, simile a un'esplosione: il bang sonico. Non si sente solo nel momento in cui l'aereo "supera il muro del suono", come spesso si crede: il bang accompagna l'aereo per tutto il tempo in cui vola a velocità supersonica, come la scia di una barca.
Il rumore può essere fastidioso, far tremare i vetri e spaventare persone e animali. È per questo che dal 1973 negli Stati Uniti il volo supersonico civile sopra la terraferma è vietato, e restrizioni simili esistono in molti altri Paesi. Il Concorde, l'aereo di linea supersonico anglo-francese entrato in servizio nel 1976, poteva volare a Mach 2 solo sopra l'oceano. Il suo ritiro nel 2003 chiuse l'era del trasporto supersonico commerciale.
Come si fotografa l'aria
L'aria è trasparente: come si possono vedere le onde d'urto? La tecnica si chiama schlieren, dal tedesco "striature", ed è stata sviluppata nell'Ottocento. Sfrutta il fatto che la luce cambia leggermente direzione quando attraversa aria di densità diversa, come succede sopra l'asfalto rovente d'estate, quando l'aria sembra tremolare.
Nei laboratori si usa con specchi e sorgenti di luce controllate, nelle gallerie del vento. Per fotografare aerei in volo, la NASA ha usato un sistema chiamato AirBOSS: un aereo fotografo, un bimotore a elica, volava a circa 9.000 metri, mentre due jet supersonici T-38 dell'aeronautica statunitense passavano circa 600 metri più in basso, sopra un terreno desertico dalla trama uniforme. Una fotocamera ad alta velocità, capace di scattare 1.400 immagini al secondo, riprendeva i jet contro lo sfondo del terreno. Elaborando le immagini, le piccole distorsioni dello sfondo causate dalle onde d'urto sono state trasformate in quelle linee visibili.
Le foto hanno mostrato per la prima volta con precisione come le onde d'urto di due aerei vicini interagiscono tra loro, piegandosi e fondendosi. Dati preziosi per chi progetta aerei supersonici.
Il progetto X-59
Lo scopo di queste ricerche è il programma Quesst della NASA, costruito attorno a un aereo sperimentale chiamato X-59. È un velivolo dal muso lunghissimo e sottile, progettato con una forma che distribuisce le onde d'urto in modo che non si fondano in un unico fronte violento. Invece del bang, a terra si dovrebbe sentire un tonfo attutito, paragonabile al rumore di una portiera d'auto che si chiude in lontananza.
Il muso è così lungo che il pilota non ha un parabrezza frontale: vede davanti a sé grazie a un sistema di telecamere e schermi. Dopo anni di sviluppo, l'X-59 è arrivato alla fase dei test in volo. Il piano della NASA prevede di farlo volare sopra alcune città americane e di raccogliere le reazioni degli abitanti, per fornire alle autorità dati su cui basare nuove regole che potrebbero, in futuro, permettere di nuovo il volo supersonico sopra la terraferma.
Le onde d'urto nello spazio e nel cielo
Le onde d'urto non riguardano solo gli aerei. Si formano davanti alle capsule spaziali che rientrano nell'atmosfera, dove proteggono il veicolo dal calore, come spiega l'articolo sugli scudi termici. Si formano davanti al campo magnetico terrestre, dove il vento solare viene rallentato bruscamente, e nei resti delle supernove. Anche i fenomeni atmosferici più comuni, come le nuvole, possono essere modellati dal passaggio degli aerei, come nei fallstreak hole.
Il primo volo supersonico con pilota della storia risale al 14 ottobre 1947, quando il pilota statunitense Chuck Yeager superò la velocità del suono a bordo dell'aereo razzo Bell X-1. Per approfondire la fisica del fenomeno si può leggere la voce Bang sonico su Wikipedia. Altri articoli si trovano nella sezione Tecnologia.
