Ιστορία της αεροδυναμικής

Η αεροδυναμική είναι κλάδος της δυναμικής που ασχολείται με την μελέτη της κίνησης του ανέμου. Είναι υπό-τμήμα της δυναμικής ρευστών και αερίων, και συχνά ο όρος «αεροδυναμική» χρησιμοποιείται για όλα τα αέρια.

Οι πρώτες καταγραφές των θεμελιωδών αρχών της αεροδυναμικής χρονολογούνται στα έργα του Αριστοτέλη και του Αρχιμήδη τον 2ο και τον 3ο αιώνα π.Χ., αλλά οι προσπάθειες για την ανάπτυξη μιας ποσοτικής θεωρίας σχετικά με την ροή του αέρα δεν πραγματοποιήθηκαν πριν από τον 18ο αιώνα. Το 1726, ο Ισαάκ Νεύτων έγινε ένας από τους πρώτους αεροδυναμιστές των σύγχρονων χρόνων όταν ανέπτυξε την θεωρία της αντίστασης του αέρα, η οποία στη συνέχεια επαληθεύθηκε για χαμηλές ταχύτητες ροής. Πειράματα σχετικά με την αντίσταση του αέρα έγιναν από ερευνητές κατά τον 18ο και 19ο αιώνα, με την βοήθεια της πρώτης αεροδυναμικής σήραγγας το 1871. Ο Ντάνιελ Μπερνούλι, στην επιστημονική του δημοσίευση Hydrodynamica το 1738, περιέγραψε την θεμελιώδη σχεση μεταξύ πίεσης, ταχύτητας, και πυκνότητας, που πλέον ορίζεται ως Νόμος του Μπερνούλι, ο οποίος αποτελεί μια μέθοδο υπολογισμού της άνωσης.

Η πρόοδος στην αεροδυναμική κατά τον 19ο αιώνα οδήγησε στην επίτευξη της βαρύτερης από τον αέρα πτήσης. Ο Τζορτζ Κέιλι ανέπτυξε την θεωρία του σύγχρονου αεροσκάφους σταθερών πτερύγων το 1799, προσδιορίζοντας τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της πτήσης - άνωση, ώθηση, αντίσταση και βαρύτητα. Η ανάπτυξη των ευλόγων προβλέψεων της ώθησης που χρειαζόταν για την τροφοδότηση της πτήσης σε συνδυασμό με την εξέλιξη των αεροτομών υψηλής άνωσης και χαμηλής αντίστασης έθεσαν τις βάσεις για την πρώτη μηχανοκίνητη πτήση. Στις 17 Δεκεμβρίου 1903 οι Ουίλμπουρ και Όρβιλ Ράιτ πραγματοποίησαν την πρώτη επιτυχημένη μηχανοκίνητη πτήση. Η πτήση αυτή, και η δημοσιότητα που έλαβε, οδήγησαν στην οργανωμένη συνεργασία μεταξύ των αεροπόρων και των αεροδυναμιστών, δείχνοντας τον δρόμο προς την σύγχρονη αεροδυναμική.

Οι θεωρητικές εξελίξεις στην αεροδυναμική συμβαδίζαν με τις πρακτικές. Η σχέση που περιγράφεται από τον Μπερνούλι είχε ισχύ μόνο για ασυμπίεστα, μη συνεκτικά ρευστά. Το 1757, ο Λέοναρντ Όιλερ δημοσίευσε τις εξισώσεις του Όιλερ, επεκτείνοντας την αρχή του Μπερνούλι σε καθεστώς πιεσμένων ρευστών. Στις αρχές του 19ου αιώνα, η ανάπτυξη των εξισώσεων Ναβιέρ-Στόουκς επέκτειναν τη ισχύ των εξισώσεων του Όιλερ σε ιξώδη κατάσταση. Την περίοδο των πρώτων δοκιμών πτήσης, πολλοί ερευνητές ανέπτυξαν ανεξάρτητες θεωρίες σχετικά με την κυκλοφορία της ροής του αέρα κατά την άνωση. Ο Λούντβιχ Πραντλ έγινε ένας από τους πρώτος που εξερεύνησαν τις οριακές στρώσεις αυτή τη περίοδο.

Πρώτες αεροδυναμικές σκέψεις - αρχαιότητα έως 19ο αιώνα

Θεωρητικές αρχές
Αν και η σύγχρονη θεωρία της αεροδυναμικής επιστήμης δεν αναφάνηκε μέχρι τον 18ο αιώνα, οι αρχές της άρχισαν να εμφανίζονται από τους αρχαίους χρόνους. Η θεμελιώδης παραδοχή της συνέχειας της αεροδυναμικής έχει τις ρίζες της στην Περί ουρανού πραγματεία του Αριστοτέλη, αν και ο Αρχιμήδης δουλεύοντας κατά τον 3ο αιώνα π.Χ. ήταν ο πρώτος άνθρωπος που επισήμως ισχυρίστηκε πως ένα ρευστό θα μπορούσε να θεωρηθεί συνεχές. Ο Αρχιμήδης επίσης ειήγαγε την έννοια πως η ροή ενός ρευστού εξαρτιόταν από την βαθμίδα πίεσης εντός του ρευστού. Η ιδέα αυτή αποδείχθηκε στην συνέχεια θεμελιώδης για την κατανόηση της ροής των ρευστών.

To 1687, παρουσιάστηκαν οι νόμοι κίνησης του Νεύτωνα στο έργο του Principia, την πρώτη ολοκληρωμένη θεωρητική προσέγγιση στην κατανόηση των μηχανικών φαινομένων. Πιο συγκεκριμένα ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα, μια δήλωση περί της διατήρησης της ορμής, είναι μια από τις τρεις βασικές αρχές που χρησιμοποιήθηκαν στην απόδειξη των εξισώσεων του Όιλερ και Ναβιέρ-Στόουκς.

Το 1738, ο Ολλανδό-Ελβετός μαθηματικός Ντάνιελ Μπερνούλι εξέδωσε το Hydrodynamica, στο οποίο περιέγραψε την θεμελιώδη σχέση μεταξύ της πίεσης και της ταχύτητας, που πλέον είναι γνωστή ως νόμος του Μπερνούλι. Αυτός αναφέρει πως η πίεση ενός ρευστού που ρέει μειώνεται καθώς η ταχύτητά του αυξάνεται και αποτέλεσε μια σημαντική πρώιμη πρόοδο στην θεωρία της δυναμικής των ρευστών, και αρχικά ποσοτικοποιήθηκε σε μια εξίσωση που του Λέοναρντ Όιλερ. Η έκφραση αυτή, που συχνά ονομάζεται Εξίσωση του Μπερνούλι, συσχετίζει την πίεση, την πυκνότητα και την ταχύτητα σε δύο σημεία κατά μήκος ενός ρεύματος ροής ενός ρευστού με τον ακόλουθο τρόπο:

Η Εξίσωση του Μπερνούλι αγνοεί την την δυνατότητα συμπίεσης ενός ρευστού, καθώς και τις επιδράσεις της βαρύτητας και ιξωδών δυνάμεων στη ροή. Ο Λέοναρντ Όιλερ εξέδωσε τις εξισώσεις του το 1757, οι οποίες ισχύουν τόσο για ασυμπίεστες όσο και συμπιεσμένες ροές. Οι εξισώσεις του Όιλερ επεκτάθηκαν ώστε να συμπεριλαμβάνουν τις επιδράσεις του ιξώδους κατά το πρώτο μισό του 19ου αιώνα, έχοντας ως αποτέλεσμα τις εξισώσεις Ναβιέρ-Στόουκς.

Μελέτες της αντίστασης του αέρα

Η επιβραδυντική επίδραση του αέρα σε ένα κινούμενο αντικείμενο ήταν μεταξύ των πρώτων αεροδυναμικών φαινομένων που εξερευνήθηκαν. Ο Αριστοτέλης έγραψε σχετικά με την αντίσταση του αέρα τον 4ο αιώνα π.Χ., αλλά είχε ελλείψεις στην κατανόηση της ποσοτικοποίησης της αντίστασης που παρατηρούσε. Στην πραγματικότητα, ο Αριστοτέλης κατά παράδοξο τρόπο θεώρησε πως η κίνηση του αέρα γύρω από ένα δόρυ που ήταν στον αέρα, έφερνε αντίσταση στην κίνησή του αλλά και το προωθούσε προς τα μπροστά. Τον 15ο αιώνα, ο Λεονάρντο ντα Βίντσι εξέδωσε το Codex Leicester, στο οποίο απέρριπτε τη θεωρεία του Αριστοτέλη και προσπάθησε να αποδείξει πως η μοναδική επίδραση του αέρα σε ένα ιπτάμενο αντικείμενο ήταν η αντίσταση στην κίνηση του, και πως αυτή η αντίσταση του αέρα ήταν ανάλογη της ταχύτητας ροής, ένα εσφαλμένο συμπέρασμα το οποίο υποστηρίχθηκε από τα πειράματα του Γαλιλαίου κατά τον 17ο αιώνα πάνω στη φθορά της κίνησης του εκκρεμούς. Επιπλέον στην δουλειά του σχετικά με την αντίσταση, ο ντα Βίντσι ήταν ο πρώτος που κατέγραψε πληθώρα αεροδυναμικών ιδεών στις οποίες περιλαμβάνεται η ορθή περιγραφή της κυκλοφορίας των δινών και του νόμου της συνέχειας όπως εφαρμόζεται στη ροή του ρεύματος.

Η πραγματική τετραγωνική εξάρτηση της αντίστασης στην ταχύτητα αποδείχθηκε πειραματικά από τον Εντμ Μαριότ και τον Κρίστιαν Χόυχενς, και οι δύο μέλη της Ακαδημίας Επιστημών του Παρισιού κατά τα τέλη του 17ου αιώνα. Ο Σερ Ισαάκ Νεύτων αργότερα έγινε ο πρώτος άνθρωπος που θεωρητικά εξήγαγε την τετραγωνική εξάρτηση της αντίστασης του αέρα στις αρχές του 18ου αιώνα, κάνοντας τον έτσι έναν από τους πρώτους θεωρητικούς αεροδυναμιστές. Ο Νεύτωνας ισχυρίστηκε πως η αντίσταση ήταν ανάλογη των διαστάσεων ενός σώματος, της πυκνότητας των ρευστών και μπορούσε να εφαρμοστεί σωστά σε χαμηλές ταχύτητες ρευστών, αλλά μπορούσε να σταθεί σε ευθεία αντίθεση με τα προηγούμενα ευρημάτα του Γαλιλαίου. Η διαφορά μεταξύ των έργων του Νεύτωνα, του Μαριότ και του Χόυχενς, καθώς και η πλέον πρώιμη δουλεία του Γαλιλαίου δεν είχε επιλυθεί μέχρι τη στιγμή της προόδου στη θεωρία ιξωδών ρευστών κατά τον 20ο αιώνα.

Ο Νεύτωνας ανέπτυξε επίσης την θεωρία ενός νόμου για την δύναμη της αντίστασης σε επίπεδη πλάκα κεκλιμμένη προς την κατεύθυνση της ροής του ρευστού. Χρησιμοποιώντας το F για την δύναμη της αντίστασης, ρ για την πυκνότητα, S για την επιφάνεια της επίπεδης πλάκας, V για την ταχύτητα του ρευστού, και θ για την γωνία προσβολής, ο νόμος του εκφράζεται ως:  

Η εξίσωση αυτή υπερτιμά την αντίσταση στις περισσότερες περιπτώσεις, και χρησιμοποιήθηκε πολλάκις κατά τον 19ο αιώνα ως προς επιχείρημα για την αδυναμία πραγματοποίησης ανθρώπινης πτήσης. Σε μικρές γωνίες κλίσης, η αντίσταση εξαρτάται γραμμικά από το ημίτονο της γωνίας, όχι τετραγωνικά. Ωστόσο, ο νόμος της αντίστασης σε επίπεδη πλάκα του Νεύτωνα μπορεί να αποδώσει λογικές προβλέψεις αντίστασης για υπερηχητικές ροές ή πολύ λεπτές πλάκες σε μεγάλες γωνίες κλίσης οι οποίες οδηγούν σε διαχωρισμό της ροής.

Πειράματα σχετικά με την αντίσταση του αέρα πραγματοποιήθηκαν από τους ερευνητές κατά τον 18ο και 19ο αιώνα. Θεωρίες για την αντίσταση αναπτύχθηκαν από τους Ζαν λε Ρον Ντ'Αλαμπέρ, Γκούσταβ Κίρχοφ, και Λόρδο Ρέιλι. Εξισώσεις για την ροή των ρευστών με τριβή αναπτύχθηκαν από τον Κλωντ-Λουί Ναβιέρ και Τζορτζ Γκάμπριελ Στόουκς. Για προσομοίωση της ροής των ρευστών, σε πολλά πειράματα ενσματώθηκαν βυθισμένα αντικείμενα σε ροές νερού, ή πιο απλά τα αντικείμενα αυτά ριχνόταν από την κορυφή ψηλών κτιρίων. Προς το τέλος αυτής της περιόδου ο Γουστάβος Άιφελ χρησιμοποίησε τον πύργο του Άιφελ ως βοήθημα στις δοκιμές του ρίχνοντας επίπεδες πλάκες.

Ένας πιο ακριβής τρόπος υπολογισμού της αντίστασης ήταν η τοποθέτηση ενός αντικειμένου μέσε σε ένα τεχνητό, ομοιόμορφο ρεύμα αέρα όπου η ταχύτητα είναι γνωστή. Το πρώτο άτομο που πειραματίστηκε με αυτή τη τάση ήταν ο Φράνσις Χέρμπερτ Ουένχαμ, ο οποίος κατασκεύασε την πρώτη αεροδυναμική σήραγγα το 1871. Ο Ουένχαμ ήταν επίσης μέλος της πρώτης επαγγελματικής οργάνωσης σχετικής με την αεροναυτική, της Βασιλικής Αεροναυτικής Εταιρείας του Ηνωμένου Βασιλείου. Τα αντικείμενα που τοποθετούνταν στις αεροδυναμικές σήραγγες ήταν πάντοτε μικρότερα από ότι στην πράξη, και έτσι απαιτούνταν μια μέθοδος συσχέτισης των μοντέλων μικρής κλίμακας με τα αντίστοιχα τους σε πραγματικές διαστάσεις. Αυτό επιτεύχθηκε με την εφεύρεση του αδιάστατου αριθμού Ρέινολντς από τον Όσμπορν Ρέινολντς. Ο Ρέινολντς πειραματίστηκε ακόμη με την μετατροπή της ροής από ελασματώδη σε τυρβώδη το 1883.


Εξελίξεις στην αεροπορία
Ξεκινώντας τουλάχιστον από το 1796, όταν και κατασκεύασε ένα μοντέλο ελικοπτέρου, μέχρι και το θάνατό του το 1857, ο Σερ Τζορτζ Κέιλι θεωρείται ως ο πρώτος άνθρωπος που διαχώρισε τις τέσσερις αεροδυναμικές δυνάμεις κατά την διάρκεια της πτήσης—βαρύτητα, άνωση, αντίσταση, και ώθηση—και τη σχέση μεταξύ τους. Ο Κέιλι θεωρείται επίσης ο πρώτος που ανέπτυξε την ιδέα του σύγχρονου αεροσκάφους σταθερών πτερύγων. Αν και στις σημειώσεις του ντα Βίντσι περιλαμβάνονται σχέδια και περιγραφές μιας βαρύτερης από τον αέρα ιπτάμενης μηχανής σταθερών πτερύγων, αυτές ήταν αποδιοργανωμένες και σκορπίστηκαν μετά τον θάνατό του. Τα αεροδυναμικά επιτεύγματά του δεν είχαν ανακαλυφθεί μέχρις ότου η τεχνολογία είχε προχωρήσει πέρα από την πρόοδο που είχε συντελέσει ο ντα Βίντσι.

Μέχρι το τέλος του 19ου αιώνα, δύο ήταν τα προβλήματα που είχαν ταυτοποιηθεί πριν την επίτευξη της βαρύτερης από τον αέρα πτήσης. Το πρώτο ήταν η δημιουργία αεροδυναμικών πτερύγων χαμηλής αντίστασης και υψηλής δυνατότητας άνωσης. Το δεύτερο πρόβλημα ήταν ο υπολογισμός της ισχύος που χρειαζόταν για μια σταθερή πτήση. Αυτή τη περίοδο, τέθηκαν οι βάσεις για την μηχανική ρευστών και την αεροδυναμική της σύγχρονης εποχής, με μερικούς λάτρεις της αεροπορίας με μικρή επιστημονική κλίση να δοκιμάζουν διάφορες ιπτάμενες μηχανές με ελάχιστη επιτυχία.

Το 1884, ο Τζον Μοντγκόμερι, Αμερικανός με σπουδές στην φυσική, ξεκίνησε να πειραματίζεται με μοντέλα ανεμοπτέρων. Χρησιμοποιώντας ένα τραπέζι με νερό που ρέει και θαλάμους καπνού άρχισε να εφαρμόζει τους φυσικούς νόμους της μηχανικής ρευστών για να περιγράψει της κινήσεις της ροής πάνω σε κυρτές επιφάνειες όπως οι αεροτομές. Το 1889, ο Σαρλ Ρενάρ, Γάλλος αεροναυτικός μηχανικός, έγινε ο πρώτος άνθρωπος που προέβλεψε λογικώς την απαιτούμενη ισχύ για μια σταθερή πτήση. Ο Ρενάρ και ο Γερμανός φυσικός Χέρμαν φον Χέλμχολτζ εξερεύνησαν τον φόρτο των πτερύγων (αναλογία βάρους προς εμβαδού της πτέρυγας), καταλήγοντας πως οι άνθρωποι δεν μπορούσαν να πετάξουν με την δύναμη τους τοποθετώντας φτερά στα χέρια τους. Ο Ότο Λίλιενταλ, ακολουθώντας τη δουλειά του Σερ Τζορτζ Κέιλι, έγινε ο πρώτος άνθρωπος που πέταξε επιτυχημένα με ανεμόπτερα. Ο Λίλιενταλ θεωρούσε πως οι λεπτές, κυρτές αεροτομές θα μπορούσαν να αποδώσουν υψηλά επίπεδα άνωσης και χαμηλή αντίσταση.

Στο βιβλίο Progress in Flying Machines (Πρόοδος στις Ιπτάμενες Μηχανές) του 1893 του Οκτάβ Σανούτ, περιγράφονται όλες οι γνωστές έρευνες που πραγματοποιήθηκαν σε όλο τον κόσμο μέχρι εκείνη την περίοδο. Το βιβλίο του Σανούτ αποτέλεσε χρήσιμο εργαλείο για όσους είχαν ενδιαφέρον στην αεροδυναμική και τις ιπτάμενες μηχανές.

Με τις πληροφορίες από το βιβλίο του Σανούτ, την προσωπική βοήθεια του ιδίου του Σανούτ, και τις έρευνες που πραγματοποίησαν οι ίδιοι στην αεροδυναμική τους σήραγγα, οι αδελφοί Ράιτ απέκτησαν αρκετή γνώση για την αεροδυναμική ώστε να πραγματοποιήσουν την πρώτη μηχανοκίνητη πτήση στις 17 Δεκεμβρίου 1903. Η πτήση των Ράιτ επιβεβαίωσε ή διάψευσε πολλές θεωρίες της αεροδυναμικής. Η θεωρία της δύναμης της αντίστασης του Νεύτωνα αποδείχθηκε τελικά εσφαλμένη. Αυτή η πρώτη ευρέως δημοσιευμένη πτήση οδήγησε σε μια πιο οργανωμένη προσπάθεια μεταξύ των αεροπόρων και των επιστημόνων, που έδειξαν τον δρόμο προς την σύγχρονη αεροδυναμική.

Κατά την διάρκεια των πρώτων πτήσεων, οι Τζον Μοντγκόμερι, Φρέντερικ Λάντσεστερ, Μάρτιν Βίλχελμ Κούτα, και Νικολάι Ζουκόφσκι ανέπτηξαν ανεξάρτητες θεωρίες που συνέδεαν την κυκλοφορία της ροής του ρευστού με την άνωση. Οι Κούτα και Ζουκόφσκι προχώρησαν στην ανάπτυξη της θεωρίας των πτερύγων δύο διαστάσεων. Επεκτείνοντας την εργασία του Λάντσεστερ, ο Λούντβιχ Πραντλ πιστώνεται την ανάπτυξη των μαθηματικών πίσω από τις θεωρίες των λεπτών αεροτομών και των ανυψωτικών γραμμών καθώς και την εργασία στις οριακές στρώσεις. Ο Πραντλ, καθηγητής του Πανεπιστημίου του Γκέτινγκεν, εκπαίδευσε πολλούς μαθητές οι οποίοι έπαιξαν σημαντικούς ρόλους στην εξέλιξη της αεροδυναμικής, όπως ο Τέοντορ φον Καρμάν και ο Μαξ Μουνκ.

Προβλήματα αεροσκαφών με υψηλή ταχύτητα
Η συμπιεστότητα αποτελεί σημαντικό παράγοντα στην αεροδυναμική. Σε χαμηλές ταχύτητες η συμπιεστότητα του αέρα δεν είναι σημαντική σε σχέση με το σχέδιο του αεροσκάφους, αλλά καθώς η ροή του αέρα πλησιάζει ή περνά την ταχύτητα του ήχου, πλήθος νέων αεροδυναμικών φαινομένων γίνονται σημαντικα για το σχέδιο του αεροσκάφους. Αυτά τα φαινόμενα, συνήθως πολλά την ίδια στιγμή, κατέστησαν πολύ δύσκολή την επίτευξη ταχύτητας πάνω από 800 χλμ/ώρα (500 μίλια/ώρα) για τα αεροσκάφη της εποχής του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου.

Σε μερικά από τα μικρής σημασίας φαινόμενα περιλαμβάνονται οι αλλαγές στην ροή του αέρα που οδηγούν σε προβλήματα ελέγχου. Για παράδειγμα, το P-38 Lightning με τις πυκνές υψηλής δυνατότητας άνωσης πτέρυγες είχε συγκεκριμένο πρόβλημα στις βουτιές υψηλής ταχύτητας που το οδηγούσαν να βρίσκεται σε κατάσταση με την μύτη προς τα κάτω. Οι πιλότοι πραγματοποιούσαν βουτιές, και μετά αντιλαμβανόταν πως δεν μπορούσαν να ελέγξουν πλέον το αεροπλάνο, το οποίο συνέχιζε με τη μύτη προς τα κάτω μέχρι που συντριβόταν. Το πρόβλημα επιδιορθώθηκε με την προσθήκη ενός «πτερυγίου βουτιάς» κάτω από την πτέρυγα το οποίο μετέβαλλε την διανομή του κέντρου πίεσης έτσι ώστε η πτέρυγα να μην χάνει την άνωση της.

Παρόμοιο πρόβλημα επηρέασε και μερικά μοντέλα του Supermarine Spitfire. Σε υψηλές ταχύτητες, τα πηδάλια κλίσης μπορούσαν να εφαρμόσουν μεγαλύτερη ροπή από αυτή που μπορούσαν να χειριστούν οι λεπτές πτέρυγες του Spitfire και έτσι ολόκληρες οι πτέρυγες περιστρεφόταν στην αντίθετη διεύθυνση. Αυτό σήμαινε πως το αεροπλάνο θα περιστρεφόταν στην αντίθετη διεύθυνση από αυτή που ήθελε ο πιλότος, και οδήγησε σε πολλά ατυχήματα. Τα προγενέστερα μοντέλα δεν ήταν τόσο γρήγορα και δεν αντιμετώπιζαν το πρόβλημα αυτό, και έτσι αυτό παρατηρήθηκε όταν εμφανίστηκαν τα μεταγενέστερα μοντέλα Spitfire όπως το Mk.IX. Το φαινόμενο μετριάστηκε με την προσθήκη σημαντικής στρεπτικής ακαμψίας στις πτέρυγες, και εξαλείφθηκε πλήρως με την παρουσίαση του μοντέλου Mk.XIV.

Τα Messerschmitt Bf 109 και Mitsubishi Zero αντιμετώπιζαν το ακριβώς αντίθετο πρόβλημα στο οποίο τα πηδάλια ελέγχου γινόταν μη αποτελεσματικά. Στις υψηλότερες ταχύτητες, ο πιλότος δεν μπορούσε απλά να κινήσει τα πηδάλια ελέγχου επειδή υπήρχε μεγάλη ροή αέρα πάνω από τις επιφάνειες ελέγχου. Ο ελιγμός των αεροπλάνων γινόταν δύσκολος, και σε αρκετά υψηλές ταχύτητες τα αεροσκάφη χωρίς το πρόβλημα αυτό θα μπορούσαν να ξεπεράσουν.

Τα προβλήματα αυτά λύθηκαν εν τέλει όταν τα αεριωθούμενα αεροσκάφη έφτασαν διηχητικές και υπερηχητικές ταχύτητες. Οι Γερμανοί επιστήμονες πειραματίστηκαν με κεκλιμένες πτέρυγες κατά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο. Η έρευνα τους εφαρμόστηκε στα MiG-15 και F-86 Sabre και βομβαρδιστικά όπως τα B-47 Stratojet χρησιμοποιούσαν τέτοιου είδους πτέρυγες οι οποίες καθυστερούσαν την εμφάνιση των ωστικών κυμάτων και μείωναν την αντίσταση.

Για να διατηρηθεί ο έλεγχος κοντά και πάνω από την ταχύτητα του ήχου, είναι συχνά αναγκαίο να χρησιμοποιούνται είτε ουραία τμήματα (σταθεροποιητές), ή πτέρυγες δέλτα οι οποίες διαθέτουν περιοριστές κίνησης. Η τροφοδοτούμενη από κινητήρα λειτουργία αποτρέπει τις αεροδυναμικές δυνάμεις να υπερκαλύπτουν τις εντολές του πιλότου.

Τελικά, ένα ακόμη κοινό πρόβλημα που ταιριάζει στην κατηγορία αυτή είναι οι ταλαντώσεις. Σε ορισμένες ταχύτητες, η ροή αέρα πάνω από τις επιφάνειες ελέγχου γίνεται ταραχώδης, και τα πηδάλια ελέγχου αρχίζουν να ταλαντώνονται. Εάν η ταχύτητα της ταλάντωσης είναι κοντά σε αρμονική με την κίνηση του πηδαλίου, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε συντονισμό και να το σπάσει ολοκληρωτικά. Αυτό ήταν σημαντικό πρόβλημα για τα Zero και VL Myrsky. Όταν πρωτοεμφανίστηκαν τα προβλήματα με χαμηλή δυνατότητα ελέγχου σε υψηλές ταχύτητες, διευθετήθηκαν με τον σχεδιασμό ενός νέου στυλ επιφανειών ελέγχου και περισσότερη ισχύ. Ωστόσο, αυτό προκάλεσε μια νέα μορφή συντονισμού, και πληθώρα αεροπλάνων συνετρίβησαν προτού αυτή ανακαλυφθεί. Στο μοντέλο του VL Myrsky, αυτό το πρόβλημα  αντιμετωπίστηκε με την αύξηση της ακαμψίας και του βάρους της πτέρυγας, επομένως αυξήθηκε η απόσβεση της αρμονικής ταλάντωσης, η οποία έθετε σε κίνδυνο την απόδοση σε ορισμένο βαθμό.

Όλα αυτά τα φαινόμενα αναφέρονται συχνά σε συνδυασμό με τον όρο «συμπιεστότητα», αλλά κατά μια άποψη, χρησιμοποιούνται εσφαλμένα. Από μία αυστηρή αεροδυναμική όψη, ο όρος θα έπρεπε να αναφέρεται αποκλειστικά στις παρενέργειες που εμφανίζονται ως αποτέλεσμα στις αλλαγές της ροής του αέρα από ένα ασυμπίεστο ρευστό (παρόμοιο με το φαινόμενο που συμβαίνει στο νερό) σε ένα συμπιεστό ρευστό (που λειτουργεί ως αέριο) καθώς πλησιάζει στην ταχύτητα του ήχου. Πιο συγκεκριμένα υπάρχουν δύο φαινόμενα, η αντίσταση του κύματος και ο κρίσιμος αριθμός μαχ.

Η αντίσταση του κύματος είναι η απότομη αύξηση της αντίστασης στο αεροσκάφος, που προκαλείται από τον αέρα που βρίσκεται μπροστά του. Σε χαμηλές ταχύτητες, ο αέρας αυτός έχει χρόνο για «να φύγει από τη μέση» καθοδηγούμενος από τον αέρα μπροστά που είναι σε επαφή με το αεροσκάφος. Αλλά στην ταχύτητα του ήχου, αυτό δεν μπορεί να συμβεί, και ο αέρας που προηγουμένως ακολουθούσε το ρεύμα γύρω από το αεροσκάφος, τώρα το χτυπά ευθέως. Η ποσότητα ισχύος που χρειάζεται για να ξεπεραστεί το φαινόμενο αυτό είναι αξιοσημείωτη. Ο κρίσιμος αριθμός μαχ είναι η ταχύτητα κατά την οποία μέρος του αέρα που περνά πάνω από τις πτέρυγες του αεροσκάφους γίνεται υπερηχητικός.

Στην ταχύτητα του ήχου, ο τρόπος που δημιουργείται η άνωση αλλάζει δραματικά, από το να κυριαρχείται από το νόμο του Μπερνούλι σε δυνάμεις που παράγονται από ωστικά κύματα. Από τη στιγμή που ο αέρας στο πάνω μέρος της πτέρυγας ταξιδεύει γρηγορότερα από αυτόν κάτω, λόγω του φαινομένου Μπερνούλι, σε ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του ήχου ο αέρας στο πάνω μέρος επιταχύνεται και φτάνει σε υπερηχητικά επίπεδα. Όταν συμβαίνει αυτό, η διανομή της άνωσης αλλάζει δραματικά, προκαλώντας κατά κανόνα μια δυναμική στροφή της μύτης του αεροσκάφους προς τα κάτω. Μιας και το αεροσκάφος προσέγγιζε αυτές τις ταχύτητες μόνο κατά την διάρκεια μιας βουτιάς, οι πιλότοι κατέγραφαν πως το αεροσκάφος θα στρεφόταν προς το έδαφος.

Η διάσταση απορροφά μεγάλο μέρος της ενέργειας σε μια αναστρέψιμη διαδικασία. Αυτή μειώνει σε μεγάλο βαθμό τη θερμοδυναμική θερμοκρασία του υπερηχητικού αερίου που επιβραδύνεται κοντά σε ένα αεροσκάφος. Στις περιοχές μετάβασης, όπου η πίεση σε σχέση με την διάσταση είναι ανολοκλήρωτη, τόσο η διαφορική, σταθερή θερμοχωρητικότητα της πίεσης και η βήτα (η διαφορική αναλογία όγκου/πίεσης) θα αυξηθούν σημαντικά. Η τελευταία έχει έντονες επιπτώσεις στην αεροδυναμική του οχήματος συμπεριλαμβανομένης και της σταθερότητας.

Γρηγορότερα από τον ήχο – τέλη 20ού αιώνα
Καθώς το αεροσκάφος άρχιζε να ταξιδεύει γρηγορότερα, οι αεροδυναμιστές αντελήφθησαν πως η πυκνότητα του αέρα άρχισε να αλλάζει καθώς ερχόταν σε επαφή με ένα αντικείμενο, οδηγώντας στον διαχωρισμό της ροής του ρευστού σε ασυμπίεστο και συμπιεστό καθεστώς. Στην συμπιεστή αεροδυναμική, αμφότερες η πυκνότητα και η πιέση αλλάζουν, κάτι αποτελεί τη βάση υπολογισμού της ταχύτητας του ήχου. Ο Νεύτωνας ήταν ο πρώτος που ανέπτυξε ένα μαθηματικό μοντέλο για τον υπολογισμό της ταχύτητας του ήχου, αλλά δεν ήταν ορθό μέχρι που ο Πιερ Σιμόν Λαπλάς αντιστοίχισε της μοριακή συμπεριφορά των αερίων και εισήγαγε την έννοια της αναλογίας θερμοχωρικότητας. Η αναλογία της ταχύτητας της ροής προς την ταχύτητα του ήχου ονομάστηκε αριθμός Μαχ από τον Ερνστ Μαχ, ο οποίος ήταν από τους πρώτους που εξέτασαν τις ιδιότητες της υπερηχητικής ροής που περιελάμβαναν και τεχνικές φωτογράφησης του Σλίρεν για την οπτικοποίηση των αλλαγών στην πυκνότητα. Οι Ουίλιαμ Τζον Μακκόρν Ράνκιν και Πιερ Ανρί Ουγκονιό ανέπτυξαν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο την θεωρία για τις ιδιότητες της ροής πριν και μετά από ένα ωστικό κύμα. Ο Γιάκομπ Άκερετ προχώρησε την αρχική δουλειά στον υπολογισμό της άνωσης και της αντίστασης σε υπερηχητική αεροτομή. Οι Τεοντόρ φον Καρμάν και Χιου Λάτιμερ Ντράιντεν εισήγαγαν τον όρο διηχητικός για να περιγράψουν ταχύτητες ροής κοντά σε 1 Μαχ όπου η αντίσταση αυξάνεται ραγδαία. Εξαιτίας της αύξησης της αντίστασης καθώς η ταχύτητα πλησιάζει σε 1 Μαχ, οι αεροδυναμιστές και οι αεροπόροι διαφώνησαν στο αν η υπερηχητική πτήση ήταν δυνατό να πραγματοποιηθεί.

Στις 30 Σεπτεμβρίου 1935, έλαβε χώρα στη Ρώμη εξειδικευμένο συνέδριο με θέμα τις πτήσεις υψηλής ταχύτητας και την πιθανότητα να σπάσει το φράγμα του ήχου. Στους συμμετέχοντες βρισκόταν οι Τεοντόρ φον Καρμάν, Λούντβιχ Πραντλ, Γιάκομπ Άκερετ, Ίστμαν Τζέικομπς, Άντολφ Μπούσεμαν, Τζόφρι Ίνγκραμ Τέιλορ, Γκαετάνο Αρτούρο Κρόκο, και Ενρίκο Πιστολέσι. Ο Άκερετ παρουσίασε ένα σχέδιο για την κατασκευή υπερηχητικής αεροδυναμικής σήραγγας. Ο Μπούσεμαν παρουσίασε την ανάγκη ενός αεροσκάφους με κεκλιμένες πτέρυγες για πτήσεις σε υψηλές ταχύτητες. Ο Ίστμαν Τζέικομπς, που εργαζόταν στη NACA (National Advisory Committee for Aeronautics, Αμερικανική Συμβουλευτική Επιτροπή Αεροναυτικής), παρουσίασε τις βελτιστοποιημένες αεροτομές του για υψηλές υποηχητικές ταχύτητες οι οποίες οδήγησαν μερικά από τα Αμερικανικά αεροσκάφη στον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο σε υψηλές αποδόσεις. Συζητήθηκε επίσης η υπερηχητική προώθηση. Το φράγμα του ήχου έσπασε από το Bell X-1 δώδεκα χρόνια αργότερα, εν μέρει εξαιτίας αυτών των προσωπικοτήτων.

Μέχρι την εποχή που έσπασε το φράγμα του ήχου, μεγάλο μέρος της υποηχητικής και χαμηλής υπερηχητικής αεροδυναμικής γνώσης είχε ωριμάσει. Ο Ψυχρός Πόλεμος τροφοδότησε την κατασκευή μιας διαρκώς εξελισσόμενης σειράς αεροσκαφών με υψηλές αποδόσεις. Η Υπολογιστική μηχανική ρευστών ξεκίνησε ως μια προσπάθεια να επιλυθούν ιδιότητες της ροής γύρω από περίπλοκα αντικείμενα και τάχιστα αναπτύχθηκε στο σημείο όπου όλο το αεροσκάφος μπορούσε να σχεδιαστεί με την χρήση ενός υπολογιστή, με τις δοκιμές σε αεροδυναμικές σήραγγες να ακολουθούνται από δοκιμαστικές πτήσεις για να επιβεβαιώσουν τις προβλέψεις του υπολογιστή.

Με ορισμένες εξαιρέσεις, η γνώση της υπερηχητικής αεροδυναμικής ωρίμασε μεταξύ της δεκαετίας του 1960 και τις αρχές του 21ου αιώνα. Ως εκ τούτου, οι στόχοι ενός αεροδυναμιστή μεταβλήθηκαν από την κατανόηση της συμπεριφοράς της ροής του ρευστού στην κατανόηση του πως να σχεδιαστεί ένα όχημα το οποίο θα αλληλεπιδρά κατάλληλα με την ροή του ρευστού. Για παράδειγμα, ενώ η συμπεριφορά της υπερηχητικής ροής είναι κατανοητή, η κατασκευή ενός αεροσκάφους scramjet (αυλοαεριωθητής υπερηχητικής καύσεως) για να πετά σε υπερηχητικές ταχύτητες είχε περιορισμένη επιτυχία. Μαζί με την κατασκευή ενός επιτυχημένου αεροσκάφους scramjet, η ανάγκη βελτίωσης της αεροδυναμικής αποτελεσματικότητας των ήδη υπάρχοντων αεροσκαφών και τα συστήματα προώθησης θα συνεχίσουν να τροφοδοτούν νέες έρευνες στην αεροδυναμική. Παρ' όλα αυτά, υπάρχουν ακόμη σημαντικά προβλήματα στην βασική αεροδυναμική θεωρία, όπως η πρόγνωση μεταβολής σε αναταράξεις, και η ύπαρξη και μοναδικότητα λύσεων στις εξισώσεις Ναβιέρ-Στόουκς.

 Δείτε επίσης 
Ιστορία της αεροπορίας

 Υποσημειώσεις 

 Βιβλιογραφία 

Κατηγορία:Αεροδιαστημική μηχανική
αεροδυναμικη