Il volo alle elevate velocità (transoniche e supersoniche) ha posto ai progettisti una tale mole di problemi la cui risoluzione ha richiesto alcuni decenni di duro e impegnativo lavoro che è culminato nella costruzione di velivoli supersonici. In campo civile la più alta espressione dell’avanzata tecnologia aeronautica è rappresentata dell’unico velivolo supersonico attualmente esistente, il Concord.
L'aviazione entrò nell'era del volo tran-supersonico già dopo la seconda guerra mondiale e ciò pose nuovi problemi, così rivoluzionari che agli studiosi di aerodinamica sembrò di essere ritornati ai tempi dei pericolosi e avventurosi voli sperimentali affrontati dai primi piloti. Infatti, né le complesse analisi matematiche né i miglioramenti apportati alla ricerca da nuove apparecchiature quali la galleria aerodinamica o galleria del vento, al cui interno si effettuano prove su modelli di aerei, potevano garantire in assoluto che, nelle condizioni incontrate durante i voli supersonici, gli aerei avessero prestazioni soddisfacenti.
Il primo serio problema incontrato dagli studiosi di aerodinamica è noto come barriera o muro del suono, e consiste in un fenomeno che si manifesta quando la velocità dell'aereo è prossima a quella del suono nell'aria (approssimativamente 1220 km/h al livello del mare), chiamata in termini tecnici Mach 1. Un aereo in procinto di rompere la barriera del suono si trova sul punto di raggiungere le onde di pressione generate dal suo stesso moto in avanti. La conseguente distorsione del flusso dell'aria a Mach 1 provoca la formazione di un'onda d'urto, nota come urto di compressibilità, che aumenta considerevolmente la resistenza aerodinamica del mezzo. Se l'aereo non è stato adeguatamente progettato per resistere a questa brutale variazione nella natura del flusso d'aria, il suo controllo sarà seriamente, se non addirittura disastrosamente, ridotto.
Un altro problema importante collegato ai voli alle elevate velocità è il rumore prodotto dai motori degli aerei da trasporto supersonici che è più forte e più acuto di quello dei jet subsonici, già causa di seri disturbi per gli operatori degli aeroporti e per la popolazione residente nelle vicinanze. Serie preoccupazioni sono anche volte agli effetti degli scoppi supersonici (i caratteristici bang) che vengono prodotti quando le onde d'urto generate da un aereo in volo supersonico oltrepassano l'ascoltatore. Infatti il fronte d'urto che viaggia con l'aereo si estende per elevate distanze verticali e raggiunge il suolo con un impatto che sembra quello di un'esplosione, anche se l'aereo viaggia a quota elevata. L'onda d'urto può essere così potente da rompere i vetri delle finestre. Esistono norme che vietano il volo supersonico sopra le aree popolate.
Altro problema associato al volo supersonico è l'alta temperatura causata dall'attrito dell'aria contro le superfici esterne dell'aereo, fenomeno conosciuto come barriera termica o muro del calore. Per sopportare le elevate temperature e pressioni generate alle velocità supersoniche, i materiali strutturali devono essere più resistenti al calore di quelli utilizzati per gli aerei subsonici. Il titanio è uno dei metalli capaci di resistere ad alte temperature e alle tensioni elevate cui è sottoposto un aereo supersonico, ma la ricerca di nuovi materiali prosegue senza soste.
In merito all’aerodinamica delle alte velocità, nota come gasdinamica, essa è notevolmente diversa da quella ordinaria o subsonica. Il motivo è da ricercare nel fatto che l’aria, pur essendo un fluido comprimibile ed espandibile, alle basse velocità si comporta da incompressibile, in quanto le variazioni di pressione provocate dal moto dei corpi, sia in seno al fluido sia sulle superfici del corpo, sono molto piccole e quindi trascurabili le conseguenti variazioni di densità e temperatura.
Alle alte velocità le trasformazioni subite dall’aria non possono essere più considerate né a pressione costante, né a volume costante, né a temperatura costante. In generale, poiché l’aria si comporta da compressibile, le sue trasformazioni possono ritenersi isoentropiche o adiabatiche, in quanto sia i gradienti di temperatura sia la conducibilità termica dell’aria sono molto piccoli. Queste considerazioni comportano che all’interno dello strato limite le forze di attrito sono finite e non trascurabili mentre all’esterno di esso il fluido si comporta come un gas isoentropico.