Samoloty naddźwiękowe. Wyzwania związane z latającym konstrukcjami naddźwiękowymi
1947 Pionierem ery naddźwiękowej był amerykański pilot testowy Chuck Yeager na pokładzie eksperymentalnego samolotu Bell XS-1 (od Experimental Supersonic) z rakietowym silnikiem XLR-11. Pokonał prędkość dźwięku w kontrolowanym locie poziomym. Samolot (1) został wyniesiony na wysokość początkową testu przez bombowiec B-29 Superfortress. Osiągnięta prędkość wyniosła 1126 km/h (1,06 macha) na wysokości 13 115 metrów.
Co do pierwszeństwa w locie naddźwiękowym są pewne kontrowersje. Niemiecki pilot Hans Guido Mutke twierdził, że jako pierwszy przekroczył barierę dźwięku 9 kwietnia 1945 roku na samolocie Messerschmitt Me 262, jednak nie zostało to udowodnione. Również George Welch, pilot testowy samolotu XP-86, twierdził, że 1 października 1947 roku, dwa tygodnie przed Yeagerem, przekroczył barierę dźwięku w płytkim locie nurkowym.
1950 Podczas kolejnego w serii lotu testowego radziecki myśliwiec odrzutowy MiG-17 (2) w locie nurkowym przekroczył prędkość dźwięku, przyspieszając do prawie 1070 km/h. Dzięki temu stał się pierwszym naddźwiękowym samolotem produkowanym seryjnie. Samolot powstał w 1949, a pierwszy prototyp oblatano w 1950. Stanowił on rozwinięcie myśliwca MiG-15.
lata 50. XX wieku Stany Zjednoczone rozpoczynają prace nad rozwojem własnego naddźwiękowego samolotu pasażerskiego w ramach finansowanego przez rząd projektu Boeing 2707. Pierwotnie projekt zakładał budowę dużego samolotu, który miał pomieścić 250-300 pasażerów i osiągać prędkość 3 Ma.
Pomimo początkowego zainteresowania i zamówień od ponad dwóch tuzinów linii lotniczych, projekt wzbudzał kontrowersje zarówno w Waszyngtonie, jak i poza nim. W wyniku rządowych cięć w finansowaniu projektu, amerykański projekt ponaddźwiękowej maszyny pasażerskiej został anulowany w 1971 roku.
1961 Samolot Douglas DC-8-43 przekracza prędkość 1 Ma w kontrolowanym nurkowaniu podczas lotu próbnego w bazie Edwards. Załogę stanowili William Magruder (pilot), Paul Patten (drugi pilot), Joseph Tomich (inżynier lotu) i Richard H. Edwards (inżynier prób lotu). Był to pierwszy naddźwiękowy lot cywilnego samolotu pasażerskiego.
1962 Pierwszy lot samolotu Lockheed SR-71 Blackbird (3), strategicznego samolotu rozpoznawczego o maksymalnej prędkości 3700 km/h (3,5 Ma), najszybszego samolotu, jak kiedykolwiek wprowadzony został do służby operacyjnej w siłach powietrznych.
Główne zalety to szybkie przyspieszenie i duża manewrowość, co pozwoliło mu uniknąć pocisków. Z pułapem lotu do 26 tysięcy metrów, był poza zasięgiem jakichkolwiek innych samolotów wojskowych oraz przeciwlotniczej broni naziemnej. SR-71 był również pierwszym samolotem wyposażonym w technologie zmniejszające sygnaturę radarową. W sumie zbudowano 32 jednostki. Usunięty ze służby w 1998 roku ze względu na wysokie koszty eksploatacyjne.
1967 Projekt North American X-15 (4) podjęty został jeszcze w latach 50. XX wieku. Samolot rakietowy w prawie dwustu lotach wykonanych za pomocą różnych wersji pobił wiele rekordów prędkości i pułapu lotu. Jego wersja X-15A-2 w październiku 1967 osiągnęła prędkość 7274 km/h (2021 m/s).
Rekordy wysokości lotu ustanowione przez X-15 pozostały niepobite przez żaden pilotowany pojazd latający z wyjątkiem promu kosmicznego, aż do lotu prywatnego samolotu suborbitalnego SpaceShipOne w 2004. W dwóch lotach w 1963 roku przekroczono linię Kármána, umowną granicę przestrzeni kosmicznej. Uchodzi za jedyny załogowy samolot hipersoniczny w historii ludzkości.
1968-69 Pierwszy lot radzieckiego samolotu Tu-144 odbył się 31 grudnia 1968 roku. Angielsko-francuski samolot Concorde wykonał swój pierwszy lot nieco ponad dwa miesiące później, trzeciego lutego 69 roku, choć jego prototyp zaprezentowany został publicznie ponad rok wcześniej, w grudniu 1967 roku.
Nazwa Concorde, co po polsku oznacza zgodę, była nieprzypadkowa. Był wynikiem międzynarodowego porozumienia między Francją i Wielką Brytanią. Do produkcji tej maszyny zaprzęgnięto państwowe konsorcja Aérospatiale oraz British Aircraft Corporation. Dwa prototypy Concorde budowane były równocześnie w dwu krajach - prototyp 001 w Tuluzie, a prototyp 002 w Filton (południowo-zachodnia Anglia). To właśnie francuski prototyp został zaprezentowany jako pierwszy i jako pierwszy wzbił się w powietrze. Angielski prototyp dokonał tego samego nieco ponad miesiąc po francuskim - 9 kwietnia 1969 roku.
Loty pokazowe, włącznie z lotem przez Atlantyk, rozpoczęły się na przełomie 1971 i 1972 roku. Loty rejsowe Concorde’a zaczęły się dopiero w 1976 roku. Samolot zabierał maksymalnie 128 osób (wraz z załogą), miał bardzo małą przestrzeń ładunkową (40 m³). Maksymalnie rozpędzał się do 2270 km/h na wysokości przelotowej, osiągając pułap 18 300m i zasięg 7250 km. Spalał przy tym ogromne ilości paliwa, wymagał specjalnych wzmocnień i mechanizmów sterujących podczas lotu. Był bardzo wymagający podczas startu i lądowania, choćby pod względem długości pasa startowego. Podczas startu generował ogromny hałas, a przekraczając barierę dźwięku, powodował grom dźwiękowy. Potrafił jednak przelot na trasie Paryż-Nowy Jork skrócić ze standardowych ośmiu godzin do nieco poniżej 3,5 godziny.
Concorde ostatni swój lot odbył 30 maja 2003. Tu-144 (5) był wizualnie bardzo podobny do Concorde’a, a niektórzy twierdzili, że Rosjanie wykradli pełne dane konstrukcyjne. Było to jednak o tyle wykluczone, że samolot radziecki był maszyną mającą o wiele gorsze parametry od Concorde’a, o wiele bardziej zawodną, często psującą się i droższą w eksploatacji.
Pierwszy Tu-144S wszedł do służby 26 grudnia 1975, przewożąc ładunki i pocztę. Loty pasażerskie rozpoczął 1 listopada 1977 na trasie Moskwa-Ałma-Ata (była to jedyna trasa regularnych lotów pasażerskich tego samolotu). Tu-144 w okresie służby miał dwie oficjalne katastrofy. Concorde tylko jedną (25 lipca 2000 r.). Radzieckie maszyny po cichu i stopniowo były wycofywane ze służby, a ostatni lot odbył się 14 kwietnia 1999 roku.
2000-03 Amerykańska wojskowa agencja ds. zaawansowanych projektów (DARPA) wystartowała z programem "cichej platformy naddźwiękowej" (Quiet Supersonic Platform). Efektem był projekt o nazwie "Shaped Sonic Boom Demonstrator", czyli samolot Northrop F-5 z mocno zmienionym kształtem przedniej części kadłuba, który w 2003 r. dowiódł, że fala uderzeniowa wokół samolotu może zostać zmodyfikowana tak, aby zmniejszyć poziom gromu naddźwiękowego.
2006-07 W poszukiwaniu konstrukcji redukującej grom dźwiękowy, która gładko przecina powietrze, to najlepszy sposób tworzenia fal uderzeniowych o mniejszej, bardziej równomiernie rozłożonej sile, która rozprasza się w atmosferze, nie łącząc w silne przednie i tylne fale uderzeniowe, firma Gulfstream przeprowadził we współpracy z NASA, testy Quiet Spike, zamocowanej na Boeing F-15.
Zbudowana z kompozytów z włókna węglowego, wysuwana iglica dziobowa (6) była używana przy prędkościach sięgających 1,8 Ma. Wysuwano go w powietrzu, aby rozbijał fale uderzeniową na trzy mniejsze uderzenia. Amerykańska agencja kosmiczna NASA przeprowadziła w swoich ośrodkach badawczych liczne obliczenia na różnych modelach konstrukcji latających w poszukiwaniu metody na złagodzenie szoku akustycznego. Dopracowała się projektu nazywanego QueSST (Quiet Supersonic Technology), który ma być o 40 proc. cichszy niż Concorde.
2014 W amerykańskim Denver powstaje firma Boom Technology, Inc, znana lepiej pod handlową nazwą Boom Supersonic. Jej głównym celem jest stworzenie nowej generacji, cichszych, naddźwiękowych samolotów pasażerskich a najbardziej znaną konstrukcją Boom Overture.
2015 Japońscy konstruktorzy budują bezzałogowy płatowiec model D-SEND 2 (7). Jego kształt został zaprojektowany w specjalny sposób, pozwalający na znaczne zmniejszenie intensywności i liczby fal uderzeniowych, które pojawiają się podczas lotu samolotu z prędkością ponaddźwiękową. Skuteczność innowacji zaproponowanych w ten sposób przez japońskich naukowców została udowodniona podczas testów D-SEND 2. Odbyły się one w Szwecji w lipcu 2015 roku.
Jesienią "przyspieszył" do prędkości 1,39 macha. Długość samego D-SEND 2 wynosi 7,9 metra. Po testach japońscy konstruktorzy samolotów mogli stwierdzić, że intensywność fal uderzeniowych podczas lotu konstrukcji ich pomysłu z prędkością przekraczającą prędkość dźwięku propagacja fali uderzeniowej jest dwukrotnie mniejsza niż w Concorde.
2015 Airbus patentuje naddźwiękową konstrukcję o nazwie Concorde 2. Jego prędkość maksymalna miałaby wynosić 4,5 macha. Pozwoliłoby to na przelot z Londynu do Nowego Jorku w ciągu godziny. Airbus twierdzi, że samolot będzie w stanie odbyć takie podróże jak do Tokio do Los Angeles w ciągu zaledwie trzech godzin.
Samolot wspinać się ma pionowo i łamać barierę dźwięku po przejściu do lotu horyzontalnego. Patent opisuje, w jaki sposób trzy różne typy silników, napędzanych różnymi formami wodoru, współpracowałyby ze sobą w celu napędzania pojazdu z prędkością 5500 km/h. Dwa turboodrzutowe silniki pozwoliłyby samolotowi wspiąć się pionowo przy starcie. Silnik rakietowy wyprowadziłby go na wysokość 30 000 metrów. Silniki strumieniowe (ramjet) montowane na skrzydłach przejęłyby wtedy kontrolę do osiągnięcia ostatecznej prędkości.
2016 Początek prac nad projektem Lockheed Martin X-59 QueSST ("Quiet SuperSonic Technology"), eksperymentalnego samolotu naddźwiękowego opracowywany w Skunk Works na potrzeby programu NASA Low-Boom Flight Demonstrator. X-59 (8) miał być według planu gotowy jako prototyp pod koniec 2021 roku, by od 2022 roku przeprowadzić testy w locie. Oczekuje się, że będzie przelatywał z prędkością 1,42 Ma (1,510 km/h) i 16800 m, tworząc niski grom dźwiękowy.
2018 Początek prac nad nowym samolotem dyspozycyjnym (ang. business jet) charakteryzującym się możliwością lotu z prędkością ponaddźwiękową. Pracują nad tym specjaliści z Lockheed Martin. Klientem jest NASA.
2018 Rosyjskie zakłady lotnicze "Tupolew" rozpoczynają prace nad Tu-160M2, nowym typem naddźwiękowego samolotu, który ma zabierać do trzydziestu pasażerów i mieć masę 70 ton. Prędkość samolotu, według zapowiedzi, wyniesie od 1,4 do 1,8 macha.
2019 Boom Supersonic prezentuje naddźwiękowy odrzutowiec XB-1. Samolot, który został wykonany ze specjalnego kompozytu węglowego, ma 22 metry długości. Docelowo ma latać z prędkością aż 2,2 macha, czyli nieco ponad 2,5 tys. km/h.
czerwiec 2021 United Airlines, jako pierwsze amerykańskie linie lotnicze, podpisują umowę z firmą Boom Supersonic, na mocy której przewoźnik wyposażyć ma swoją globalną flotę w naddźwiękowe maszyny Boom Overture (9), po spełnieniu przez tę maszynę wysokich wymagań United w zakresie bezpieczeństwa, eksploatacji i zrównoważonego rozwoju.
Samolot Overture ma zabierać na pokład od 65 do 88 pasażerów, a jego długość całkowita ma wynosić 62,5 m. Zasięg maszyny to 7800 km, maksymalny pułap wyniesie 18288 m a prędkość przelotowa 1,7 Ma (2082 km/h). Oczekuje się, że po wprowadzeniu do eksploatacji Overture będzie pierwszym dużym samolotem komercyjnym o zerowej emisji dwutlenku węgla netto od pierwszego dnia eksploatacji, zoptymalizowanym do zasilania w 100 proc. zrównoważonym biopaliwem lotniczym (SAF). Samolot ma zostać wprowadzony na rynek w 2025 r., polecieć rok później i przewieźć pierwszych pasażerów do 2029 r.
Wyzwania związane z latającym konstrukcjami naddźwiękowymi
1. Aerodynamika
Ponieważ siła oporu gwałtownie wzrasta wraz z prędkością, kluczowym priorytetem przy projektowaniu samolotów naddźwiękowych jest zminimalizowanie tej siły poprzez obniżenie współczynnika oporu. Do pewnego stopnia samoloty naddźwiękowe radzą sobie z oporem powietrza również poprzez loty na większych wysokościach niż samoloty poddźwiękowe, gdzie gęstość powietrza jest mniejsza. Gdy prędkości zbliżają się do prędkości dźwięku, pojawia się dodatkowe zjawisko oporu falowego. Zaczyna się przy prędkościach poddźwiękowych (około 0,88 Ma). W pobliżu 1 Ma, szczytowy współczynnik oporu jest czterokrotnie większy niż w przypadku oporu poddźwiękowego.
2. Kwestie konstrukcyjne
Naddźwiękowe prędkości pojazdów wymagają węższych konstrukcji skrzydeł i kadłubów, które poddawane są większym naprężeniom i temperaturom. Prowadzi to do problemów z aeroelastycznością, które wymagają cięższych konstrukcji, aby zminimalizować niepożądane wygięcia. Wymagają także znacznie mocniejszej (a więc cięższej) konstrukcji, ponieważ ich kadłub musi być poddany większemu ciśnieniu niż w przypadku samolotów poddźwiękowych, które nie operują na dużych wysokościach niezbędnych do lotu naddźwiękowego.
3. Wysokie koszty
Boeing 747 mógł przewieźć ponad trzy razy więcej pasażerów niż Concorde, zużywając przy tym mniej więcej tyle samo paliwa.
4. Hałas przy starcie
Jednym z problemów związanych z eksploatacją Concorde’a i Tu-144 był wysoki poziom hałasu silników, związany z bardzo dużymi prędkościami odrzutowca używanymi podczas startu.
5. Huk dźwiękowy
Huk dźwiękowy nie był uważany za poważny problem ze względu na duże wysokości, na których latały samoloty, ale eksperymenty z połowy lat 60. dowiodły, że jest inaczej. Dokuczliwości boomu sonicznego można uniknąć, czekając, aż samolot znajdzie się na dużej wysokości nad wodą, zanim osiągnie prędkości naddźwiękowe; taką technikę zastosował Concorde. Wyklucza to jednak loty naddźwiękowe nad zaludnionymi obszarami.
6. Potrzeba eksploatacji samolotu w szerokim zakresie prędkości
Aerodynamiczny projekt samolotu naddźwiękowego musi zmieniać się wraz z jego prędkością, aby uzyskać optymalne osiągi. W związku z tym SST idealnie zmieniałby kształt podczas lotu, aby utrzymać optymalne osiągi zarówno przy prędkościach poddźwiękowych, jak i naddźwiękowych. Taka konstrukcja wprowadziłaby złożoność, która zwiększyłaby potrzeby konserwacyjne, koszty operacyjne i problemy związane z bezpieczeństwem. W praktyce wszystkie transportowce naddźwiękowe używały zasadniczo tego samego kształtu do lotów pod- i naddźwiękowych, wybierając kompromis w zakresie osiągów, często ze szkodą dla lotów z małymi prędkościami.
7. Temperatura powłoki ochronnej
Przy prędkościach naddźwiękowych samolot adiabatycznie spręża powietrze przed sobą. Podwyższona temperatura powietrza powoduje nagrzewanie się samolotu. Samoloty poddźwiękowe są zazwyczaj wykonane z aluminium. Jednak aluminium, choć lekkie i wytrzymałe, nie jest w stanie wytrzymać temperatur znacznie przekraczających 127°C; powyżej 127°C aluminium stopniowo traci swoje właściwości. W przypadku samolotów, które latają z prędkością 3 Ma, zastosowano materiały takie jak stal nierdzewna (XB-70 Valkyrie, MiG-25) lub tytan (SR-71, Suchoj T-4), co wiąże się ze znacznym wzrostem kosztów, gdyż właściwości tych materiałów znacznie utrudniają produkcję samolotu. W 2017 roku odkryto nowy materiał powłok ceramicznych z węglików spiekanych, który może wytrzymać temperatury występujące przy 5 Ma i wyżej, być może nawet 3000°C.
8. Wpływ na środowisko naturalne
Międzynarodowa Rada ds. Czystego Transportu (ICCT) szacuje, że naddźwiękowce w użytku spalałby od 5 do 7 razy więcej paliwa na pasażera. Gdyby w 2035 r. istniało 2000 SST, na 160 lotniskach odbywałoby się 5000 lotów dziennie, to flota emitowałaby ~96 mln ton metrycznych CO₂ rocznie, od 1,6 do 2,4 gigaton CO₂ w ciągu 25-letniego okresu eksploatacji.
M.U.
