Naddźwiękowce w cichym wcieleniu? Ciszej tam, na górze!
Brak możliwości szybkiego latania nad lądem sprawił, że Concorde przestał być atrakcyjny dla linii lotniczych. Naddźwiękowe latanie pasażerskie nie zniknęło jednak zupełnie z rynku, bo wciąż były i są firmy oferujące biznesowym klientom takie przeloty w mniejszych maszynach. Przykładowo, linie Gulfstream budują wart 65 mln dolarów odrzutowiec dla biznesu, który rozwija prędkość Mach 0,925, czyli nieco poniżej bariery dźwięku. Szefowie firmy uważają bowiem, że ich klienci gotowi są zapłacić więcej za szybsze latanie. Nie ma jednak wątpliwości, że wizja masowego transportu naddźwiękowego stała się na całe lata mrzonką.
Ale samo marzenie nie wygasło. Badacze w różnych ośrodkach lotniczych i kosmonautycznych ze zdwojoną energią zaczęli szukać sposobów na wyciszenie hałaśliwych odrzutowców. Od lat 70. XX-wieku próbowano walczyć z ostrą falą uderzeniową na różne sposoby. Choćby za pomocą nowatorskich kształtów skrzydeł. Były też pomysły jonizowania powietrza przed samolotem za pomocą wiązek laserowych. Niestety, jak dotychczas próby okazały się mało skuteczne. Jednak eksperci nie przestają uważać, iż zmiana kształtów samolotu, zmierzająca do uzyskania dłuższej, bardziej smukłej konstrukcji, gładko przecinającej powietrze, to najlepszy sposób łagodzenia sił fal uderzeniowych, bardziej równomiernie rozłożonych, rozpraszanych w atmosferze, pozbawionych silnych przednich i tylnych składowych fali.
Długi dziób
W latach 2006 i 2007, w ramach projektu Quiet Spike, linia Gulfstream przeprowadziła we współpracy z NASA testy tego rodzaju konstrukcji, zamocowanej na Boeingu F-15. Zbudowana z kompozytów z włókna węglowego wysuwana iglica dziobowa była używana przy prędkościach sięgających Mach 1,8 - rozbijała falę uderzeniową na trzy mniejsze składowe.
Efekty podobne do zmodyfikowanego dziobu dają mocno zakrzywione skrzydła, a także wydłużenie tej ich części, która jest mocowana do kadłuba. Ogólny cel wszystkich tych modyfikacji polega na uzyskaniu fali uderzeniowej o kształcie sinusoidalnym, która przekształci ostre podwójne uderzenie w prawie niedosłyszalne miękkie bębnienie.
Nie tylko jednak dziób i ogon potrzebują zmian konstrukcyjnych. Pod uwagę trzeba brać także złożone systemy wlotów i dysz silnikowych.
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% cichszy niż Concorde.
Zejść z decybelami
W samolocie naddźwiękowym fale uderzeniowe z dziobu, kokpitu, wlotów, skrzydeł i innych elementów, przemieszczając się w atmosferze, łączą się w silne uderzenie rozchodzące się od dzioba i ogona. To właśnie przednia i tylna fala uderzeniowa. Gdy te fale docierają do kogoś na powierzchni Ziemi, ciśnienie szybko wzrasta, potem spada i znów wzrasta. To stąd bierze się klasyczny dźwięk „podwójnego uderzenia” w gromie naddźwiękowym.
Hałas gromu naddźwiękowego mierzy się za pomocą poziomu odbieranych decybeli (PLdB). Grom Concorde’a wynosił 105 PLdB, od czego trzęsły się szyby w oknach. Według badaczy dla lotów nad lądem akceptowalny mógłby już być poziom 75 PLdB. Cel NASA jest jeszcze bardziej ambitny – wynosi 70 PLdB lub mniej. Dałoby się to osiągnąć w niedużych samolotach dla biznesu, ponieważ poziom intensywności huku jest proporcjonalny do masy maszyny.
Konstrukcje Boeinga i firmy Lockheed Martin, sfinansowane przez NASA, mogące zabrać 30 do 80 pasażerów, osiągnęły w tunelach aerodynamicznych poziom 79 PLdB. Na tym poziomie grom naddźwiękowy rzeczywiście bardziej przypomina bębnienie niż głośny huk.
Dla dużych samolotów pasażerskich to jednak znacznie trudniejsze do osiągnięcia. NASA stawia sobie więc za cel zejście w ich przypadku do 85 PLdB i sądzi, że da się takie modele zbudować już do 2020 r. Maszyny, osiągające prędkości Mach 1,6-1,8, byłyby nieco mniejsze i wolniejsze niż Concorde, ale za to znacznie cichsze i wydajniejsze.
Nad podobnymi projektami zaczęło pracować także wojsko. Amerykańska wojskowa agencja ds. zaawansowanych projektów (DARPA) jeszcze w 2000 r. 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. W 2003 r. dowiedziono, że fala uderzeniowa wokół tego samolotu może zostać zmodyfikowana tak, aby zmniejszyć poziom gromu naddźwiękowego.
Jak się okazuje, jest jednak inny sposób na loty nieco powyżej prędkości dźwięku, bez nadmiernego hałasu. Można oto wykorzystać zjawisko związane z liczbą Macha, która wzrasta tak, jak wzrasta prędkość dźwięku wraz ze wzrostem temperatury. W praktyce oznacza to załamanie uderzeniowej fali dźwiękowej w cieplejszych warstwach atmosfery, bliżej gruntu. Poniżej progu Mach 1,2 fala uderzeniowa z samolotu lecącego na wysokości 10,5 km nigdy nie dotrze do powierzchni ziemi i nie usłyszymy żadnego gromu.
Aerion, firma lotnicza z USA, która projektuje samoloty o opływowych, redukujących opory kształtach, zarówno nad- jak i poddźwiękowe, zaczęła zastanawiać się, jak wykorzystać to zjawisko, bez konieczności pracy nad kształtowaniem dziobu, kadłuba itd. Jednak jej przedstawiclele muszą jeszcze przekonać jakiegoś producenta, aby wyprodukował samolot wg przygotowywanych projektów.
