Czy wrócą pasażerskie samoloty naddźwiękowe? W 80... minut dookoła świata
Pomysłów na super- a nawet hiperszybkie latanie nie brakuje. Gorzej z konkretami, np. w czerwcu 2022 r. kolejna (bo jest ich w ostatnich lata sporo) firma, Venus Aerospace, chce polecieć z Los Angeles do Tokio w godzinę. Firma z Houston w Teksasie udostępniła renderingi hipersonicznego samolotu pasażerskiego o nazwie Stargazer (1), który zamierza zbudować do użytku komercyjnego. Samolot ma przewozić dwunastu pasażerów z prędkością do 9 machów, czyli ponad 11 tys. km na godzinę.
Chociaż firma Venus Aerospace określa Stargazera jako "samolot kosmiczny", jego maksymalna wysokość wyniesie "jedynie" około 52 kilometrów, znacznie poniżej linii Kármána, znajdującej się 100 kilometrów nad Ziemią, która jest powszechnie uważana za granicę przestrzeni kosmicznej. Nie jest jednak jasne, kiedy Venus Aerospace będzie mieć gotowy prototyp w pełnej skali ani tym bardziej - kiedy samolot może być gotowy do użytku komercyjnego.
Choć starsza i zdawałoby się lepiej osadzona w realiach, brytyjska firma lotnicza Reaction Engines proponuje do lotów pasażerskich swoja konstrukcję SABRE (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine) wykorzystującą jako paliwo kombinację wodoru i tlenu. Może on osiągnąć maksymalną prędkość 5,4 macha w atmosferze ziemskiej, a w przestrzeni kosmicznej może osiągnąć nawet 25 machów. W silniku Reaction Engines do chłodzenia stosuje się ciekły hel, co, jak mają nadzieję konstruktorzy, rozwiąże główny problem napędów hipersonicznych.
Testy nowego silnika zostały opóźnione z powodu pandemii. Jeśli jednak wszystko pójdzie zgodnie z planem, hipersoniczne odrzutowce komercyjne mamy zobaczyć już w 2030 r.
Także znana z największej jednostki latającej jaką znamy, firma Stratolaunch przygotowuje się do uruchomienia swojego pierwszego hipersonicznego pojazdu testowego - Talon-A. Ten pojazd, o długości 8,5 metra i rozpiętości skrzydeł ponad 3,4 metra, ma być zdolny do długotrwałego lotu z prędkością ponad 5 machów. Po wystrzeleniu z gigantycznego samolotu Roc i locie może wykonać autonomiczne lądowanie poziome. Jest również zdolny do autonomicznego startu z konwencjonalnych pasów startowych. Stratolaunch przygotowuje się do testów funkcjonalnych zaplanowanych już na 2022 r.
Śmiałe, ale odległe w czasie wizje
Hiperszybkie projekty mają to do siebie, że wybiegają zwykle w daleką przyszłość. Bliższe wydają się inicjatywy przywrócenia pasażerskich lotów naddźwiękowych, które ruszyły niemal natychmiast po wycofaniu Concorde’a.
Jednym z najbardziej znanych jest tu startup Boom Supersonic, działający od 2014 r. który od kilku lata rozwija konstrukcję Overture, naddźwiękowego samolotu zaprojektowanego tak, aby mógł pomieścić od 65 do 88 osób. Miałby latać na ponad pięciuset trasach, głównie międzykontynentalnych, na których będzie można korzystać z prędkości 2,2 macha. Choć przed firmą wciąż jeszcze wiele prac projektowych i testów, duże amerykańskie linie United Airlines podpisały wstępną umowę na zakup 15 samolotów tego typu z zamiarem wprowadzenia ich do służby komercyjnej w 2029 roku (2).
Dążenie do wznowienia naddźwiękowych lotów pasażerskich prawie dwie dekady po wycofaniu Concorde’a widać w wielu innych firmach i organizacjach np. producent samolotów Bombardier zapowiedział niedawno, że będący w trakcie opracowania model Global 8000 będzie "najszybszym na świecie odrzutowcem biznesowym" (3). Samolot ma mieścić do 19 pasażerów, oferować zasięg 14800 km i maksymalną prędkość 0,94 macha. Do służby wejdzie w 2025 roku. Inny pojazd testowy tej firmy, Global 7500, przełamał barierę dźwięku podczas lotu demonstracyjnego w maju ubiegłego roku, osiągając prędkość ponad 1,015 macha.
Także Virgin Galactic Richarda Bransona pracuje nad komercyjnym odrzutowcem, który mógłby latać z prędkością przekraczającą 3 machy. Jest też oczywiście konstrukcja X-59 z wcześniejszymi prototypami, nad którymi NASA pracuje od wielu lat.
Grom i inne problemy
Co zakończyło karierę Concorde’a (4)? Nie, nie tragedia w Paryżu w 2000 r., choć nie była bez znaczenia dla ogólnego postrzegania słynnej konstrukcji. Głównym problemem sprawiającym, że użytkowanie naddźwiękowców stało się nieopłacane, były ograniczenia w prędkości maszyn nad lądem ze względu na grom dźwiękowy. To sprawiło, że Concorde przestał być atrakcyjny dla linii lotniczych. Naddźwiękowe latanie pasażerskie nie zniknęło całkiem z rynku, bo wciąż były firmy oferujące klientom biznesowym takie przeloty w mniejszych maszynach, a projektowane są nowe konstrukcje tej klasy. Oprócz wspomnianego Bombardiera także np. linie Gulfstream budują nowy odrzutowiec dla biznesu, który rozwija prędkość 0,925 macha, nieco poniżej bariery dźwięku, bo uważają, że ich klienci gotowi są zapłacić więcej za szybsze latanie.
Marzenie o naddźwiękowcach nie wygasło. Konstruktorzy muszą jednak poradzić sobie z problemem hałasu, który nie pojawił się nagle w tym wieku. Jeszcze w latach 70. XX wieku próbowano walczyć z ostrą falą uderzeniową na różne sposoby. Na przykład za pomocą nowatorskich kształtów skrzydeł. Były też pomysły na jonizowanie powietrza przed samolotem za pomocą wiązek laserowych.
Eksperci nie przestają uważać, iż zmiana kształtów samolotu, zmierzająca do uzyskania dłuższej, bardziej smukłej, konstrukcji, 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.
W 2006 i 2007 roku Gulfstream przeprowadził we współpracy z NASA testy takiej konstrukcji, nazywanej Quiet Spike, zamocowanej na maszynie F-15. Zbudowana z kompozytów z włókna węglowego, wysuwana iglica dziobowa była używany przy prędkościach sięgających 1,8 macha. Wysuwano ją w powietrzu, aby rozbijała 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% cichszy niż Concorde. Prace nad projektem Lockheed Martin X-59xQueSST (Quiet SuperSonic Technology), eksperymentalnego samolotu naddźwiękowego opracowywanego w Skunk Works na potrzeby programu NASA Low-Boom Flight Demonstrator zaczęły się 2016 r. X-59 (5) 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 macha (1510 km/h) i na wysokości 16800 m, tworząc niski grom dźwiękowy.
Hałas gromu naddźwiękowego mierzy się za pomocą poziomu odbieranych decybeli (PLdB). Grom Concorde’a wynosił 105 PLdB. Według badaczy poziom 75 PLdB mógłby już być akceptowalny dla lotów nad lądem. Cel NASA jest bardziej ambitny - 70 PLdB lub mniej. To dałoby się osiągnąć w niedużych samolotach dla biznesu, ponieważ poziom intensywności huku jest proporcjonalny do masy maszyny. Dla dużych samolotów pasażerskich to jednak znacznie trudniejsze do osiągnięcia. NASA stawia sobie za cel zejście do 85 PLdB w większych maszynach. Konstrukcje docelowe, osiągające prędkości 1,6-1,8 macha, byłyby nieco mniejsze i wolniejsze niż Concorde, ale za to znacznie cichsze i wydajniejsze.
Także wojsko USA zaczęło nad podobnymi projektami pracować. Agencja ds. zaawansowanych projektów (DARPA) wystartowała z programem "cichej platformy naddźwiękowej" (Quiet Supersonic Platform) jeszcze w 2000 r. 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 w sposób znacznie redukujący poziom gromu naddźwiękowego.
W 2015 r. japońscy konstruktorzy zbudowali bezzałogowy płatowiec model D-SEND 2. 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.
W kolejnych testach japoński prototyp przyspieszył do prędkości 1,39 macha. Po testach japońscy konstruktorzy ogłosili, że podczas lotu konstrukcji ich pomysłu z prędkością przekraczającą prędkość dźwięku propagacja fali uderzeniowej jest dwukrotnie mniejsza niż w przypadku Concorde.
W tym samym roku, w którym swoją konstrukcję stworzyli Japończycy, firma Airbus opatentowała 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 z 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 turbodrzutowe 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.
Przy tej wysokości problem gromu naddźwiękowego przestaje istnieć. Ma to związek z innym zjawiskiem, które można wykorzystać w dążeniu do redukcji hałasu generowanego przez tego typu maszyny. To zjawisko związane do pewnego stopnia z tzw. 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 1,2 macha fala uderzeniowa z samolotu lecącego na wysokości 10,5 kilometra nigdy nie dotrze do powierzchni ziemi.
Są inne problemy techniczne w konstruowaniu superszybkich samolotów. Ponieważ siła oporu gwałtownie wzrasta wraz z prędkością, priorytetem przy projektowaniu samolotów naddźwiękowych jest minimalizowanie tej siły poprzez obniżenie współczynnika oporu. Do pewnego stopnia samoloty naddźwiękowe radzą sobie z oporem powietrza również przez 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 macha). W pobliżu 1 macha, szczytowy współczynnik oporu jest czterokrotnie większy niż w przypadku oporu poddźwiękowego.
Naddźwiękowe prędkości pojazdów wymagają węższych konstrukcji skrzydeł i kadłubów, które poddawane są większym naprężeniom i temperaturom. Prowadzi to do problemów z aeroelastycznością, które zwalcza się przez stosowanie znacznie mocniejszych, a więc cięższych, konstrukcji ponieważ ich kadłub musi być poddany większemu ciśnieniu niż w przypadku samolotów poddźwiękowych.
Aerodynamiczny projekt samolotu naddźwiękowego musi zmieniać się wraz z jego prędkością, aby uzyskać optymalne osiągi. W związku z tym samolot naddźwiękowy w idealnej sytuacji powinien zmieniać kształt podczas lotu, aby utrzymać optymalne osiągi zarówno przy prędkościach poddźwiękowych, jak i naddźwiękowych. Taka konstrukcja wprowadziłaby jednak 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 kompromisy w zakresie osiągów, często ze szkodą dla lotów z małymi prędkościami.
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, źle znosi temperatury znacznie przekraczające 127°C, tracąc stopniowo 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 wytworzono nowy materiał powłok ceramicznych z węglików spiekanych, który może wy-trzymać temperatury występujące przy 5 Ma i więcej być może nawet 3000°C. Badania trwają.
Międzynarodowa Rada ds. Czystego Transportu (ICCT) szacuje, że naddźwiękowce w użytku spalałyby od 5 do 7 razy więcej paliwa na pasażera niż tradycyjne samoloty pasażerskie. Kolejnym więc problemem, z którym muszą zmierzyć się twórcy jednostek naddźwiękowych, jest wielka emisyjność szybkiego latania.
Z Nowego Jorku do Sydney via kosmos
Od niedawna pojawiała się coraz poważniej brana pod uwagę nowa alternatywa dla naddźwiękowego transportu samolotowego, jaka wyłania się w rozwoju techniki rakietowej, zwłaszcza osiągnięć firmy SpaceX Elona Muska. O tym, że nie są to żarty, świadczy ujawniony wspólny plan amerykańskich sił zbrojnych i firmy Muska zbudowania rakiety o prędkości maksymalnej 12 tys. km/h, która mogłaby dostarczać broń szybko i w dowolne miejsce na świecie. Plany mówią o rakiecie, która może wynieść 80 ton ładunku i wylądować w dowolnym miejscu na świecie w ciągu około godziny. Dla porównania, amerykański latający transportowiec C-17 Globemaster pokonałby trasę np. z Florydy do Afganistanu w około 15 godzin.
Czy duże rakiety, np. klasy Starship, konstruowane przez SpaceX, które startowałyby jak rakiety, wzlatywały do lotu orbitalnego na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) i lądowały pionowo, techniką znaną już dobrze firmie Muska, to realna alternatywa dla transportu lotniczego? Ile to będzie kosztowało? A co ze skutkami środowiskowymi?
Starshipowi, jak na razie, udało się raz wylądować bez szwanku, więc nie można powiedzieć, że jest to manewr rutynowy dla tego typu rakiety. A co do ekonomii i kwestii ochrony środowiska, to spala ponad cztery tysiące ton paliwa podczas startu, a jego rakieta wspomagająca (Super-Heavy) jest zasilana metanem. Metan spala się dość czysto. Porównajmy to z rakietą SLS NASA, która jest napędzana wodorem i silnikiem na paliwo stałe, jej ładowność wynosi mniej niż 70% ładunku Starshipa. Jeden start SLS wytwarza około 538 ton dwutlenku węgla, 5,1 tony sadzy, 8,5 tony tlenków azotu, 302 tony chloru i 423 tony szkodliwego dla stratosfery tlenku glinu. To cała gama substancji chemicznych, z których wszystkie są dość szkodliwe. Dla porównania Starship wytwarza prawie 2,7 tysiąca ton dwutlenku węgla i 1,7 tony tlenków azotu, i poza jeszcze parą wodną to wszystko, żadnego toksycznego gazu. Starship produkuje jednak o 60% więcej dwutlenku węgla na kilogram ładunku użytecznego niż SLS.
Nazywanie Starshipa "przyjaznym dla środowiska", co chętnie robi SpaceX, wydaje się więc trochę naciągane. Jednak warto do bilansu dodać pochodzenie metanu używanego jako paliwo. Jeśli jest pozyskiwany od organizmów biologicznych naturalnie go produkujących, to jest neutralny pod względem emisji, ponieważ CO2 wykorzystywany przez te organizmy jest pobierany z atmosfery.
SpaceX nie mówi na razie, ile będzie kosztował bilet na loty międzykontynentalne jej rakietą. Można pokusić się jednak o pewne szacunki. Elon Musk chce, aby jeden lot rakiety kosztował nie więcej niż dwa miliony dolarów. Wiemy, że ładunek użyteczny może wynieść 100 ton, więc używajmy tej liczby do oszacowań. Z tego wynika, że cena za kilogram wynosi 20 dolarów. To znacznie taniej niż jakakolwiek inna dzisiejsza rakieta (SLS kosz-tuje >6000 USD za kilogram). Ale czy taniej niż samolot?
Użyjmy Boeinga 747 jako analogu. Jumbo może pomieścić 366 pasażerów, a jego ładowność wynosi 112,7 tony. Oznacza to, że każdy pasażer zabiera około 308 kg na siebie, bagaż i wygody podczas lotu. Starship może zabrać na pokład, jak się ocenia, co najmniej 325 pasażerów (6) za 2 miliony dolarów, co kosztowałoby 6153 dolarów na pasażera. Jest to porównywalne z dzisiejszymi kosztami lotów długodystansowych. Tyle że lot trwać będzie 40 minut, a nie cały dzień.
Dla porównania, dziś podróż w jedną stronę z Nowego Jorku do Sydney liniami Singapore Airlines kosztuje prawie 11 tys. dolarów na pasażera i trwa ponad 34 godziny. SpaceX może zaoferować 30-krotnie krótszy czas podróży plus bonus w postaci doświadczenie zerowej grawitacji za mniej niż połowę ceny pierwszej klasy i porównywalnie do droższych biletów klasy ekonomicznej. Tak naprawdę, zważywszy, że są to zarazem loty w kosmos, cena biletu może być w lotach SpaceX sporo wyższa i zapewne znajdą się chętni.
Samoloty dalekodystansowe mogą w tej sytuacji, jeśli oczywiście technika lotów rakietowych po świecie zostanie dobrze sprawdzona i potwierdzona jako bezpieczna, wkrótce odejść do przeszłości. Inaczej ma się sprawa z lotami krótkimi, w których rakiety raczej nie zastąpią samolotów. Jednak w tym przypadku interesuje nas głównie szybkość podróży, zwłaszcza tych długich i uciążliwych. W tej konkurencji rakiety niewątpliwie wygrywają. Jeśli tylko oczywiście udowodnią, że są w stanie przewozić pasażerów bezpiecznie i niezawodnie.
Mirosław Usidus
