A szuperszonikus utasszállító repülőgép vagy a szuperszonikus utasszállító repülőgép olyan személyszállításra szolgáló repülőgép, amely 1 Mach -nál nagyobb szupercirkálósebességet fejleszt . Az egyetlen szuperszonikus utasszállító repülőgép, amely rendszeres utasforgalmat üzemeltet, az európai Concorde ( Concorde ) és a szovjet Tu-144 . A Tu-144-es utolsó utasszállító repülésére 1978 júniusában került sor; a Concorde utolsó repülése 2003. november 26-án történt. A Concorde járatok megszűnése után egyetlen szuperszonikus utasszállító sem maradt kereskedelmi forgalomban. Sok repülőgépgyártó cég tervezte vagy tervezi saját verzióját a szuperszonikus üzleti repülőgépnek .
A szuperszonikus utasszállító repülőgépek számos tervezési tanulmány tárgyát képezik. A hátrányok és a tervezési problémák a túlzott zajkeltés (felszállás közben és a repülés közbeni hangszórók miatt ) , a magas fejlesztési költségek, a drága építőanyagok, a magas üzemanyag-fogyasztás, a rendkívül magas károsanyag-kibocsátás és a megnövekedett utasülésenkénti költség a repülőgépeken. E problémák ellenére a Concord magas nyereséget könyvelhetett el, bár ez az összes fejlesztési és építési költség leírásának, valamint az utasok hajlandóságának volt köszönhető, hogy magas viteldíjakon vásároljanak jegyet [1] .
Az 1950-es évek óta a szuperszonikus szállítás műszakilag megvalósíthatóvá vált, de nem volt világos, hogy gazdaságilag megvalósítható-e. A szuperszonikus sebességű emelkedést különböző módszerekkel állítják elő, amelyek lényegesen kevésbé hatékonyak, mint a szubszonikus módszerek, és az emelkedés/ellenállás aránya körülbelül . Ez azt jelenti, hogy tetszőleges mennyiségű emeléshez a repülőgépnek nagyjából kétszer akkora tolóerőt kellene biztosítania, ami lényegesen több üzemanyag-égést eredményezne. Ez a hatás a hangsebességhez közeli sebességnél jelenik meg , mivel a repülőgép kétszer akkora tolóerőt használ, hogy körülbelül azonos sebességgel haladjon. A relatív hatás csökken, ahogy a repülőgép nagyobb sebességre gyorsul. Az üzemanyag-fogyasztás növekedésének kompenzálásával a repülőgép jelentősen növelheti a felszállási sebességet, legalábbis a közép- és hosszú távú járatokon, ahol a repülőgép jelentős időt tölt. A szuperszonikus utasszállító repülőgépek legalább háromszor gyorsabban repülnek, mint a jelenlegi szubszonikus járművek, így akár három üzemben lévő repülőgépet is helyettesíthetnek, ezáltal csökkentve a munkaerő- és karbantartási költségeket.
A szuperszonikus repülőgép-projektek komoly munkája az 1950-es évek közepén kezdődött, amikor a szuperszonikus vadászrepülőgépek első generációját gyártották. Az Egyesült Királyságban és Franciaországban a legtöbb tanulmányban, köztük a Sud Aviation Super-Caravelle- ben és a Bristol Type 223 -ban , a kormány által támogatott programok gyorsan a delta szárnyon helyezkedtek el , bár az Armstrong Whitworth cég radikálisabb tervet javasolt. Az Avro Canada több tervet is felajánlott a Trans World Airlinesnak , köztük a Mach 1.6 szárnyat és a Mach 1.2 szárnyat külön farok-delta szárnnyal és négy alsószárnyú motorkonfigurációval. Az Avro csapata az Egyesült Királyságba költözött, ahol a tervezése képezte az alapját Hawker Siddeley [2] tervezésének .
Az 1960-as évek elejére a projektek odáig haladtak, hogy megkapták a gyártási engedélyt, de a költségek olyan magasak voltak, hogy a Bristol Airplane Company és a Sud Aviation végül 1962-ben egyesítette erőit a Concorde gyártására. Az 1960-as évek elején különböző amerikai repülőgépipari vezetők azt mondták az amerikai közvéleménynek és a Kongresszusnak , hogy nincs technikai oka annak, hogy ne lehetne szuperszonikus transzportot előállítani. 1960 áprilisában Bert C Monsmith, a Lockheed alelnöke azt mondta különböző magazinoknak, hogy egy 250 000 font (110 000 kg) utasszállító repülőgépetacélból készült szuperszonikus [3] . De a Concorde angol-francia fejlesztése okozott pánikot az amerikai iparban, ahol azt hitték, hogy a Concorde hamarosan felváltja az összes többi hosszú távú dizájnt, különösen miután a Pan Am opciókat szerzett a Concorde megvásárlására. A Kongresszus hamarosan finanszírozta a szuperszonikus tervezési erőfeszítéseket, és a meglévő Lockheed L-2000 és Boeing 2707 terveket választotta egy még fejlettebb, nagyobb, gyorsabb és nagyobb hatótávolságú modell megépítéséhez. Végül a Boeing 2707-es projektet választották ki, amelynek tervezési célja körülbelül 300 utas szállítása és 3 Mach körüli utazósebesség . A Szovjetunió elhatározta, hogy létrehozza saját projektjét, a Tu-144- et, amelyet a nyugati sajtó "Concordski"-nak nevezett el.
A szuperszonikus szállítást negatívan ítélték meg a repülés közbeni hangrobbanás miatt, valamint a hajtóművek kipufogógázai által az ózonréteget károsító potenciál miatt . Mindkét kérdés befolyásolta a jogalkotók gondolkodását, és végül a Kongresszus 1971 márciusában megszüntette a szuperszonikus utasszállító program finanszírozását [4] [5] [6] , és az Egyesült Államok felett betiltottak minden szárazföldi kereskedelmi szuperszonikus repülést [7] . Russell Train elnöki tanácsadó arra figyelmeztetett, hogy egy több éven át 65 000 láb (20 km) magasságban repülõ 500 szuperszonikus utasszállító flotta 50-100%-kal növelheti a sztratoszféra víztartalmát . Train szerint ez a talajszint magasabb hőmérsékletéhez vezethet, és gátolja az ózon képződését [8] . A sztratoszférikus vízről és annak talajhőmérséklet-emelő képességéről, bár nem a Concord-ot említi a "vízgőz közelmúltbeli csökkenése ismeretlen" forrásaként, a National Oceanic and Atmospheric Administration 2010-ben megjegyezte, hogy a sztratoszféra vízgőzszintje az 1980-as években és Az 1990-es évek körülbelül 10%-kal haladták meg a 2000-es éveket. A NOAA munkatársa, Susan Solomon számításai szerint ez a változás felelős azért, hogy a globális felmelegedés következtében a felszíni hőmérséklet emelkedése mintegy 25 százalékkal lelassult az 1990-es évek felmelegedési üteméhez képest [9] . A Russell Train egy másik, a víz ózonjával kapcsolatos problémáját azonban Fred Singer a Nature -nek írt levelében cáfolta 1971-ben [10] , "ami felzaklatta azokat, akik azzal érveltek, hogy a szuperszonikus transzport súlyosan befolyásolhatja a sztratoszférikus ózont" [11] .
Később feltételezték, hogy a kipufogógázokban lévő nitrogén-oxidok további veszélyt jelentenek az ózonra, és ezt 1974-ben a Massachusetts Institute of Technology kutatói is megerősítették . 1981-ben a modellek és a megfigyelések még nem voltak kompatibilisek [12] . Egy újabb számítógépes modell, amelyet 1995-ben hoztak létre a National Oceanic and Atmospheric Administration ( National Oceanic and Atmospheric Administration ) tudósai , azt sugallja, hogy az ózon csökkenése legfeljebb 1-2% lehet, ha 500 szuperszonikus repülőgépből álló flottát üzemeltetnek, és ez nem lehet akadály. fejlett szuperszonikus fejlődéshez.szállító, mert a kén eltávolítása a Concord üzemanyagból kiküszöbölné a feltételezett 1-2%-os ózonromlás reakcióútját [13] .
Az ózonproblémával kapcsolatos modell és megfigyelés közötti eltérés ellenére az 1970-es évek közepén, hat évvel az első szuperszonikus tesztrepülés után a Concorde üzemkész volt [14] . A politikai visszhang az Egyesült Államokban olyan nagy volt, hogy New York államban betiltották a repülőgépet . Ez veszélyeztette a repülőgép gazdasági kilátásait – a London-New York útvonal figyelembevételével készült. A gépet átengedték a Washington Dulles repülőtérre , és olyan népszerűvé vált, hogy a New York-iak hamarosan panaszkodni kezdtek, mert nem volt ilyenjük. A Concorde hamarosan a Kennedy repülőtérre tartott .
A változó politikai megfontolások mellett a repülő közönség továbbra is érdeklődést mutatott a nagysebességű óceáni átkelések iránt. Ezzel megkezdődött egy további tervezési tanulmány az Egyesült Államokban, az "AST" (Advanced Supersonic Transport) néven.
Ekkorra a korábbi szuperszonikus repülőgép-koncepciók gazdaságossága már nem volt megalapozott. Amikor először tervezték, a szuperszonikus közlekedés várhatóan felveszi a versenyt a 80-100 utast szállító nagy hatótávolságú repülőgépekkel, mint például a Boeing 707 , és az újabb repülőgépekkel, mint például a Boeing 747 , amely négyszer akkora sebességet és üzemanyagot szállított, mint a szuperszonikus szállítás. a hatalmas méret. A másik probléma az volt, hogy a szuperszonikus járművek széles sebességtartománya megnehezítette a motorok fejlesztését. Míg a szubszonikus motorok az 1960-as években az egyre növekvő bypass-arányú turbóventilátoros motor bevezetésével nagy előrelépést tettek a hatékonyság terén , a ventilátor-koncepciót nehéz használni szuperszonikus sebességeknél, ahol az arány 0,45 körül van, szemben a szubszonikus kialakítások 2,0-val vagy magasabb értékével. . Mindkét ok miatt a szuperszonikus utasszállító projektek magasabb üzemeltetési költségekre voltak ítélve, és az AST programok az 1980-as évek elejére eltűntek.
A Concorde-ot csak a British Airwaysnek és az Air France -nak adták el , olyan támogatásokkal , amelyeknek a nyereség 80%-át vissza kellett volna juttatniuk a kormánynak. A gyakorlatban azonban a megállapodás szinte teljes időtartama alatt nem volt megosztható nyereség. A Concorde privatizációját követően a költségcsökkentés és a magasabb jegyárak jelentős nyereséget eredményeztek.
Amióta a Concorde abbahagyta a repülést, világossá vált, hogy a repülőgép fennállása alatt valóban nyereségesnek bizonyult, legalábbis a British Airways számára. A működési költségek csaknem 28 éves működés során körülbelül 1 milliárd fontot tettek ki, a bevételek pedig 1,75 milliárdot [15] .
Az utolsó menetrend szerinti utasszállító járatok 2003. október 24-én, pénteken 16 óra után szálltak le a londoni Heathrow repülőtéren : a 002-es járat New Yorkból, egy járat Edinburghból , és egy harmadik, amely Heathrow-ról szállt fel körben a Vizcayai -öböl felett .
A 20. század végére olyan projektek jelentek meg, mint a Tu-244 , Tu-344 , Silent szuperszonikus repülőgép SAI , Sukhoi Supersonic Business Jet , Nagysebességű polgári közlekedés , amelyek közül egyik sem valósult meg. A 2010-es években azonban az alkotáson újraindult a munka.
1961. augusztus 21-én egy Douglas DC-8-43 meghaladta a hangsebességet egy ellenőrzött merülés során az Edwards légibázison végzett próbarepülés során . A legénységet William Magruder (pilóta), Paul Patten ( másodpilóta ), Joseph Tomic (repülőmérnök ) és Richard Edwards (tesztmérnök) alkotta. Ez volt egy polgári repülőgép első szuperszonikus repülése [16] .
Összesen 20 Concorde készült: két prototípus, két fejlesztőrepülőgép és 16 sorozatgyártású repülőgép. A tizenhat sorozatgyártású repülőgépből kettő nem állt kereskedelmi forgalomba, nyolc pedig 2003 áprilisáig továbbra is szolgálatban maradt. Ezek a repülőgépek kettő kivételével mindegyik túlélte; két F-BVFD repülőgép alkatrészforrásként parkolt 1982-ben, és 1994-ben leszerelték, valamint egy F-BTSC, amely 2000. július 25-én zuhant le Párizs közelében, és 100 utas, 9 személyzeti tag és 4 ember meghalt a földön.
Összesen tizenhat repülőképes Tu-144-es készült; a tizenhetedik sosem készült el. Emellett egy új prototípus fejlesztésével párhuzamosan legalább egy földi tesztrepülőkeretet készítettek statikus tesztelésre.
Minden, a levegőben haladó jármű esetében a légellenállási erő arányos a légellenállási együtthatóval , a légsebesség négyzetével és a levegő sűrűségével . Mivel a légellenállás gyorsan növekszik a sebességgel, a szuperszonikus repülőgépek tervezési prioritása ennek az erőnek a minimalizálása a légellenállási együttható csökkentésével. Ez nagyon áramvonalas repülőgépformákat eredményez. A szuperszonikus repülőgépek bizonyos mértékig úgy is kezelik a légellenállást, hogy nagyobb magasságban repülnek, mint a szubszonikus repülőgépek, ahol a levegő sűrűsége kisebb.
Ahogy a sebesség megközelíti a hangsebességet, megjelenik egy további hullámellenállás jelenség . Ez egy erőteljes ellenállási forma, amely transzonikus sebességgel (körülbelül 0,88 Mach ) indul. 1 Mach körül a csúcsellenállási együttható négyszerese a szubszonikus légellenállásnak. A transzonikus tartomány felett az arány ismét meredeken csökken, bár 2,5 Mach mellett 20%-kal magasabb marad, mint szubszonikus sebességnél. Egy szuperszonikus repülőgépnek lényegesen nagyobb teljesítményre van szüksége, mint amennyire egy szubszonikus repülőgépnek szüksége van ahhoz, hogy leküzdje ezt a hullámellenállást, és bár a transzonikus sebesség feletti cirkálás hatékonyabb, mégis kevésbé hatékony, mint a szubszonikus sebességgel történő repülés.
A szuperszonikus repülés másik problémája a szárnyak emelési -ellenállási aránya ( Drag - to -drag ratio ). Szuperszonikus sebességnél a szárnyszárnyak egészen más módon hoznak létre felhajtóerőt, mint szubszonikus sebességnél, és mindig kevésbé hatékonyak. Emiatt jelentős kutatásokat fektettek be a tartós szuperszonikus repüléshez szükséges szárnyforma kifejlesztésébe. Körülbelül 2 Machnál egy tipikus szárnykonstrukció megfelezi az emelési/ellenállási arányt (például a Concorde-nál 7,14, míg a szubszonikus Boeing 747 -nél 17) [17] . Mivel a repülőgép kialakításának elegendő emelőerőt kell biztosítania saját súlyának leküzdéséhez, az aerodinamikai minőségének csökkenése szuperszonikus sebességnél további tolóerőt igényel a sebesség és a magasság fenntartása érdekében.
A sugárhajtóművek felépítése jelentősen eltér a szuperszonikus és szubszonikus repülőgépek között. A sugárhajtóművek osztályaként nagyobb üzemanyag-hatékonyságot biztosítanak szuperszonikus sebesség mellett, még akkor is, ha fajlagos üzemanyag-fogyasztásuk nagyobb sebességnél nagyobb. Mivel a talaj feletti sebességük nagyobb, a hatásfok csökkenése kisebb, mint arányos a sebességgel, amíg meg nem haladja a 2 Mach-ot, és az egységnyi távolságra jutó fogyasztás alacsonyabb.
Amikor a Concorde-ot az Aérospatiale - BAC tervezte, a szubszonikus repülőgépekben még nem telepítettek nagy bypass sugárhajtóműveket (" turbóventilátoros " motorokat). Ha a Concorde régebbi modellek, például a Boeing 707 vagy a de Havilland Comet szervizelése során érkezett volna, sokkal versenyképesebb lett volna, bár így is több utast szállítottak volna. Amikor ezek a nagy bypass sugárhajtóművek az 1960-as években kereskedelmi forgalomba kerültek , a szubszonikus sugárhajtóművek azonnal sokkal hatékonyabbak lettek, közelebb kerültek a szuperszonikus sebességű turbósugárhajtóművekéhez . A szuperszonikus transzport egyik fő előnye eltűnt.
A turbóventilátoros motorok javítják a hatékonyságot azáltal, hogy növelik az általuk felgyorsított alacsony nyomású hideg levegő mennyiségét, felhasználva a hagyományos, nem bypass turbósugárhajtóműben a meleg levegő gyorsításához használt energia egy részét . Ennek a kialakításnak a végső kifejezése a turbóprop , amelyben a sugárhajtás szinte teljes egésze egy nagyon nagy ventilátor, a propeller meghajtására szolgál . A ventilátor tervezési hatékonysági görbéje azt jelenti, hogy a megkerülési fokozat , amely maximalizálja a motor általános hatásfokát, a haladási sebességtől függ, amely a légcsavarról a ventilátorra csökken, és a sebesség növekedésével egyáltalán nem vált bypassra. Ezenkívül a motor elején található alacsony nyomású ventilátor által elfoglalt nagy elülső terület növeli a légellenállást , különösen szuperszonikus sebességeknél [18] .
Például a korai Tu-144-eseket alacsony bypass arányú turbóventilátor hajtotta , és sokkal kevésbé voltak hatékonyak, mint a Concorde turbósugárzók szuperszonikus repülésben. A későbbi modellek hasonló hatásfokú turbósugárhajtásúak voltak. Ezek a korlátok azt jelentették, hogy a szuperszonikus utasszállító repülőgépek nem tudták kihasználni az üzemanyag-takarékosság jelentős javulását, amelyet a nagy bypass motorok hoztak a szubszonikus motorok piacára, de már így is hatékonyabbak voltak, mint szubszonikus turbóventilátoros társaik.
A szuperszonikus járműsebesség keskenyebb szárny- és törzsszerkezeteket igényel, és nagyobb terhelésnek és hőmérsékletnek van kitéve. Ez aeroelaszticitási problémákhoz vezet , amelyek nehezebb szerkezeteket igényelnek a nem kívánt hajlítás minimalizálása érdekében. A szuperszonikus repülőgépek is jóval erősebb (és ezért nehezebb) szerkezetet igényelnek, mivel törzsüket nagyobb nyomáseséssel kell nyomás alá helyezni, mint a szubszonikus repülőgépeknél, amelyek nem üzemelnek a szuperszonikus repüléshez szükséges nagy magasságban. Mindezek a tényezők együttesen azt eredményezték, hogy a Concorde egyetlen üres ülésének relatív súlya több mint háromszorosa a Boeing 747-esnek.
Mindazonáltal a Concorde és a TU-144 is hagyományos alumíniumból és duralumíniumból készült , míg a modernebb anyagok, mint a szénszál és a kevlár , sokkal erősebbek a feszítésben súlyuknál fogva, és merevebbek is. Mivel az egy ülésre jutó szerkezeti súly sokkal nagyobb egy szuperszonikus repülőgép-kialakításban, minden fejlesztés nagyobb hatékonyságnövekedést eredményez, mint a szubszonikus repülőgépek ugyanezen változtatásai.
Repülőgép | Concord [19] | Boeing 747-400 [ 20] |
---|---|---|
Utasmérföld / birodalmi gallon | 17 | 109 |
Utasmérföld / US gallon | tizennégy | 91 |
Liter/utas 100 km | 16.6 | 3.1 |
A keskeny törzs aerodinamikai követelményei miatti magasabb üzemanyagköltségek és alacsonyabb utaskapacitás miatt a szuperszonikus szállítás költségesebb kereskedelmi és polgári utazási mód a szubszonikus repülőgépekhez képest. Például egy Boeing 747 több mint háromszor annyi utast tud szállítani, mint egy Concorde, miközben körülbelül ugyanannyi üzemanyagot használ.
Az üzemanyagköltségek azonban nem teszik ki a szubszonikus repülőgépekre szóló legtöbb utasjegy költségének nagy részét [21] . A szuperszonikus repülőgépeket használó transzatlanti üzleti piacon a Concorde valójában nagyon sikeres volt, és képes volt fenntartani a magasabb jegyárakat. Most, hogy a kereskedelmi szuperszonikus repülőgépek beszüntették működésüket, egyértelmű, hogy a Concorde jelentős nyereséget termelt a British Airways számára [22] .
A Concorde és a Tu-144 üzemeltetésével kapcsolatos egyik probléma a felszálláskor, és ami még fontosabb, a repülőtér közelében lakott területek feletti átrepüléssel összefüggő magas motorzaj volt. A szuperszonikus hajtóművek meglehetősen nagy fajlagos tolóerőt (nettó tolóerőt/levegőáramlást) igényelnek szuperszonikus repülés során, hogy minimalizálják a hajtómű keresztmetszeti területét és ezáltal a gondolaellenállást . Sajnos ez nagy sugársebességgel jár, ami zajossá teszi a hajtóműveket és problémákat okoz, különösen alacsony sebességnél/magasságnál és felszállás közben [23] . Ezért a jövőbeni szuperszonikus közlekedés számára előnyös lehet egy változó ciklusú hajtómű , ahol a fajlagos tolóerő (valamint a sugársebesség és a zaj) alacsony a felszállás során, de nagyra kényszerül a szuperszonikus repülés során. A két mód közötti átmenet bizonyos pontokon emelkedés közben, illetve ereszkedés közben visszafelé történik, hogy minimálisra csökkentsék a talajhoz közeledő sugárzajt. A kihívás egy változó ciklusú hajtómű-konfiguráció tervezésében rejlik, hogy megfeleljen a szuperszonikus repülés során a kis keresztmetszeti terület követelményeinek.
A hangrobbanást nem tekintették komoly problémának a repülőgépek nagy magassága miatt, de az 1960-as évek közepén végzett kísérletek, például a vitatott Oklahoma City-i szonikus boom-tesztek és az XB-70 Valkyrie ( XB-70) Valkyrie ennek ellenkezőjét bizonyították. 1964-re ez a probléma tisztázatlanná tette, hogy engedélyezik-e a polgári szuperszonikus repülőgépeket [24] . A hanggém irritációja elkerülhető, ha megvárja, amíg a repülőgép magasan a víz fölé kerül, mielőtt elérné a szuperszonikus sebességet. A Concorde pilótái alkalmazták ezt a módszert, de ez kizárja a szuperszonikus repülést lakott területek felett. A szuperszonikus repülőgépek szubszonikus sebességnél alacsony emelési/ellenállási arányt mutatnak a szubszonikus repülőgépekhez képest, kivéve, ha olyan technológiákat használnak, mint például a változó szárnyú szárnyak, és ezért több üzemanyagot égetnek el, ami azt eredményezi, hogy a használatuk gazdaságilag nem életképes.[ mi? ] repülési útvonalak. Ezenkívül a Concorde túlnyomása 93 Pa volt. A 72 Pa-t meghaladó túlnyomás gyakran okoz panaszokat az utasokból [25] .
Ha a gémet csökkentjük, ez még a nagyon nagy szuperszonikus repülőgép-konstrukciókat is elfogadhatóvá teheti szárazföldi repüléshez. A kutatások azt mutatják, hogy az orrkúp és a farok változtatása csökkentheti a hanggörbe intenzitását az utasokat bosszantó szint alá. Az 1960-as években felvetették, hogy a repülőgép törzsének gondos megmunkálása csökkentheti a földet érő hanggörbe lökéshullámok intenzitását . Az egyik kialakítás miatt a lökéshullámok interferálnak egymással, ami nagymértékben csökkentette a hangrohamot. Akkoriban ezt nehéz volt tesztelni, de azóta a számítógéppel segített tervezés növekvő lehetőségei jelentősen megkönnyítik ezt a feladatot. 2003-ban elindítottak egy bemutató repülőgépet , amely bebizonyította a tervezés megbízhatóságát, és bemutatta a becsapódás körülbelül 2-szeres csökkentésének lehetőségét. Még a jármű meghosszabbítása is jelentős tömegnövekedés nélkül csökkenti az ütközés intenzitását.
A szuperszonikus repülőgép aerodinamikai kialakításának a sebességével együtt kell változnia az optimális teljesítmény eléréséhez. Így a szuperszonikus utasszállító repülőgép ideális esetben megváltoztatná alakját repülés közben, hogy fenntartsa az optimális teljesítményt szubszonikus és szuperszonikus sebesség mellett is. Ez a lehetőség bonyolultabb tervezést eredményezne, ami növelné a karbantartási követelményeket, az üzemeltetési költségeket és a biztonsági aggályokat.
A gyakorlatban minden szuperszonikus jármű ugyanazt a formát használta a szubszonikus és szuperszonikus repüléshez, mivel a teljesítményben gyakran kompromisszumot tettek a kis sebességű repülés rovására. Csúszás -ellenállás arány Például a Concorde -nak nagyon nagy légellenállása volt ( az emelő-ellenállás aránya körülbelül 4) alacsony sebességnél, de repülése nagy részében nagy sebességgel repült. A Concorde tervezői 5000 órát töltöttek a jármű alakjának optimalizálásával szélcsatornás teszteken keresztül , hogy maximalizálják az általános teljesítményt a teljes repülési tervben.
A Boeing 2707 elforgatható szárnyakkal rendelkezett a hatékonyság növelése érdekében alacsony sebességnél, de a megnövekedett helyigény egy ilyen funkcióhoz teljesítménybeli problémákat okozott, amelyek végül leküzdhetetlennek bizonyultak.
A North American Aviation szokatlan módon közelítette meg ezt a problémát az XB -70 Valkyrie esetében . A külső szárnypanelek nagy sebességgel történő leengedésével ki tudták használni a repülőgép alsó részének kompressziós emelését . Ez körülbelül 30%-kal javította az emelés/ ellenállás arányt .
Szuperszonikus sebességgel egy repülőgép adiabatikusan összenyomja a levegőt maga előtt. A megnövekedett levegő hőmérséklet felmelegíti a repülőgépet. A szubszonikus repülőgépek általában alumíniumból készülnek . Az alumínium azonban, mivel könnyű és erős, nem bírja a 127 °C-nál jóval magasabb hőmérsékletet; ilyen magas hőmérsékleten az alumínium fokozatosan elveszíti tulajdonságait, amelyek a világi megszilárdulás során keletkeztek. A 3 Mach sebességgel repülõ repülőgépeknél olyan anyagokat használtak, mint a rozsdamentes acél ( XB-70 Valkyrie , MiG-25 ) vagy a titán ( SR-71 , T-4 ), ami jelentős költségnövekedést jelent, mivel ezeknek az anyagoknak a tulajdonságai jelentősen megnövekednek. megnehezítik a repülőgép gyártását.
2017-ben egy új keményfém kerámia bevonóanyagot fedeztek fel, amely 3000°C-os hőmérsékletet is képes ellenállni 5 Mach mellett [26] .
A szuperszonikus repülőgép hatótávolsága a Breguet -féle hatótávolság-egyenlet segítségével becsülhető meg . Az utasonkénti nagy felszálló tömeg megnehezíti az üzemanyag megfelelő hányadának beszerzését. Ez a probléma, valamint az alacsony emelési/ellenállási aránnyal kapcsolatos probléma jelentősen korlátozza a szuperszonikus járművek hatótávolságát. Mivel a távolsági útvonalak nem voltak életképes megoldások, a légitársaságok csekély érdeklődést mutattak a szuperszonikus repülőgépek vásárlása iránt.
A légitársaságok repülőgépeket vásárolnak, hogy pénzt keressenek, és a lehető legtöbb befektetés megtérülését akarják elérni eszközeikből . Potenciálisan értékelik a nagyon gyors repülőgépeket, mert naponta több repülést tesznek lehetővé, így magasabb a befektetés megtérülése. Ráadásul az utasok általában a gyors és rövid járatokat részesítik előnyben a lassabb és hosszabb járatokkal szemben, így a gyorsabb repülőgépek üzemeltetése versenyelőnyhöz juttathatja a légitársaságot , még olyan mértékben is, hogy sok ügyfél hajlandó lesz magasabb áron jegyet vásárolni a megtakarítás érdekében. idő. A Concorde reptereken tapasztalható magas zajszintje, az időzóna-problémák és a nem megfelelő sebesség azonban azt jelentette, hogy naponta csak egy oda-vissza járat hajtható végre, így a többletsebesség nem jelentett előnyt a légitársaság számára, kivéve a promóciós célokat [27] . A javasolt amerikai szuperszonikus utasszállító repülőgépeket részben emiatt 3 Mach-os repülésre tervezték. A gyorsulási és lassulási időket figyelembe véve azonban a 3. Mach-os transzatlanti utazás kevesebb mint háromszor gyorsabb lenne, mint egy 1. Mach-os utazás.
Mivel a szuperszonikus utasszállító repülőgépek szuperszonikus sebességgel állítanak elő hanggémet, ritkán léphetik túl a hangsebességet szárazföldön, ezért ezt tengeren is meg kell tenniük. Mivel szubszonikus sebességnél nem hatékonyak a szubszonikus repülőgépekhez képest, csökken a hatótávolság, és csökken azoknak az útvonalaknak a száma, amelyeket egy repülőgép megállás nélkül repülhet. Ezenkívül csökkenti az ilyen repülőgépek kívánatosságát a legtöbb légitársaság számára. A szuperszonikus repülőgépek üzemanyag-fogyasztása utasonként magasabb, mint a szubszonikus repülőgépeké; ez szükségszerűen megemeli a jegy árát, ha más dolgok nem változnak, és érzékenyebbé teszi az árat az olaj árára . Emellett a szuperszonikus repüléseket is kevésbé környezetbaráttá teszi, ami egyre nagyobb aggodalmat okoz a nagyközönségnek, beleértve a turistákat is.
Az új szuperszonikus utasszállító repülőgépek fejlesztésére irányuló kutatási és fejlesztési munkákba történő befektetés fő célja a légi szállítás sebességének növelése. Általános szabály, hogy az új technológiai fejlesztések iránti vágy mellett fő hajtóerejük a többi közlekedési módból származó versenynyomás. A különböző szolgáltatók közötti verseny egyazon közlekedési módon belül általában nem vezet ilyen sebességnövelő technológiai beruházásokhoz. Ehelyett a szolgáltatók inkább a szolgáltatások minőségében és költségében versenyeznek. Példa erre a jelenségre a nagysebességű vasút . A vasúti szállítás sebességkorlátozását annyira megemelték , hogy az hatékonyan felvette a versenyt a közúti és légi közlekedéssel . De ez nem a vasúttársaságok közötti verseny fokozása érdekében történt .
Ez a jelenség a légitársaságoknál is csökkenti a szuperszonikus utasszállító repülőgépek iránti keresletet, hiszen a nagyon nagy távolságú (párezer kilométeres) szállításnál a különböző közlekedési módok közötti verseny inkább lóversenyhez hasonlít: a légi közlekedésnek nincs jelentős versenytársa. Az egyetlen verseny a légitársaságok között van, és inkább mérsékelten fizetnek az alacsonyabb költségekért és a szolgáltatás minőségének javításáért, mintsem hogy sokkal többet fizessenek a sebesség növeléséért. Ezen túlmenően a kereskedelmi cégek általában előnyben részesítik az alacsony kockázatú üzleti terveket, amelyek nagy eséllyel hoznak jelentős nyereséget, de egy drága fejlett technológiai kutatás-fejlesztési program kockázatos vállalkozás, mert előfordulhat, hogy a program előre nem látható technikai okok miatt meghiúsul, ill. olyannyira növeli a költségeket, hogy ez a korlátozott pénzügyi források miatt arra kényszeríti a vállalatot, hogy hagyjon fel erőfeszítéseivel, mielőtt azok bármilyen innovatív gyártási technológiához vezetnének, ami potenciálisan az összes befektetés elvesztéséhez vezethet.
A Tiszta Közlekedési Tanács (ICCT) becslései szerint a szuperszonikus közlekedés utasonként 5-7-szer több üzemanyagot fog elhasználni [28] . Az ICCT azt mutatja, hogy egy New Yorkból Londonba tartó szuperszonikus repülés utasonként több mint kétszer annyi üzemanyagot fogyasztana, mint a szubszonikus üzleti osztályon , hatszor annyit, mint a turista osztályon, és háromszor annyit, mint a szubszonikus üzleti osztályon egy Los Angelesből induló járat. Sydney [29] . A tervezők vagy megfelelhetnek a meglévő környezetvédelmi szabványoknak fejlett technológiával, vagy lobbizhatnak a politikusoknál, hogy új szabványokat állítsanak fel a szuperszonikus szállításra vonatkozóan [30] .
Ha 2035-ben 2000 szuperszonikus jármű lenne, napi 5000 járat lenne 160 repülőtéren, és a flotta körülbelül 96 millió tonna CO₂ -t bocsátana ki évente (az American Airlines , a Delta AirLines és a Southwest Airlines együttesen 2017-ben ), 1,6–2,4 gigatonna CO₂ 25 éves élettartamuk alatt: a nemzetközi légi közlekedés szén -dioxid-kibocsátásának egyötöde, ha a légi közlekedés fenntartja kibocsátási arányát, hogy az 1,5°C -os éghajlati pályán maradjon. A repülőterek körüli zaj által érintett terület a duplájára nőhet a meglévő, azonos méretű szubszonikus repülőgépek területének, napi több mint 300 művelettel Dubaiban és London Heathrow -n, valamint több mint 100-nál Los Angelesben, Szingapúrban, San Franciscóban , New York-Kennedy repülőtéren, Frankfurtban és Bangkokban. . Gyakori hangrobbanás lesz hallható Kanadában , Németországban, Irakban, Írországban, Izraelben, Romániában, Törökországban és az Egyesült Államok egyes részein, akár napi 150-200 vagy ötpercenként [31] .
A második generációs szuperszonikus utasszállító utáni vágy a repülési ipar egyes elemeiben tovább élt [32] , és a Concorde nyugdíjba vonulása óta több új koncepció is megjelent. 2016 márciusában a Boom Technology felfedte, hogy fejlesztési fázisában van egy 40 személyes szuperszonikus sugárhajtású repülőgép, amely 2.2 Mach sebességgel képes repülni, és azt állítja, hogy a tervezési szimulációk azt mutatják, hogy csendesebb és 30%-kal hatékonyabb lesz, mint a Concorde. repüljön Los Angelesből Sydney-be 6 óra alatt [33] .
A szuperszonikus szállítás gazdasági életképességének megőrzése érdekében a NASA kutatásai 2006 óta a hangrobbanás csökkentésére összpontosítottak, hogy lehetővé tegyék a szuperszonikus repülést a föld felett. A NASA a közelmúltban kifejlesztett egy viszonylag alacsony zajszintű sikló -csillapított demonstrációs modellt , hogy megszerezze a nyilvánosság jóváhagyását az Egyesült Államok Szövetségi Repülési Hivatala és a Nemzetközi Polgári Repülési Szervezet tilalmának a 2020-as évek elején történő esetleges feloldásához. A Lockheed Martin X-59 QueSST lökéshullámot szimulál 1,6 és 1,8 Mach között, 75 PNLdB észlelt zajszinttel, szemben a Concorde 105 PNLdB-jével.
A 200 millió dolláros szuperszonikus repülőgépek piaca 10 év alatt 1300-szorosára bővülhet, és 260 milliárd dollárra bővülhet [34] . Egy új modell fejlesztését és tanúsítását körülbelül 4 milliárd dollárra becsülik [35] .
A TsAGI a moszkvai MAKS-2017 légibemutatón bemutatta szuperszonikus üzleti sugárhajtású /kereskedelmi sugárhajtású repülőgépének méretarányos modelljét , amelynek viszonylag csendes hangrobbanását kell produkálnia, lehetővé téve a föld feletti szuperszonikus repülést. 2100 km/h (1300 mérföld/óra) sebességre és 7400-8600 km (4600-5300 mérföld) hatótávolságra optimalizálták. A tudományos kutatás célja a 0,8–0,9 Mach transzonikus sebesség és az 1,5–2,0 Mach közötti szuperszonikus sebesség optimalizálása. A konstrukciót szélcsatornában tesztelik , míg a hajtóműveket a Repülőgépmotorok Központi Intézetében fejlesztik, a terveket pedig az Aviadvigatel és az NPO Saturn tanulmányozza [36] .
A National Business Aviation Association 2017. októberi Las Vegas-i konferenciáján, ahol a NASA csak kutatást támogatott, különböző vállalatok mérnöki problémákba ütköztek, amikor különböző hatótávolságú és maximális sebességű repülőgép-modelleket kínáltak [37] :
2017-ben a négymilliárd légiutas közül több mint 650 millióan repültek nagy távolságokat 2000 és 7000 mérföld (3200 és 11300 km) között, ebből 72 millió üzleti és első osztályú [38] . 2018 októberében az Egyesült Államok Szövetségi Légiközlekedési Hivatala végrehajtotta a szuperszonikus járművek zajszabványainak újbóli jóváhagyását, ami szabályozási biztonságot adott a fejlesztőknek projektjeikhez, elsősorban a motorválasztáshoz. Az Egyesült Államokban a szuperszonikus repülési tesztek jóváhagyására és a zajtanúsítványra vonatkozó előírásokat az FAA javasolta 2019 elején, míg a NASA 2025-ben tervezi elindítani az ICAO szabványoknak megfelelő Lockheed Martin X-59 alacsony zajszintű demonstrátort [39] .
2016-ban a NASA bejelentette, hogy szerződést írt alá a legmodernebb, alacsony zajszintű X-59 QueSST szuperszonikus utasszállító prototípus kifejlesztésére . A tervezőcsapatot a Lockheed Martin Aeronautics [40] vezeti . 2019 júniusában, a NASA Silent Supersonic Flight Initiative ihlette, a Lockheed Martin bemutatta a Silent Supersonic Airliner -t [41] , egy 40 utas befogadására alkalmas 1,8 Mach Pacific utasszállító koncepciót . A repülőtéri zaj és a hangszóró szórókeret csökkentését a formázott gém kialakítás, az integrált alacsony zajszintű meghajtórendszer, a lengőszárnyú szuperszonikus természetes lamináris áramlás és a pilótafülke-nézeti rendszer biztosítja. A 225 láb (69 méter) szerkezet lényegesen hosszabb, mint a Concorde, közel 70 láb (21 méter) orrral és 78 láb (24 méteres) pilótafülkéjével. Az élesen lecsapott delta szárny fesztávja 73 láb (22 m), valamivel keskenyebb, mint a Concordé [42] .
A tervezési célok a 7800-9800 km-es repülési hatótáv és a 2900-3200 m-es felszállási mező hossza, a 75-80 dB-es hangrobbanás és a szárazföldön 1,6-1,7 Mach-os, vízen pedig 1,7-1,8 Mach-os sebesség. . A V-farok között ikerfarkú tűzálló motorok helyezkednek el, amelyek teljesítménye 180 kN. Az integrált alacsony zajszintű meghajtórendszer fejlett hangtompító kialakítást , zajvédőt és torzításálló propellerlapátokat tartalmaz . Jelenleg (2021) egy prototípus repülőgépvázat szereltek össze.
A Supersonic Aerospace International (SAI) SAI Quiet Supersonic Transport egy 12 személyes utasszállító repülőgépe a Lockheed Martintól(?), amely 1,6 Mach sebességgel száguld a Concorde által keltett lökéserő mindössze 1%-ával . 43] .
2020 augusztusában a Virgin Galactic a Rolls-Royce-szal együttműködve bemutatta egy delta szárnyú , 3-as Mach végsebességű, akár 19 utas szállítására is képes twinjet repülőgép koncepcióját [44] .
Modell | Utasok száma | Sebesség | Repülési tartomány | Maximális felszálló tömeg | Teljes tolóerő | Tolóerő-tömeg arány |
---|---|---|---|---|---|---|
Tu-144 | 150 | Mach 2 | 3500 tengeri mérföld (6500 km) | 207 tonna (456 000 font) | 960 kN | 0,44 |
Egyetértés | 120 | Mach 2.02 | 3900 tengeri mérföld (7200 km) | 185 tonna (408 000 font) | 676 kN | 0,37 |
Boom Technology nyitány | 55 | Mach 1.7 | 4500 tengeri mérföld (8300 km) | 77,1 tonna (170 000 font) | 200–270 kN | 0,26–0,35 |
Spike S-512 | tizennyolc | Mach 1.6 | 11 500 km (6 200 nmi ) | 52,2 tonna (115 000 font) | 177,8 kN | 0,35 |
2003 novemberében az Airbus anyavállalata, az EADS bejelentette, hogy fontolóra veszi a japán vállalatokkal való együttműködést a Concorde nagyobb, gyorsabb cseréje érdekében [45] . 2005 októberében a Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) egy 300 utas szállítására tervezett utasszállító repülőgép aerodinamikai tesztjeit hajtotta végre 2005 októberében 2 Mach sebességgel ( Next Supersonic Transport , majd Zero Emission Hypersonic Transport ) [46] . Akkoriban várhatóan 2020-25 körül állhat szolgálatba.
2008 májusában arról számoltak be, hogy az Aerion Corporation 3 milliárd dollár értékű előrendelést adott el Aerion SBJ szuperszonikus üzleti repülőgépére [47] . 2010 végén a projekt a szárnyszakasz próbarepülésével folytatódott. Az Aerion AS2 -t 12 üléses trijetként javasolták, 8800 km - es hatótávolsággal 1,4 Mach-nál a víz felett, vagy 9800 km-es (6100 mérföldes) 0,95 Mach-nál szárazföldön, bár azt állították, hogy hangrobbanás nélkül repül Mach 1.1. Az Airbus támogatásával és a Flexjet 20 indítási megrendelésével 2017 májusában, amikor a GE Aviationt választották üzleti partnernek egy közös motortanulmányhoz, az első szállításokat 2023-tól két évvel kitolták [48] .
A Tu-444 és a Gulfstream X-54 szuperszonikus repülőgépek új modelljeit is javasolták .
Míg a hagyományos turbólégcsavaros és sugárhajtóműves hajtóművek képesek fenntartani az ésszerű hatásfokot 5,5 Mach-ig, a nagyon nagy sebességű, 6 Mach feletti repülési ötletek közül olykor a világ bármely pontján egy-két órára csökkenthető az utazási idő. Ezek a változatok gyakran rakéta- vagy sugárhajtóművek használatát javasolják ; impulzusrobbanó motorokat is javasoltak . Egy ilyen repülés számos technikai és gazdasági nehézséggel jár. A rakétahajtású repülőgépek, bár műszakilag praktikusak (akár ballisztikus , akár szárnyas félballisztikus járművekként), nagyon nagy mennyiségű üzemanyagot használnak fel, és körülbelül 8 Mach-tól a keringési sebességig teljesítenek a legjobban . A rakéták a legjobban versenyeznek a sugárhajtóművekkel árban nagyon nagy hatótávon; az ilyen repülőgépek indításának költsége azonban nem lesz sokkal alacsonyabb, mint egy orbitális kilövés költsége.
A 2011. júniusi párizsi légikiállításon az EADS bemutatta ZEHST koncepcióját , amely 4 Mach sebességgel (4400 km/h) 105 000 láb (32 km) sebességgel száguld. Ez a modell felkeltette a japánok érdeklődését [49] . A Német Repülési és Kozmonautikai Központ 2005 óta dolgozik a SpaceLiner szuborbitális hiperszonikus utasszállító űrhajó projektjén .
Európában és Japánban kutatják az előhűtött sugárhajtóműveket. Ezek bemeneti hőcserélővel ellátott sugárhajtóművek, amelyek nagyon nagy sebességgel hűtik a levegőt. Praktikusak és hatékonyak lehetnek 5.5 Mach-ig. A brit Reaction Engines Limited cég , 50%-ban az EU által finanszírozott, részt vett a LAPCAT nevű kutatási programban , amely egy 300 utas befogadására alkalmas, hidrogénüzemű A2 repülőgép tervezését tanulmányozta, amely potenciálisan 5 Mach sebességgel képes megállás nélkül repülni. Brüsszel-Sydney 4,6 óra alatt [50] .
A Boeing az AIAA 2018 konferencián bemutatott egy utasszállító repülőgépet, amely 5 Mach (5400 km/h) sebességet ér el. Ha az Atlanti-óceánt 2 óra alatt, vagy a Csendes-óceánt 3 óra alatt 95 000 láb (29 km) magasságban átszelné, az aznapi oda-vissza repüléseket tenné lehetővé, ami növelné a légitársaságok eszközeinek kihasználását. Titán törzs esetén a kapacitása kisebb lenne, mint egy Boeing 737 -es , de több, mint egy nagy hatótávolságú üzleti repülőgépé . Egy újrafelhasználható demonstrációs modell már 2023-ban vagy 2024-ben piacra kerülhet, és a 2030-as évek végétől kerülhet üzembe. Az aerodinamika számára előnyös lenne a Boeing X-51 Waverider tapasztalata a lökéshullám élén az indukált légellenállás csökkentése érdekében . Az áramlásszabályozás növelné az emelést kisebb sebességeknél, és az utóégetők felszállás közbeni megszüntetése csökkentené a zajt [51] .
A Boeing hiperszonikus utasszállító repülőgépét turbó sugárhajtómű , turbóventilátor hajtja majd , amely 5 Mach sebességgel vált át sugárhajtóműre , így nincs szükség az SR-71 Blackbird Pratt & Whitney J58 - ához hasonló ramjetre , de magasabb fokozaton lekapcsolja a turbinát. sebességek. Egy tengelyszimmetrikus gyűrűs elrendezésbe integrálják, egyetlen bemenettel és fúvókával, valamint a turbinás motor körüli bypass-elvezetéssel a kombinált utóégető/fúvóka hátul számára. Ehhez olyan fejlett hűtési technológiára lenne szükség, mint például a Reaction Engines által kifejlesztett hőcserélő , amely esetleg folyékony metánt vagy repülőgép-üzemanyagot használ .
90 000-95 000 láb (27 000-29 000 m) magasságban történő repülés növeli a nyomáscsökkenés kockázatát . A Mach 5-öt választották a rendelkezésre álló technológiával elérhető határnak. Ebben az esetben naponta négy-ötször lehet majd átkelni az Atlanti-óceánon, amelyen a Concord naponta csak kétszer [52] .
![]() | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |