Prawie 20 lat po tym, jak Concorde został uziemiony, cywilne samoloty hipersoniczne (czyli naddźwiękowe – poruszające się szybciej niż dźwięk) są gotowe do powrotu. Nowe technologie mogą umożliwić powstanie zupełnie nowej generacji maszyn, mimo iż wyzwań z nimi związanych jest sporo – od zwykłej ekonomii, po zawiłe przepisy.
Koniec ery, ale początek nowej?
24 października 2003 r. był końcem pewnej epoki. Tego dnia Concorde, legendarny naddźwiękowy samolot pasażerski, wykonał swój ostatni lot komercyjny z londyńskiego Heathrow na lotnisko JFK w Nowym Jorku. Od tamtej pory nie eksploatuje się komercyjnych samolotów hipersonicznych – problemy prawne, technologiczne i handlowe okazały się zbyt duże, by je przezwyciężyć. Marzenie o trzygodzinnym locie z Londynu do Nowego Jorku, które oferował Concorde, wydawało się rozwiane.
Ale teraz – prawie 20 lat później – powrót do ponaddźwiękowego marzenia jest możliwy. Postępy technologiczne pozwalają projektom odnieść sukces tam, gdzie Concorde zawiódł, a szereg firm i instytutów badawczych intensywnie inwestuje w nową generację cywilnych samolotów naddźwiękowych.
Amerykańska firma Boom chce w 2021 roku oblatać model swojego hipersonicznego samolotu pasażerskiego o nazwie Overture i zebrała już na ten cel 196 milionów $. NASA ma z kolei X-59, eksperymentalny samolotu naddźwiękowy, który obniża poziom hałasu niesławnego gromu dźwiękowego. Firma Aerion we współpracy z Boeingiem, opracowuje natomiast naddźwiękowy odrzutowiec biznesowy, który mógłby latać od 2025 roku.
Grom dźwiękowy
Jednym z ważnych bodźców, które przyczyniły się do odrodzenia cywilnych samolotów naddźwiękowych jest fakt, że mogą one wytwarzać mniej hałasu i zmniejszyć problem gromu dźwiękowego (ang. sonic boom). Co to właściwie jest?
Kiedy nieruchomy obiekt – jak zestaw stereo – wytwarza dźwięk, jego fale dźwiękowe rozchodzą się we wszystkich kierunkach. Gdyby były one widoczne gołym okiem, fale te wyglądałyby podobnie do tych, które pojawiają się na tafli wody po wrzuceniu kamienia do stawu – pod postacią koncentrycznych kręgów.
Kiedy jednak samolot porusza się z prędkością hipersoniczną, wyprzedza on niejako wytwarzany przez siebie dźwięk. Prowadzi to do tego, że jego fale dźwiękowe ciągną się za samolotem w kształcie stożka, podobnie jak fale ciągnące się za łodzią. Zbliżający się samolot naddźwiękowy jest niesłyszalny, ale kiedy mija obserwatora, uderza go nagły, przypominający grom dźwięk skoncentrowanych fal dźwiękowych, który jest dość nieprzyjemny. W niektórych przypadkach gromy te mogą powodować uszkodzenia budynków, a naddźwiękowe odrzutowce wojskowe przelatujące nad lądem były nawet znane z rozbijania szyb.
W większości krajów rutynowe loty naddźwiękowe są zakazane nad lądem, co poważnie ogranicza potencjalne trasy cywilnych samolotów. Z tego powodu Concorde latał tylko na trasach, które w dużej mierze przebiegały nad wodą. Nowe konstrukcje są jednak pionierami tak zwanej technologii low-boom.
“Intensywność dźwięku zależy głównie od aerodynamicznego kształtu samolotu” – wyjaśnił Gérald Carrier, starszy aerodynamik we francuskim laboratorium lotniczym ONERA. Brał on udział w projekcie o nazwie RUMBLE, w ramach którego dla organów regulacyjnych zbierano dane na temat hałasu emitowanego przez samoloty o wysokim i niskim poziomie ciśnienia akustycznego.
Carrier zauważa, że projektując geometrię samolotu, można zmniejszyć głośność grzmotu z ponad 100 decybeli w przypadku Concorde’a, co przypominało słuchanie młota pneumatycznego, do 70-80 decybeli w przypadku nowych konstrukcji, co odpowiada mniej więcej odgłosowi odkurzacza.
“Odpowiednie zaprojektowanie samolotu z takimi cechami jak bardzo długi przedni nos może zmniejszyć hałas. Opanowując to możemy wyrzeźbić sygnaturę dźwiękową samolotu i sprawić, że grom będzie mniej dokuczliwy” – dodał Gérald Carrier.
Ciche jak fajerwerki
Na razie cywilne samoloty z technologią low-boom są wciąż w sferze teorii, ale wkrótce może się to zmienić. Boom ma nadzieję oblatać prototyp samolotu w skali 1:3 jeszcze w tym roku, a NASA chce rozpocząć testy lotnicze X-59 w 2022 roku. Carrier porównuje hałas jaki wydają nowe konstrukcje o niskim bumie do bardzo odległych fajerwerków. Ludzie nadal by je słyszeli, ale nie byłyby one głośne jak przy rozbijaniu szyb.
Cichy grom stał się możliwy dzięki postępowi w dziedzinie narzędzi i badań. Nowe programy komputerowe ułatwiają symulowanie właściwości samolotu i eksperymentowanie z kształtami trójwymiarowymi. Od lat 60. ubiegłego wieku, kiedy zaprojektowano Concorde’a, wiemy o wiele więcej na temat gromów dźwiękowych.
Jednak nawet ta nowa generacja samolotów naddźwiękowych nadal będzie wytwarzać hałas, dlatego należy opracować przepisy dotyczące konstrukcji samolotów o niskim poziomie hałasu. W ramach projektu RUMBLE przeprowadzono symulację natężenia dźwięku wytwarzanego przez nowe samoloty i jego wpływu na budynki, dokonano pomiarów gromów dźwiękowych z wykorzystaniem rosyjskich samolotów wojskowych, a nawet zbadano ich wpływ na ludzi.
“Sprawdzaliśmy, jak ludzie reagują na różne poziomy boomów dźwiękowych, tzw. badania psychoakustyczne” – powiedział Carrier. Naukowy umieścili głośniki obok domu, w którym znajdowały się osoby badane. Od czasu do czasu głośniki te wydawały dźwięki podobne do gromu dźwiękowego. Badani mieli następnie zdać relację z tego, jak wpłynęło to na ich samopoczucie, zdolność do wykonywania zadań i komfort snu. W oparciu o te wyniki rządy mogą zdecydować, jaki poziom hałasu jest dopuszczalny w przypadku nowych samolotów.
“Chcemy pomóc w określeniu przepisów, które mogą ograniczyć grom dźwiękowy nowych samolotów do poziomu akceptowalnego dla ludzi” – wyjaśnił Carrier. Dzięki tym przepisom samoloty naddźwiękowe będą mogły latać nad lądem, co znacznie rozszerzy zakres tras, które będą mogły obsługiwać.
Mach
W ramach projektu MOREandLESS, który właśnie się rozpoczął i będzie trwał przez cztery lata, profesor Nicole Viola z Politechniki Turyńskiej będzie badać różne poziomy gromu dźwiękowego. W jednym z eksperymentów badacze wystrzelą z pistoletu na dużym, odkrytym torze badawczym małe pociski w kształcie samolotów. Pociski wywołują grom dźwiękowy, który jest następnie mierzony przez mikrofony rozmieszczone wokół toru, aby sprawdzić, jak różne konstrukcje wpłyną na poziom hałasu. Naukowcy będą badać szeroki zakres prędkości – od 2 do 5 Macha.
Mach to jednostka prędkości dla samolotów hipersonicznych. Mach 1 oznacza, że samolot leci z prędkością równą prędkości dźwięku w danym miejscu, która może się różnić w zależności od lokalnej temperatury, która z kolei zależy głównie od wysokości (im wyżej w atmosferze, tym niższe temperatury). Na poziomie morza – przy temperaturze 15°C – prędkość Mach 1 wynosi 340,3 m/s lub 1225,08 km/h. Na wysokości 11 000 metrów prędkość ta wynosi 295 m/s lub 1062 km/h. Za naddźwiękowy uważa się obszar pomiędzy Mach 1 a 5, czyli od 1 do 5 razy więcej niż wynosi prędkość dźwięku. Na przykład Boom Overture ma utrzymywać prędkość Mach 2,2; podobną do prędkości przelotowej Concorde’a.
Prof. Viola bada również możliwości wykorzystania paliwa – kolejny kluczowy problem, z którym będą musiały zmierzyć się nowe naddźwiękowe samoloty cywilne. Jednym z powodów, dla których Concorde był nieekonomiczny, było wysokie zużycie paliwa, zwłaszcza w fazach lotu przy niskich prędkościach. I chociaż nowa generacja konstrukcji samolotów naddźwiękowych zmniejszyła zużycie paliwa dzięki takim zabiegom jak oszczędniejsze silniki i lepsza aerodynamika, to nadal zużywałyby one więcej paliwa niż zwykłe, poddźwiękowe odrzutowce, co powodowałoby problemy związane z zanieczyszczeniem środowiska i wpływem na klimat.
Kluczowym sposobem na ograniczenie tego zjawiska są nowe formy paliwa. Emisje zależą oczywiście od rodzaju silnika, ale również od paliwa i procesów chemicznych, które są podstawą spalania.
Dla prof. Violi pojawia się dwóch kandydatów na bardziej zrównoważone paliwa: biopaliwa i ciekły wodór. Wodór jest kandydatem numer 1, ponieważ nie powoduje emisji dwutlenku węgla. Ale biopaliwa, które pochodzą z biomasy, takiej jak rośliny lub odpady, są również nadal w grze, być może zmieszane ze zwykłym paliwem lotniczym.
Czy to się będzie opłacać?
Ale mimo całej nowej technologii, tym, co zadecyduje o sukcesie nowej generacji samolotów hipersonicznych, będzie ekonomia. “Ostatnim argumentem przemawiającym za Concordem było to, że ekonomia była po prostu nieopłacalna. British Airways i Air France po prostu nie mogły znieść ilości pieniędzy, które traciły” – powiedział dr Turab Zaidi, który kieruje Laboratorium Projektowania Systemów Lotniczych w Georgia Tech Lorraine, mieszczącym się w Metz we Francji.
Dr Zaidi zbadał w ramach projektu OASyS, czy ta sytuacja zmieni się w przyszłości i czy linie lotnicze będą w stanie z zyskiem eksploatować nowe samoloty. W ramach projektu opracowali oni dwa scenariusze dla samolotów naddźwiękowych w okresie od 2035 do 2050 roku, a ich wnioski wydają się być optymistyczne.
Naukowcy przewidują ewolucję rynku, uwzględniając wzrost gospodarczy, który najprawdopodobniej spowoduje wzrost wykorzystania linii lotniczych. Następnie oblicza się wielkość grupy konsumentów, którzy skorzystaliby z samolotów naddźwiękowych, takich jak pasażerowie biznesowi pragnący szybkich połączeń lub turyści, którzy obecnie płacą za ofertę premium linii lotniczych.
Jednak ten potencjalny rynek opiera się na szeregu założeń dotyczących ewolucji samolotów naddźwiękowych, takich jak wydajność paliwowa i regulacje prawne. Nie można także zapomnieć o jeszcze jednym ważnym czynniku, który kształtuje świat, w którym żyjemy. Mowa oczywiście o pandemii COVID-19. Bez powrotu do szeroko rozumianej “normalności” i wyszczepienia odpowiedniego odsetku ludzkości, nie wrócimy do regularnych podróży lotniczych. A bez odpowiedniej podaży wprowadzenie samolotów hipersonicznych będzie po prostu nieopłacalne.