Yliäänilentokone tai yliäänilentokone on matkustajaliikenteeseen tarkoitettu lentokone, joka kehittää yli 1 Machin superristeilynopeuden . Ainoat säännöllisessä matkustajaliikenteessä toimivat yliäänikoneet ovat eurooppalainen Concorde ( Concorde ) ja Neuvostoliiton Tu-144 . Tu-144:n viimeinen matkustajalento tapahtui kesäkuussa 1978; Concorden viimeinen lento tapahtui 26. marraskuuta 2003. Concorden lentojen päättymisen jälkeen yksikään yliäänilentokone ei jäänyt kaupalliseen käyttöön. Monet lentokoneet ovat suunnitelleet tai suunnittelevat oman versionsa yliäänilentokoneista .
Yliäänilentokoneita on tehty lukuisissa suunnittelututkimuksissa. Haittoja ja suunnitteluongelmia ovat liiallinen melun syntyminen (lähdön aikana ja lennon sisäisten äänipuomien takia ) , korkeat kehityskustannukset, kalliit rakennusmateriaalit, korkea polttoaineenkulutus, erittäin suuret päästöt ja matkustajapaikkaa kohti kohonneet kustannukset lentokoneissa. Näistä ongelmista huolimatta Concord nautti suurista voitoista, vaikka tämä johtui kaikkien kehitys- ja rakennuskustannusten alaskirjauksesta sekä matkustajien halukkuudesta ostaa lippu korkealla hinnalla [1] .
1950-luvulta lähtien yliäänikuljetuksesta on tullut teknisesti mahdollista, mutta oli epäselvää, voidaanko siitä tehdä taloudellisesti kannattavaa. Nosto yliäänenopeuksilla generoidaan erilaisilla menetelmillä, jotka ovat huomattavasti vähemmän tehokkaita kuin aliäänimenetelmiä, ja nosto/vastussuhde on noin . Tämä tarkoittaa, että millä tahansa vaaditulla nostovoimalla lentokoneen olisi annettava suunnilleen kaksi kertaa enemmän työntövoimaa, mikä johtaisi huomattavasti enemmän polttoaineen palamiseen. Tämä vaikutus näkyy nopeuksilla, jotka ovat lähellä äänen nopeutta , koska lentokone käyttää kaksi kertaa enemmän työntövoimaa matkustaakseen suunnilleen samalla nopeudella. Suhteellinen vaikutus pienenee, kun lentokone kiihtyy suurempiin nopeuksiin. Kompensoimalla tätä polttoaineenkulutuksen kasvua kone voisi lisätä merkittävästi lentoonlähtönopeutta ainakin keskipitkillä ja pitkillä lennoilla, joilla lentokone viettää huomattavan osan ajasta. Yliäänilentokonet lentävät vähintään kolme kertaa nopeammin kuin nykyiset aliääniajoneuvot ja voivat siten korvata jopa kolme käytössä olevaa lentokonetta, mikä pienentää työ- ja ylläpitokustannuksia.
Vakava työ yliäänilentokoneiden projekteissa alkoi 1950-luvun puolivälissä, jolloin valmistettiin ensimmäinen yliäänihävittäjien sukupolvi. Isossa - Britanniassa ja Ranskassa valtion tukemat ohjelmat asettuivat nopeasti delta-siivelle useimmissa tutkimuksissa, mukaan lukien Sud Aviation Super-Caravelle ja Bristol Type 223 , vaikka Armstrong Whitworth -yhtiö ehdottikin radikaalimpaa suunnittelua. Avro Canada tarjosi Trans World Airlinesille useita malleja, jotka sisälsivät Mach 1.6 -siiven ja Mach 1.2 -siiven erillisellä pyrstödeltasiipillä ja neljällä alasiiven moottorikokoonpanolla. Avro-tiimi muutti Isoon-Britanniaan, missä sen suunnittelu muodosti perustan Hawker Siddeleyn [2] suunnittelulle .
1960-luvun alkuun mennessä projektit olivat edenneet siihen pisteeseen, että tuotantolupa myönnettiin, mutta kustannukset olivat niin korkeat, että Bristol Airplane Company ja Sud Aviation yhdistivät lopulta voimansa vuonna 1962 tuottaakseen Concorden. 1960-luvun alussa useat amerikkalaiset ilmailu- ja avaruusalan johtajat kertoivat amerikkalaiselle yleisölle ja kongressille , ettei ollut mitään teknistä syytä, miksi yliääniliikennettä ei voitaisi tuottaa. Huhtikuussa 1960 Lockheedin varapuheenjohtaja Bert C Monsmith kertoi useille aikakauslehdille, että 250 000 naulan (110 000 kg) voitaisiinteräksestä valmistettu yliäänilentokone [3] . Mutta Concorden englantilais-ranskalainen kehitys aiheutti paniikkia amerikkalaisessa teollisuudessa, jossa uskottiin, että Concorde korvaisi pian kaikki muut pitkän kantaman mallit, varsinkin sen jälkeen, kun Pan Am hankki optiot Concorden ostoon. Kongressi rahoitti pian yliäänisuunnittelutyötä ja valitsi olemassa olevat Lockheed L-2000- ja Boeing 2707 -mallit rakentaakseen entistä edistyneemmän, suuremman, nopeamman ja pidemmän kantaman mallin. Boeing 2707 -projekti valittiin lopulta etenemään, ja sen suunnittelutavoitteena oli kuljettaa noin 300 matkustajaa ja matkalentonopeus noin 3 Mach . Neuvostoliitto päätti luoda oman projektinsa, Tu-144 :n, jota länsimainen lehdistö kutsui "Concordskiksi".
Yliääniliikennettä suhtauduttiin negatiivisesti lennon aikana tapahtuvan äänibuumin ja sen moottoreiden pakokaasujen mahdollisen otsonikerroksen vahingoittumisen vuoksi . Molemmat kysymykset vaikuttivat lainsäätäjien ajatteluun, ja lopulta kongressi lopetti yliäänilentokoneiden ohjelman rahoituksen maaliskuussa 1971 [4] [5] [6] ja kaikki kaupalliset yliäänilennot kiellettiin Yhdysvalloissa [7] . Presidentin neuvonantaja Russell Train varoitti, että 500 yliäänilentokoneen laivasto, joka lensi 65 000 jalan (20 km) korkeudessa useita vuosia, voi lisätä stratosfäärin vesipitoisuutta 50-100%. Trainin mukaan tämä voi johtaa korkeampiin lämpötiloihin maanpinnan tasolla ja estää otsonin muodostumista [8] . Mitä tulee stratosfäärin veteen ja sen potentiaaliin nostaa maan lämpötilaa, vaikka Concordia ei mainitakaan "vesihöyryn viimeaikaisen laskun lähteenä", National Oceanic and Atmospheric Administration totesi vuonna 2010, että stratosfäärin vesihöyryn tasot 1980-luvulla ja 1990-luku oli noin 10 % korkeampi kuin 2000-luku, NOAA :n Susan Solomon laski, että tämä muutos hidasti maapallon lämpenemisestä johtuvaa pintalämpötilan nousua noin 25 prosentilla verrattuna 1990 vuoden lämpenemisvauhtiin [9] . Fred Singer kuitenkin kumosi toisen Russell Train -ongelman, joka liittyy veden otsoniin, kirjeessään Naturelle vuonna 1971 [10] , "joka järkytti niitä, jotka väittivät, että yliääninopeus voi vaikuttaa vakavasti stratosfäärin otsoniin" [11] .
Pakokaasuissa olevien typen oksidien aiheuttama lisäuhka otsonille esitettiin myöhemmin, ja Massachusetts Institute of Technologyn tutkijat vahvistivat sen vuonna 1974 . Vuonna 1981 mallit ja havainnot olivat edelleen yhteensopimattomia [12] . Uudempi tietokonemalli, jonka National Oceanic and Atmospheric Administrationin tutkijat loivat vuonna 1995 , ehdottaa, että otsonin pudotus on enintään 1–2 %, jos käytössä on 500 yliäänilentokonetta, eikä tämän pitäisi olla esteenä. edistyneeseen yliäänikehitykseen, koska rikin poistaminen Concord -polttoaineesta eliminoisi hypoteettisen 1-2 %:n otsonikatoreaktion [13] .
Huolimatta otsoniongelmaan liittyvän mallin ja havainnon välisestä erosta, Concorde oli valmis käyttöön 1970-luvun puolivälissä, kuusi vuotta ensimmäisen yliäänikoelennon jälkeen [14] . Yhdysvalloissa poliittinen resonanssi oli niin korkea, että lentokone kiellettiin New Yorkin osavaltiossa . Tämä uhkasi lentokoneen taloudellisia näkymiä - se rakennettiin ottaen huomioon Lontoon ja New Yorkin välinen reitti. Kone selvitettiin Washington Dullesin lentokentälle , ja siitä tuli niin suosittu, että newyorkilaiset alkoivat pian valittaa, koska heillä ei ollut sitä. Concorde oli pian matkalla Kennedyn lentokentälle .
Muuttuvien poliittisten näkökohtien myötä lentävä yleisö jatkoi kiinnostusta nopeita valtameren ylityksiä kohtaan. Tämä merkitsi alkua ylimääräiselle suunnittelututkimukselle Yhdysvalloissa nimeltä "AST" (Advanced Supersonic Transport).
Tähän mennessä aikaisempien yliäänilentokoneiden taloudellisuus ei ollut enää kunnossa. Alunperin suunniteltaessa yliääniliikenteen odotettiin kilpailevan 80–100 matkustajaa kuljettavien pitkän matkan lentokoneiden, kuten Boeing 707 :n , kanssa, ja uudempien lentokoneiden, kuten Boeing 747 , kanssa, jotka kuljettavat neljä kertaa yliäänikuljetukseen verrattuna nopeus- ja polttoaineedut katosivat. valtava koko. Toinen ongelma oli, että yliääniajoneuvojen laaja nopeusalue vaikeutti moottoreiden parantamista. Vaikka aliäänimoottorit saavuttivat suuria harppauksia tehokkuudessa 1960-luvulla ottamalla käyttöön turbopuhallinmoottori , jonka ohitussuhteet kasvavat , tuuletinkonseptia on vaikea käyttää yliäänenopeuksilla, joissa suhde on noin 0,45 verrattuna 2,0:aan tai korkeampaan aliäänenopeuksilla. . Molemmista näistä syistä yliäänilentokoneiden projektit tuomittiin korkeampiin käyttökustannuksiin, ja AST-ohjelmat katosivat 1980-luvun alussa.
Concorde myytiin vain British Airwaysille ja Air Francelle tuilla , joiden oli tarkoitus palauttaa 80 % voitosta hallitukselle. Käytännössä lähes koko sopimuksen voimassaoloaikana voittoa ei kuitenkaan ollut jaettavaa. Concorden yksityistämisen jälkeen säästötoimenpiteet ja korkeammat lippuhinnat tuottivat huomattavia voittoja.
Siitä lähtien, kun Concorde lopetti lentämisen, on käynyt selväksi, että lentokone on todellakin osoittautunut kannattavaksi olemassaolonsa aikana ainakin British Airwaysille. Lähes 28 toimintavuoden toimintakulut olivat noin miljardi puntaa ja tulot 1,75 miljardia [15] .
Viimeiset reittilennot laskeutuivat Lontoon Heathrow'n lentokentälle perjantaina 24. lokakuuta 2003 hieman klo 16 jälkeen: Lento 002 New Yorkista, lento Edinburghista ja kolmas, joka lähti Heathrow'sta ympyrässä Biskajanlahden yli .
1900-luvun loppuun mennessä ilmestyi sellaisia projekteja kuin Tu-244 , Tu-344 , Silent Supersonic Aircraft SAI , Sukhoi Supersonic Business Jet , High-speed siviililiikenne , joista yhtäkään ei toteutettu. Kuitenkin 2010-luvulla luomistyö jatkui.
21. elokuuta 1961 Douglas DC-8-43 ylitti äänen nopeuden ohjatussa sukelluksessa koelennolla Edwardsin ilmavoimien tukikohdassa. Miehistöön kuuluivat William Magruder (lentäjä), Paul Patten ( perämies ), Joseph Tomic (lentoinsinööri ) ja Richard Edwards (koeinsinööri). Se oli ensimmäinen siviililentokoneen yliäänilento [16] .
Concordia rakennettiin kaikkiaan 20: kaksi prototyyppiä, kaksi kehityskonetta ja 16 tuotantokonetta. Kuudestatoista tuotantokoneesta kaksi ei tullut kaupalliseen käyttöön ja kahdeksan jäi liikenteeseen huhtikuussa 2003. Kaikki paitsi kaksi näistä lentokoneista ovat säilyneet; kaksi F-BVFD-lentokonetta pysäköitynä varaosien lähteeksi vuonna 1982 ja poistettu käytöstä vuonna 1994, ja F-BTSC, joka syöksyi maahan Pariisin lähellä 25. heinäkuuta 2000 tappaen 100 matkustajaa, 9 miehistön jäsentä ja 4 ihmistä maassa.
Lentokelpoisia Tu-144-koneita rakennettiin yhteensä kuusitoista; seitsemästoista ei koskaan valmistunut. Lisäksi rinnakkain uuden prototyypin kehittämisen kanssa luotiin ainakin yksi maatestauslentokoneen runko staattista testausta varten.
Kaikille ilmassa liikkuville ajoneuvoille vastusvoima on verrannollinen ilmanvastuskertoimeen , ilmanopeuden neliöön ja ilman tiheyteen . Koska vastus kasvaa nopeasti nopeuden myötä, yliäänikoneiden tärkein suunnittelun prioriteetti on minimoida tämä voima vähentämällä vastuskerrointa. Tämä johtaa erittäin virtaviivaisiin lentokoneiden muotoihin. Jossain määrin yliäänikoneet hallitsevat vastusta myös lentämällä korkeammilla korkeuksilla kuin aliäänilentokoneilla, joissa ilman tiheys on pienempi.
Kun nopeus lähestyy äänen nopeutta, ilmaantuu ylimääräinen aaltovastusilmiö . Tämä on voimakas veto, joka alkaa transonisilla nopeuksilla (noin 0,88 Mach ). Noin 1 Machin huippuvastuskerroin on neljä kertaa aliäänivastus. Transonic-alueen yläpuolella suhde laskee jälleen jyrkästi, vaikka se pysyy 20 % korkeampana 2,5 Machilla kuin aliäänenopeuksilla. Yliäänilentokoneella on oltava huomattavasti enemmän tehoa kuin aliäänilentokoneella tämän aallon vastuksen voittamiseksi, ja vaikka yliääninopeuden yläpuolella risteily on tehokkaampaa, se on silti vähemmän tehokasta kuin aliääninopeudella lentäminen.
Toinen ongelma yliäänilennolla on siipien nosto - vastussuhde ( Drag -to-drag ratio ). Yliäänenopeuksilla kantosiipipinnat luovat nostovoimaa hyvin eri tavalla kuin aliäänenopeuksilla, ja ne ovat aina vähemmän tehokkaita. Tästä syystä jatkuvaa yliäänilentoa varten on panostettu huomattavaan tutkimukseen siipien muodon kehittämiseen. Noin 2 Machilla tyypillinen siipirakenne puolittaa nosto- vastussuhteensa (esimerkiksi Concorden suhde on 7,14, kun taas ääntä hitaamman Boeing 747 :n suhde on 17) [17] . Koska lentokoneen suunnittelun on tarjottava riittävästi nostovoimaa oman painonsa voittamiseksi, sen aerodynaamisen laadun heikkeneminen yliäänenopeuksilla vaatii lisätyöntövoimaa nopeuden ja korkeuden ylläpitämiseksi.
Suihkumoottorin rakenne vaihtelee huomattavasti yliääni- ja aliäänilentokoneiden välillä. Suihkumoottorit luokkana voivat parantaa polttoainetehokkuutta yliäänenopeuksilla, vaikka niiden ominaispolttoaineenkulutus olisi suurempi suuremmilla nopeuksilla. Koska niiden nopeus maan päällä on suurempi, tämä tehokkuuden aleneminen on vähemmän kuin verrannollinen nopeuteen, kunnes se ylittää 2 Machin ja kulutus matkan yksikköä kohti on pienempi.
Kun Aérospatiale - BAC suunnitteli Concordea , korkean ohituksen suihkumoottoreita (" turbofans " -moottoreita) ei ollut vielä käytetty ääntä hitaampiin lentokoneisiin. Jos Concorde olisi saapunut vanhempien mallien, kuten Boeing 707 :n tai de Havilland Cometin , huollon aikana, se olisi ollut paljon kilpailukykyisempi, vaikka ne olisivat silti kuljettaneet enemmän matkustajia. Kun nämä korkean ohitusnopeuden suihkumoottorit otettiin kaupalliseen käyttöön 1960-luvulla, aliäänimoottorit muuttuivat välittömästi paljon tehokkaammiksi, lähemmäksi yliäänenopeuksilla toimivia turboruihkumoottoreita . Yksi yliääniliikenteen tärkeimmistä eduista on kadonnut.
Turbopuhallinmoottorit parantavat tehokkuutta lisäämällä matalapaineisen kylmän ilman määrää, jota ne kiihdyttävät, käyttämällä osan energiasta, jota tavallisesti käytetään kuuman ilman kiihdyttämiseen klassisessa ei- ohitussuihkumoottorissa . Tämän suunnittelun perimmäinen ilmentymä on potkuriturbiini , jossa lähes kaikki suihkukoneisto käytetään erittäin suuren tuulettimen, potkurin , voimanlähteenä . Tuulettimen suunnittelun hyötysuhdekäyrä tarkoittaa, että ohitusaste , joka maksimoi moottorin kokonaishyötysuhteen, riippuu ajonopeudesta, joka laskee potkureista puhaltimiin eikä vaihda ohitukseksi ollenkaan nopeuden kasvaessa. Lisäksi moottorin etuosan matalapainepuhaltimen käyttämä suuri etualue lisää vastusta , erityisesti yliäänenopeuksilla [ 18] .
Esimerkiksi varhaiset Tu-144-koneet toimivat matalan ohitussuhteen turbotuulettimella , ja ne olivat paljon vähemmän tehokkaita kuin Concorde-suihkukoneet yliäänilennolla. Myöhemmissä malleissa oli suihkuturbiinit, joiden hyötysuhde oli vertailukelpoinen. Nämä rajoitukset tarkoittivat, että yliäänilentokoneiden mallit eivät kyenneet hyödyntämään polttoainetalouden valtavaa parannusta, jonka suuren ohitusnopeuden moottorit toivat aliäänimoottorimarkkinoille, mutta ne olivat jo tehokkaampia kuin aliäänitehoiset turbotuulettimet.
Ajoneuvojen yliääninopeudet vaativat kapeampia siipi- ja runkorakenteita ja ovat alttiita suuremmille kuormituksille ja lämpötiloille. Tämä johtaa aeroelastisuusongelmiin , jotka vaativat raskaampia rakenteita ei-toivotun taipumisen minimoimiseksi. Yliäänikoneet vaativat myös paljon vahvemman (ja siten raskaamman) rakenteen, sillä niiden runko on paineistettava suuremmalla painehäviöllä kuin äänilentokoneita, jotka eivät toimi yliäänilennon edellyttämillä korkeilla. Kaikki nämä tekijät yhdessä tarkoittivat, että yhden tyhjän istuimen suhteellinen paino Concordessa oli yli kolme kertaa Boeing 747:n suhteellinen paino.
Sekä Concorde että TU-144 valmistettiin kuitenkin tavanomaisesta alumiinista ja duralumiinista , kun taas nykyaikaisemmat materiaalit, kuten hiilikuitu ja kevlar , ovat vetovoimaltaan paljon vahvempia painonsa vuoksi ja ovat myös jäykempiä. Koska rakenteellinen paino istuinta kohden on paljon suurempi yliäänilentokoneen suunnittelussa, kaikki parannukset johtavat tehokkaampaan tehokkuuteen kuin samat muutokset aliäänilentokoneessa.
Lentokone | Concord [19] | Boeing 747-400 [ 20] |
---|---|---|
Matkustajakilometrejä / keisarillinen gallona | 17 | 109 |
Matkustajamailia / US gallona | neljätoista | 91 |
Litra/matkustaja 100 km | 16.6 | 3.1 |
Kapean rungon aerodynaamisista vaatimuksista johtuvat korkeammat polttoainekustannukset ja pienempi matkustajakapasiteetti tekevät yliääniliikenteestä kalliimman liike- ja siviilimatkailumuodon verrattuna ääntä alinopeudella toimiviin lentokoneisiin. Esimerkiksi Boeing 747 voi kuljettaa yli kolme kertaa enemmän matkustajia kuin Concorde, kun se käyttää suunnilleen saman määrän polttoainetta.
Polttoainekustannukset eivät kuitenkaan muodosta suurinta osaa useimpien ääntä hitaampien lentokoneiden matkustajalippujen kustannuksista [21] . Yliäänilentokoneita käyttävillä transatlanttisilla yritysmarkkinoilla Concorde oli itse asiassa erittäin menestynyt ja pystyi ylläpitämään korkeampia lippujen hintoja. Nyt kun kaupalliset yliäänikoneet ovat lopettaneet toimintansa, on selvää, että Concorde on tehnyt merkittäviä voittoja British Airwaysille [22] .
Yksi Concorden ja Tu-144:n toimintaan liittyvistä ongelmista oli korkea moottorin melutaso, joka liittyi lentoonlähdön aikana käytettävien suihkumoottoreiden erittäin suuriin nopeuksiin, ja mikä vielä tärkeämpää, lentäessä lentokentän lähellä asuttujen alueiden yli. Yliäänimoottorit vaativat melko suuren ominaistyöntövoiman (nettotyöntövoima/ilmavirta) yliäänilennolla minimoimaan moottorin poikkileikkausalan ja siten koneen vastuksen . Valitettavasti tämä merkitsee suuria suihkunopeuksia, mikä tekee moottoreista meluisia ja aiheuttaa ongelmia, erityisesti alhaisilla nopeuksilla/korkeuksilla ja lentoonlähdön aikana [23] . Siksi tulevaisuuden yliääniliikenne voi hyötyä vaihtelevan syklin moottorista , jossa ominaistyöntövoima (sekä suihkun nopeus ja melu) on alhainen lentoonlähdön aikana, mutta sen on pakko olla korkea yliäänilennon aikana. Siirtyminen kahden tilan välillä tapahtuu jossain vaiheessa kiipeämisen aikana ja takaisin laskeutumisen aikana, jotta suihkun melu minimoi sen lähestyessä maata. Haasteena on suunnitella vaihtuvakiertoinen moottorikonfiguraatio, joka täyttää pienen poikkileikkausalueen vaatimukset yliäänilentoaikana.
Äänipuomia ei pidetty suurena ongelmana lentokoneiden korkeiden korkeuksien vuoksi, mutta 1960-luvun puolivälissä tehdyt kokeet, kuten kiistanalaiset Oklahoma Cityn äänipuomitestit ja XB-70 Valkyrie ( XB-70) Valkyrie, osoittivat toisin. Vuoteen 1964 mennessä tämä ongelma teki epäselväksi, myönnettäisiinkö yliäänilentokoneille lupa [24] . Äänipuomin ärsytystä voidaan välttää odottamalla, että lentokone on korkealla veden yläpuolella ennen kuin se saavuttaa yliääninopeuden. Concorde-lentäjät käyttivät tätä menetelmää, mutta se estää yliäänilennon asuttujen alueiden yli. Yliäänikoneiden nosto/vastussuhde on alhainen aliäänenopeuksilla verrattuna aliäänilentokoneisiin, ellei käytetä teknologioita, kuten vaihtelevia siipiä, ja siksi ne kuluttavat enemmän polttoainetta, minkä seurauksena niiden käyttö ei ole taloudellisesti kannattavaa[ mitä? ] lentoreitit. Lisäksi Concordessa oli 93 Pa ylipaine. Yli 72 Pa:n liiallinen paine aiheuttaa usein valituksia matkustajilta [25] .
Jos puomia pienennetään, tämä voi tehdä jopa erittäin suurista yliäänilentokoneista hyväksyttäviä maalentoille. Tutkimukset osoittavat, että nenäkartion ja hännän muutokset voivat vähentää äänipuomin voimakkuutta matkustajia ärsyttävän tason alapuolelle. 1960-luvulla ehdotettiin, että lentokoneen rungon huolellinen muotoilu voisi vähentää maanpinnan saavuttavien äänen iskuaaltojen voimakkuutta . Yksi malli aiheutti shokkiaallot häiritsemään toisiaan, mikä vähensi huomattavasti äänipuomia. Tuolloin tätä oli vaikea testata, mutta sen jälkeen tietokoneavusteisen suunnittelun kasvavat mahdollisuudet ovat helpottaneet tätä tehtävää huomattavasti. Vuonna 2003 lanseerattiin esittelylentokone , joka osoitti suunnittelun luotettavuuden ja osoitti mahdollisuuden vähentää vaikutusta noin 2 kertaa. Jopa ajoneuvon pidentäminen ilman merkittävää painon lisäystä vähentää törmäyksen voimakkuutta.
Yliäänikoneen aerodynaamisen suunnittelun on muututtava sen nopeuden mukaan optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi. Siten yliäänilentokone muuttaa ihanteellisesti muotoaan lennon aikana säilyttääkseen optimaalisen suorituskyvyn sekä ääntä ali- että yliäänenopeuksilla. Tämä vaihtoehto johtaisi monimutkaisempaan suunnitteluun, mikä lisäisi ylläpitovaatimuksia, käyttökustannuksia ja turvallisuusongelmia.
Käytännössä kaikki yliäänajoneuvot ovat käyttäneet samaa muotoa aliääni- ja yliäänilennoissa, koska suorituskyvyn kompromisseja on usein tehty hitaiden lentojen kustannuksella. Liuku-/ vastussuhde Esimerkiksi Concordella oli erittäin korkea ilmanvastus ( nosto-vastussuhde noin 4) pienellä nopeudella, mutta se lensi suurella nopeudella suurimman osan lennostaan. Concorden suunnittelijat käyttivät 5 000 tuntia optimoiden ajoneuvon muotoa tuulitunnelitestausten avulla maksimoidakseen kokonaissuorituskyvyn koko lentosuunnitelmassa.
Boeing 2707 :ssä oli kääntyvät siivet tehokkuuden parantamiseksi pienillä nopeuksilla, mutta tällaisen ominaisuuden vaatima lisääntynyt tila loi suorituskykyongelmia, jotka lopulta osoittautuivat ylitsepääsemättömiksi.
North American Aviationilla oli epätavallinen lähestymistapa tähän ongelmaan XB-70 Valkyrien kanssa . Laskemalla ulompia siipipaneeleja suurilla nopeuksilla ne pystyivät hyödyntämään puristusnostoa lentokoneen alapuolella. Tämä paransi nosto- vastussuhdetta noin 30 %.
Yliäänenopeuksilla lentokone puristaa adiabaattisesti ilmaa edessään. Ilman kohonnut lämpötila lämmittää lentokonetta. Aliäänilentokoneita valmistetaan yleensä alumiinista . Koska alumiini on kevyt ja vahva, se ei kuitenkaan kestä paljon yli 127 °C:n lämpötiloja; sellaisissa korkeissa lämpötiloissa alumiini menettää vähitellen ominaisuutensa, jotka muodostuivat maallisen jähmettymisprosessissa. Ilma-aluksissa, jotka lentävät Mach 3 nopeudella , on käytetty materiaaleja, kuten ruostumatonta terästä ( XB-70 Valkyrie , MiG-25 ) tai titaania ( SR-71 , T-4 ), mikä on lisännyt huomattavasti kustannuksia, koska näiden materiaalien ominaisuudet ovat erittäin suuret. vaikeuttaa lentokoneen tuotantoa.
Vuonna 2017 löydettiin uusi karbidikeraaminen pinnoitemateriaali , joka kestää 3000 °C:n lämpötiloja 5 Machin tai korkeammalla nopeudella [26] .
Yliäänikoneen kantama voidaan arvioida Breguetin kantamayhtälön avulla . Suuri lentoonlähtöpaino matkustajaa kohti vaikeuttaa hyvän osan polttoaineen saamista. Tämä ongelma yhdessä alhaisiin nosto/vastussuhteisiin liittyvän ongelman kanssa rajoittaa merkittävästi yliääniajoneuvojen valikoimaa. Koska pitkän matkan reitit eivät olleet varteenotettava vaihtoehto, lentoyhtiöt eivät olleet kiinnostuneita yliäänikoneiden ostamisesta.
Lentoyhtiöt ostavat lentokoneita ansaitakseen rahaa ja haluavat saada varoistaan mahdollisimman paljon tuottoa sijoitukselleen . He arvostavat mahdollisesti erittäin nopeita lentokoneita, koska se mahdollistaa enemmän lentoja päivässä, mikä tarjoaa paremman tuoton sijoitukselle. Lisäksi matkustajat suosivat nopeita ja lyhyitä lentoja hitaampien ja pidempien lentojen sijaan, joten nopeampien lentokoneiden käyttö voi antaa lentoyhtiölle kilpailuedun , jopa siinä määrin, että monet asiakkaat ovat valmiita ostamaan lippuja korkeammalla hinnalla säästääkseen. aika. Concorden korkea melutaso lentokentillä, aikavyöhykeongelmat ja riittämätön nopeus johtivat kuitenkin siihen, että vain yksi paluulento voitiin tehdä päivässä, joten ylimääräinen nopeus ei ollut lentoyhtiölle etu, paitsi myynninedistämistarkoituksessa [27] . Ehdotetut amerikkalaiset yliäänikoneet suunniteltiin lentämään 3 Machin nopeudella osittain tästä syystä. Kiihtyvyys- ja hidastusajat huomioon ottaen transatlanttinen matka Machin 3:lla olisi kuitenkin alle kolme kertaa nopeampi kuin 1 Machin matka.
Koska yliäänilentokoneet tuottavat äänipuomeja yliäänenopeuksilla, niiden sallitaan harvoin ylittää äänen nopeus maalla, ja siksi niiden on ylitettävä se merellä. Koska ne ovat tehottomia ääntä hitaampiin nopeuksilla verrattuna ääntä alentaviin lentokoneisiin, kantama heikkenee ja reittien määrä, jonka lentokone voi lentää pysähtymättä, vähenee. Se vähentää myös tällaisten lentokoneiden suosiota useimmille lentoyhtiöille. Yliäänilentokoneiden polttoaineenkulutus matkustajaa kohden on suurempi kuin ääntä hitaampien lentokoneiden; tämä nostaa väistämättä lipun hintaa muiden tekijöiden pysyessä samana ja tekee myös hinnasta herkemmän öljyn hinnalle . Se tekee myös yliäänilennoista vähemmän ympäristöystävällisiä, mikä on kasvava huolenaihe suurelle yleisölle, myös matkailijoille.
Uuden yliäänilentokoneen kehittämisen tutkimus- ja kehitystyöhön panostamisen päätavoitteena on lentoliikenteen nopeuden lisääminen. Pääsääntöisesti niiden pääasiallisena liikkeellepanevana voimana on uuden teknologian halun lisäksi muiden liikennemuotojen aiheuttama kilpailupaine. Kilpailu eri palveluntarjoajien välillä saman liikennemuodon sisällä ei yleensä johda tällaisiin teknologisiin investointeihin nopeuden lisäämiseksi. Sen sijaan palveluntarjoajat kilpailevat mieluummin palvelujen laadulla ja hinnalla. Esimerkki tästä ilmiöstä on suurnopeusjunaliikenne . Rautatieliikenteen nopeusrajoitusta nostettiin niin paljon, että se kilpaili tehokkaasti maantie- ja lentoliikenteen kanssa . Sitä ei kuitenkaan tehty rautatieyhtiöiden välisen kilpailun lisäämiseksi .
Tämä ilmiö vähentää myös yliäänilentokoneiden kysyntää lentoyhtiöille, sillä erittäin pitkien matkojen (parin tuhannen kilometrin) kuljetuksissa eri liikennemuotojen välinen kilpailu on enemmän kuin hevoskilpailua: lentoliikenteellä ei ole merkittävää kilpailijaa. Ainoa kilpailu on lentoyhtiöiden välillä, ja ne maksavat mieluummin maltillisesti kustannusten alentamisesta ja palvelun laadun parantamisesta kuin paljon enemmän nopeuden lisäämisestä. Lisäksi kaupalliset yritykset suosivat yleensä alhaisen riskin liiketoimintasuunnitelmia, joilla on suuri mahdollisuus tuottaa merkittäviä voittoja, mutta kallis edistyneen teknologian tutkimus- ja kehitysohjelma on riskialtis hanke, koska on mahdollista, että ohjelma epäonnistuu odottamattomista teknisistä syistä tai lisätä kustannuksia niin paljon, että se pakottaa yrityksen rajallisten taloudellisten resurssien vuoksi luopumaan ponnisteluista ennen kuin ne johtavat innovatiiviseen tuotantoteknologiaan, mikä saattaa johtaa kaikkien investointien menettämiseen.
Kansainvälinen puhtaan liikenteen neuvosto (ICCT) arvioi , että yliääniliikenne kuluttaa 5–7 kertaa enemmän polttoainetta matkustajaa kohden [28] . ICCT osoittaa, että yliäänilento New Yorkista Lontooseen kuluttaisi yli kaksi kertaa enemmän polttoainetta matkustajaa kohden kuin aliääniliikenteessä liikennöivä luokka , kuusi kertaa enemmän kuin turistiluokka ja kolme kertaa enemmän kuin ääntä aliäänilento lennolla Los Angelesista. Sydney [29] . Suunnittelijat voivat joko täyttää olemassa olevat ympäristöstandardit edistyneellä tekniikalla tai lobbata poliitikkoja asettamaan uusia standardeja yliääniliikenteelle [30] .
Jos vuonna 2035 olisi 2 000 yliääniajoneuvoa, 5 000 lentoa päivässä 160 lentoasemalla, ja laivaston päästöt olisivat noin 96 miljoonaa tonnia hiilidioksidia vuodessa (kuten American Airlines , Delta AirLines ja Southwest Airlines yhteensä vuonna 2017 ), 1,6–2,4 gigatonnia CO₂ niiden 25 vuoden elinkaaren aikana: viidesosa kansainvälisen ilmailun hiilidioksidipäästöistä , jos ilmailu säilyttää osuutensa päästöistä pysyäkseen 1,5 °C: n ilmastoradalla . Lentokenttien ympärillä oleva melualue voi kaksinkertaistua nykyisten samankokoisten aliäänilentokoneiden pinta-alaan verrattuna, sillä Dubaissa ja Lontoon Heathrow'lla yli 300 lentoa päivässä ja yli 100 Los Angelesissa, Singaporessa, San Franciscossa , New York-Kennedyn lentokentällä, Frankfurtissa ja Bangkokissa. . Kanadassa , Saksassa, Irakissa, Irlannissa, Israelissa, Romaniassa, Turkissa ja joissain osissa Yhdysvaltoja kuullaan usein äänihuutoja , jopa 150-200 päivässä tai kerran viidessä minuutissa [31] .
Toisen sukupolven yliäänilentokoneen halu on jatkunut joissakin ilmailualan osissa [32] , ja useita uusia konsepteja on syntynyt Concorden eläkkeelle jäämisen jälkeen. Maaliskuussa 2016 Boom Technology paljasti, että se oli kehitysvaiheessa 40 matkustajan yliäänisuihkukoneen, joka pystyy lentämään 2.2 Mach -nopeudella, ja väitti suunnittelusimulaatioiden osoittavan, että se olisi hiljaisempi ja 30 % tehokkaampi kuin Concorde. lentää Los Angelesista Sydneyyn kuudessa tunnissa [33] .
Yliääniliikenteen taloudellisen elinkelpoisuuden ylläpitämiseksi NASA:n tutkimukset vuodesta 2006 lähtien ovat keskittyneet äänipuomin vähentämiseen, jotta yliäänilento maan päällä olisi mahdollista. NASA kehitti äskettäin suhteellisen hiljaisen liukumista vähentävän esittelymallin saadakseen yleisön hyväksynnän Yhdysvaltain liittovaltion ilmailuhallinnon ja Kansainvälisen siviili-ilmailujärjestön kiellon mahdolliselle poistamiselle 2020-luvun alussa. Lockheed Martin X-59 QueSST simuloi shokkiaallon allekirjoitusta 1,6 Mach - 1,8 Mach koetuksella 75 PNLdB:n melutasolla verrattuna Concorden 105 PNLdB:iin.
200 miljoonan dollarin yliäänilentokoneiden markkinat voivat laajentua 1 300 kertaa 10 vuoden aikana ja kasvaa 260 miljardiin dollariin [34] . Uuden mallin kehittämisen ja sertifioinnin arvioidaan maksavan noin 4 miljardia dollaria [35] .
TsAGI esitteli Moskovan lentonäyttelyssä MAKS-2017 pienoismallia yliäänisuihkukoneistaan / kaupallisista suihkukoneistaan , jonka pitäisi tuottaa suhteellisen hiljainen äänipuomi, joka mahdollistaa yliäänilennot maanpinnan yläpuolella. Se on optimoitu ajamaan 2100 km/h (1300 mph) nopeudella ja 7400-8600 km (4600-5300 mailia). Tieteellinen tutkimus tähtää optimointiin sekä 0,8–0,9 Machin transonisille nopeuksille että 1,5–2,0 Machin yliäänenopeuksille. Suunnittelua testataan tuulitunnelissa , moottoreita kehitetään lentokonemoottorien keskusinstituutissa ja suunnitelmia tutkivat Aviadvigatel ja NPO Saturn [36] .
Las Vegasissa lokakuussa 2017 pidetyssä National Business Aviation Associationin konferenssissa , jossa NASA tuki vain tutkimusta, useat yritykset törmäsivät teknisiin ongelmiin tarjoamalla toimivia lentomalleja eri kantamilla ja enimmäisnopeuksilla [37] :
Vuoden 2017 neljästä miljardista lentomatkustajasta yli 650 miljoonaa lensi pitkiä matkoja välillä 2 000–7 000 mailia (3 200–11 300 km), joista 72 miljoonaa liike- ja ykkösluokassa [38] . Lokakuussa 2018 Yhdysvaltain liittovaltion ilmailuhallinto otti käyttöön yliääniajoneuvojen melustandardien uudelleenhyväksynnän, mikä antoi kehittäjille säädösvarmuuden projekteilleen, lähinnä moottorien valinnassa. FAA ehdotti säädöksiä Yhdysvaltojen yliäänilentotestien hyväksynnästä ja melusertifioinnista vuoden 2019 alussa, kun taas NASA aikoo käynnistää ICAO :n standardien mukaisen Lockheed Martin X-59 -hiljaisen demonstraattorin vuonna 2025 [39] .
Vuonna 2016 NASA ilmoitti allekirjoittaneensa sopimuksen huipputason, hiljaisen X-59 QueSST -yliäänilentokoneen prototyypin kehittämisestä . Suunnitteluryhmää johtaa Lockheed Martin Aeronautics [40] . Kesäkuussa 2019 NASA:n Silent Supersonic Flight Initiativen innoittamana Lockheed Martin julkisti Silent Supersonic Airliner [41] , 1,8 Mach Pacific -lentokonseptin 40 matkustajalle. Lentokenttämelun ja äänipuomin vaimennuksen tarjoavat muotoiltu puomin muotoilu, integroitu hiljainen propulsiojärjestelmä, pyyhkäisevä yliääninen luonnollinen laminaarivirtaus ja ohjaamonäkymäjärjestelmä. 225 jalan (69 m) rakenne on huomattavasti pidempi kuin Concordessa, ja sen keula on lähes 70 jalkaa (21 m) ja ohjaamo 78 jalkaa (24 m). Terävästi pyyhkäisyn deltasiiven jänneväli on 73 jalkaa (22 m), hieman kapeampi kuin Concordin [42] .
Suunnittelutavoitteet ovat lentoetäisyys 7800-9800 km ja lentoonlähtökentän pituus 2900-3200 m, äänipuomi 75-80 dB ja nopeus 1,6-1,7 Mach maan päällä ja 1,7-1,8 Mach veden päällä. . V-pyrstöjen väliin on sijoitettu kaksoispyrstömoottorit, joiden teho on 180 kN. Integroitu hiljainen propulsiojärjestelmä sisältää edistyneet äänenvaimentimet , melusuojan ja vääristymiä kestävät potkurin lavat . Tällä hetkellä (2021) lentokoneen prototyyppi on koottu.
Supersonic Aerospace Internationalin (SAI) SAI Quiet Supersonic Transport on Lockheed Martinin(?) 12-matkustajalentokone, joka kulkee 1,6 Machin nopeudella äänipuomin voimalla, joka on vain 1 % Concorden iskuvoimasta. [ 43] .
Elokuussa 2020 Virgin Galactic teki yhteistyötä Rolls-Roycen kanssa paljastaakseen konseptin kaksisuihkukoneesta, jossa on deltasiipi ja Mach 3 huippunopeus, joka pystyy kuljettamaan jopa 19 matkustajaa [44] .
Malli | Matkustajien määrä | Nopeus | Lentoalue | Suurin lentoonlähtöpaino | Kokonaistyöntövoima | Työntövoima-painosuhde |
---|---|---|---|---|---|---|
Tu-144 | 150 | Mach 2 | 3 500 merimailia (6 500 km) | 207 tonnia (456 000 puntaa) | 960 kN | 0,44 |
Concord | 120 | Mach 2.02 | 3 900 merimailia (7 200 km) | 185 tonnia (408 000 puntaa) | 676 kN | 0,37 |
Boom Technology -alkusoitto | 55 | Mach 1.7 | 4 500 merimailia (8 300 km) | 77,1 tonnia (170 000 puntaa) | 200–270 kN | 0,26–0,35 |
Spike S-512 | kahdeksantoista | Mach 1.6 | 11 500 km (6 200 nmi ) | 52,2 tonnia (115 000 puntaa) | 177,8 kN | 0,35 |
Marraskuussa 2003 Airbusin emoyhtiö EADS ilmoitti harkitsevansa yhteistyötä japanilaisten yritysten kanssa kehittääkseen suuremman ja nopeamman korvaavan Concorden [45] . Lokakuussa 2005 Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) suoritti aerodynaamisia testejä 300 matkustajan kuljettamiseen tarkoitetun lentokoneen mittakaavassa 2 Mach 2:lla ( Next Generation Supersonic Transport , NEXST, sitten Zero Emission Hypersonic Transport ) [46] . Tuolloin sen odotettiin olevan käytössä noin vuosina 2020-25.
Toukokuussa 2008 ilmoitettiin, että Aerion Corporation oli myynyt 3 miljardin dollarin ennakkotilauksen Aerion SBJ -yliäänisuihkukoneesta [ 47 ] . Vuoden 2010 lopussa projektia jatkettiin siipiosan koelennolla. Aerion AS2 :ta ehdotettiin 12-paikkaiseksi kolmisuihkukoneeksi, jonka toimintasäde on 8 800 km (5 470 mailia) 1,4 Machin nopeudella veden päällä tai 9 800 km (6 100 mailia) 0,95 Machin nopeudella maan päällä, vaikka väitettiin, että lento ilman äänipuomia Mach 1.1. Airbusin tukemana ja Flexjetin 20 laukaisutilauksen myötä toukokuussa 2017, kun GE Aviation valittiin liikekumppaniksi yhteiseen moottoritutkimukseen, ensimmäiset toimitukset siirrettiin vuodesta 2023 kahdella vuodella [48] .
Uusia malleja yliäänilentokoneista Tu-444 ja Gulfstream X-54 ehdotettiin myös .
Vaikka tavanomaiset potkuriturbiini- ja ramjet-moottorit pystyvät ylläpitämään kohtuullisen hyötysuhteen 5,5 Machiin asti, joskus keskustellaan myös ideoista erittäin nopeasta lennosta yli 6 Machissa tavoitteena lyhentää matka-aikaa yhteen tai kahteen tuntiin kaikkialla maailmassa. Nämä muunnelmat viittaavat usein raketti- tai suihkumoottorien käyttöön ; impulssiräjäytysmoottoreita on myös ehdotettu . Tällaiseen lentoon liittyy monia sekä teknisiä että taloudellisia vaikeuksia. Rakettikäyttöiset lentokoneet, vaikkakin teknisesti käytännölliset (joko ballistisina ajoneuvoina tai puoliballistisina ajoneuvoina, joissa käytetään siipiä), käyttävät erittäin suuria määriä polttoainetta ja toimivat parhaiten nopeuksilla noin 8 Machin nopeuksista kiertoradan nopeuksiin . Raketit kilpailevat parhaiten suihkumoottoreiden kanssa kustannuksillaan erittäin pitkillä etäisyyksillä; tällaisten lentokoneiden laukaisukustannukset eivät kuitenkaan ole paljon alhaisemmat kuin kiertoradalla tapahtuvan laukaisun kustannukset.
Kesäkuussa 2011 järjestetyssä Pariisin lentonäyttelyssä EADS esitteli ZEHST -konseptinsa , jonka nopeus on 4 Mach (4 400 km/h) 105 000 jalkaa (32 km). Tämä malli herätti japanilaisten kiinnostuksen [49] . Vuodesta 2005 lähtien Saksan ilmailu- ja kosmonautiikkakeskus on työskennellyt suborbitaalisen hypersonic - matkustaja - avaruusaluksen SpaceLiner -projektin parissa .
Esijäähdytettyjä suihkumoottoreita tutkitaan Euroopassa ja Japanissa. Nämä ovat suihkumoottoreita, joissa on sisääntulolämmönvaihdin, joka jäähdyttää ilmaa erittäin suurilla nopeuksilla. Ne voivat olla käytännöllisiä ja tehokkaita 5.5 Machiin asti. Brittiläinen yritys Reaction Engines Limited , jonka 50-prosenttisesti rahoittaa EU, oli mukana LAPCAT -nimisessä tutkimusohjelmassa , jossa tutkittiin 300 matkustajan vetykäyttöisen A2 -lentokoneen suunnittelua , joka voisi mahdollisesti lentää 5 Machilla ilman välilaskua. Brysselistä Sydneyyn 4,6 tunnissa [50] .
Boeing esitteli AIAA 2018 -konferenssissa matkustajalentokoneen, jonka nopeus on 5 Mach (5400 km/h). Atlantin ylittäminen kahdessa tunnissa tai Tyynenmeren 3 tunnissa 95 000 jalan (29 km) korkeudessa mahdollistaisi saman päivän edestakaiset lennot, mikä lisäisi lentoyhtiöiden omaisuuden käyttöä. Titaanirungolla sen kapasiteetti olisi pienempi kuin Boeing 737 :llä , mutta enemmän kuin pitkän matkan liikesuihkukoneella . Uudelleenkäytettävä demonstraatiomalli voitaisiin ottaa käyttöön jo vuonna 2023 tai 2024, jotta se voidaan ottaa käyttöön 2030-luvun lopulla. Aerodynamiikka hyötyisi Boeing X-51 Waveriderin kokemuksesta iskuaallon etureunassa aiheuttaman vastuksen vähentämiseksi . Virtauksen ohjaus lisäisi nostoa pienemmillä nopeuksilla ja jälkipoltinten eliminoiminen lentoonlähdön aikana vähentäisi melua [51] .
Boeingin hypersonic-lentokoneen voimanlähteenä on suihkuturbiini , turbotuuletin , joka siirtyy suihkumoottoriin 5 Machin nopeudella, jolloin vältytään SR-71 Blackbirdin Pratt & Whitney J58 : n kaltaisen ramjetin tarpeelta , mutta turbiini sammutetaan korkeammalla. nopeudet. Se integroidaan akselisymmetriseen rengasmaiseen järjestelyyn, jossa on yksi imuaukko ja suutin sekä ohitus turbiinimoottorin ympärillä yhdistettyä jälkipoltinta/suihkusuihkua varten. Tämä vaatisi kehittynyttä jäähdytystekniikkaa, kuten Reaction Enginesin kehittämää lämmönvaihdinta , joka mahdollisesti käyttää nestemäistä metaania tai lentopolttoainetta .
Lentäminen 90 000 - 95 000 jalan (27 000 - 29 000 metrin) korkeudessa lisää paineen alenemisen riskiä . Mach 5 valittiin käytettävissä olevalla tekniikalla saavutettavissa olevaksi rajaksi. Tässä tapauksessa on mahdollista ylittää Atlantin valtameri neljä tai viisi kertaa päivässä, jonka Concord ylitti vain 2 kertaa päivässä [52] .
![]() | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |