Concorde to przeszłość, ale naddźwiękowy silnik to przyszłość lotnictwa

mm Adam Lulek Artykuły 2019-01-28

Każdego ranka na lotnisku Heathrow miał miejsce olbrzymi ryk, który zapowiadał, że zaraz wystartuje lot ba001 do Nowego Jorku. Hałas spowodowany był wtryskiem do czterech dopalaczy paliwa samolotu, które zapewniły dodatkowy ciąg wspomagający wystartowanie. Niedługo potem pilot ponownie zapalał dopalacze – tym razem, aby przyspieszyć ponad prędkość dźwięku podczas 3,5-godzinnej podróży. Chwileczkę, o jaki samolot chodzi? Rzecz jasna, że o Concorde. Wtedy to była przyszłość lotnictwa, teraz to już przeszłość, o której mało kto pamięta.

Ponaddźwiękowy Concorde to przeszłość, na której bazuje przyszłość lotnictwa

Przyszłość lotnictwa Concorde

Niestety Concorde to już historia. Naddźwiękowa podróż pasażerska dobiegła końca w 2003 roku. Katastrofa francuskiego Concorde trzy lata wcześniej była jednym z powodów, dla których wycofano je z użytku. Jednak warto pamiętać, że było ich znacznie więcej, przykładowo: silniki Rolls-Royce / Snecma Olympus oraz dopalacze, które pożerały zbyt dużo paliwa, aby loty były bardziej opłacalne.  . Innym powodem, dla którego wycofano tego typu samoloty była fala uderzeniowa wywołująca hałas, który samolot generował podczas podróży naddźwiękowych. Oznaczało to, że „lądowe” odcinki trasy Concorde’y musiały lecieć poniżej prędkości Mach 1 (343 m/s). Dla Olympusa, silnika zoptymalizowanego pod kątem podróżowania znacznie ponad barierą dźwiękową, była to komercyjna śmierć.

Zobacz także: Oto najlepsze dodatki do Chrome na 2019 rok

Przyszłość lotnictwa – nowy silnik ponaddźwiękowy

To było jednak kilkanaście lat temu. Przez ten czas technologia poszła do przodu – materiały są lżejsze i mocniejsze. Aerodynamika i fizyka „boomów dźwiękowych” są lepiej rozumiane. Ponadto rynek potrzebuje wyższych prędkości w lotnictwie. W rezultacie kilka grup inżynierów samolotów pracuje nad technologiami naddźwiękowymi. Niektórzy widzą potencjał dla samolotów z około 100 miejscami siedzącymi (połowa z tego, co miał Concorde). Inni opracowują możliwości dla jeszcze mniejszej liczby pasażerów, w zależności od zapotrzebowania rynku.

Szanse, że takie samoloty będą się unosiły w powietrzu znacznie wzrosły. General Electric, jeden z największych na świecie producentów silników odrzutowych, połączył siły z jedną z grup inżynierów w Aerion, firmie z siedzibą w Reno w stanie Nevada. Zespół ma zaprojektować silnik o nazwie Affinity. Obie firmy mają nadzieję, że nowe „dzieło” będzie pierwszym cywilnym ponaddźwiękowym silnikiem, który wejdzie do służby od czasu Olympusa, który został zaprojektowany pierwotnie dla brytyjskiego bombowca i został przystosowany do Concorde pół wieku temu.

Przyszłość lotnictwa – ambitne plany

Przyszłość lotnictwa aerion as2

Plan dla Affinity polega w pierwszej kolejności na zbudowaniu i przetestowaniu prototypów. Następnie dwumiejscowy naddźwiękowy odrzutowiec biznesowy Aerionu (as2) będzie zasilany przez trzy z nich. Dziewiczy lot as2 zaplanowany jest na 2023 r. Samolot będzie miał maksymalną prędkość – Mach 1.4 (480,2 m/s). Jest to trochę mniej niż w Concorde, który może lecieć z prędkością nieco ponad Mach 2. General Electric uważa jednak, że w przeciwieństwie do silnika Olympusa, Affinity będzie sprawny zarówno poddźwiękowo, jak i naddźwiękowo i spełni obowiązujące i przyszłe przepisy dotyczące hałasu i ochrony środowiska na lotniskach. Zgodnie z obecnymi przepisami, będzie on również musiał lecieć z prędkością „poddźwiękową” nad ziemią, choć z czasem może się to zmienić. Projekt mógłby również zostać rozbudowany, co zdaniem Aerion pozwoli biznesowym samolotom latać z prędkością Mach 1.8 lub więcej, co zaowocuje budową większych naddźwiękowych samolotów pasażerskich, jeśli pojawi się zapotrzebowanie. Te dwa biało-czerwone samoloty na zdjęciach, to wizualizacje, jak może wyglądać taki samolot.

Jak może działać silnik tego typu?

Podobnie jak wszystkie silniki odrzutowe, Affinity polega na swoim napędzie na trzecim prawie ruchu Newtona. Działanie wynika z masy powietrza wciągniętego do przedniego otworu silnika, które jest wypychane z tyłu z dużo większą prędkością. Reakcja na to działanie napędza silnik i wszystko, co do niego dołączone w przeciwnym kierunku, tj. do przodu.

W prostym strumieniu pochłonięte powietrze jest najpierw ściskane przez sprężarkę, a następnie mieszane z paliwem i zapalane w rdzeniu silnika, aby utworzyć szybko poruszający się wydech. Jednak nowoczesne dysze wentylatorowe wykorzystują część energii spalin do napędzania wału, który obraca wentylator w pobliżu wlotu silnika. Wentylator ten przesuwa pewną część napływającego powietrza, znanego jako „bypass” wokół gorącego rdzenia silnika i poza nim, zapewniając w ten sposób dodatkowy ciąg. Jest on bardziej ekonomiczny niż ciąg podstawowy, ale wolniejszy w ruchu. Naddźwiękowy samolot może sobie pozwolić tylko na niewielki współczynnik „bypassu” (1: 1 w przypadku wielu wojskowych odrzutowców). W cywilnym samolocie stosunek bypassu (który, jeśli jest wysoki, przynosi nie tylko wydajność, ale także ciszę) może wynosić nawet 10: 1.

Parametry techniczne silnika Affinity?

Przyszłość lotnictwa as2

Affinity jest kompromisem pomiędzy tymi dwoma podejściami, łącząc technologie z silników wojskowych i cywilnych. Choć projektanci nie ujawnili rzeczywistego współczynnika opisują go jako „średni”. Twierdzą również, że ma on większy wentylator niż jakikolwiek inny silnik naddźwiękowy. Nie wymaga też paliwożernego dopalacza. Osiągnięcie tego wszystkiego było możliwe dzięki postępowi w dziedzinie powłok termicznych, akustyce silnika i materiałom takim jak lekkie włókna węglowe. Nowe metody produkcji, takie jak drukowanie 3D również pomogły – podobnie jak zaangażowanie innych firm partnerskich, w tym Lockheed Martin – gigantycznej firmy lotniczej i Honeywell – producenta awioniki.

Przyszłość lotnictwa a kwestia hałasu

Według Brada Mottiera, który jest jednym z dyrektorów zarządzających projektem, szczególnym wyzwaniem projektowym było to, że w przeciwieństwie do konwencjonalnych cywilnych silników odrzutowych, które zamieszczone są pod skrzydłami, Affinity musi „wtopić się” w płatowiec samolotu. Prawa aerodynamiki wymagają tego, jeśli ma działać wydajnie. Takie rozwiązania pomaga również wytłumić generację boomu dźwiękowego. Ten powodowany jest przez powietrze gromadzące się przed różnymi częściami samolotu, w szczególności dotyczy to jego dzioba, skrzydeł i wlotów silnika. Powietrze zamienia się w falę uderzeniową, która zawiera ogromną ilość energii, która wytwarza ogromny hałas docierający do ziemi. Nowa technologia wraz ze zmianami w konstrukcji, takimi jak specjalnie ukształtowany długi, cienki dziób, może tłumić boom dźwiękowy.

Aby wyciszyć go po wystąpieniu, żeby nie dotarł do ziemi, gdy samolot znajduje się nad lądem, systemy sterowania maszyny będą stale monitorować pobliskie warunki atmosferyczne. Śledząc je, inżynierowie z branży lotniczej uważają, że mogą wykorzystać zjawisko zwane „Mach cut-off”. Obejmuje to kierowanie bomem dźwiękowym w taki sposób, aby załamywać go przez warstwy grubszego powietrza na niższej wysokości. W efekcie hałas ma nigdy nie dotrzeć do gruntu. Podawanie informacji z autopilota o tym, gdzie znajdują się odpowiednie warstwy, pozwoliłoby sterować samolotem w sposób maksymalizujący zjawisko „Mach cut-off”.

Przyszłość lotnictwa – podsumowanie

Przyszłość lotnictwa

Obecnie eksperci testują wyżej wymienione pomysły. W listopadzie f/a-18 wykonał serię nurkowań naddźwiękowych nad Galveston w Teksasie na żądanie NASA. Agencja próbowała zasymulować rodzaj wyciszonego boomu, którego można się spodziewać w wyniku procesu „Mach cut-off”. W tym celu został zainstalowany sprzęt do pomiaru dźwięku na ziemi, a ponad 400 mieszkańców zostało poproszonych o zapisanie wszystkiego, co usłyszeli. Niektórzy mówili, że nic nie słyszeli, inni, że odnotowali coś, co zabrzmiało jak trzaskanie drzwi samochodu.

W nadchodzących latach NASA ma nadzieję latać eksperymentalnym, naddźwiękowym samolotem odrzutowym w Ameryce w ramach kolejnego testu na hamowanie intensywności boomów dźwiękowych na poziomie gruntu. Jeśli test się powiedzie, może doprowadzić do zmian w regułach i przyszłe naddźwiękowe odrzutowce, takie jak te planowane przez Aerion, zaczną w końcu latać z przystosowaną dla nich prędkością. Jeśli zdołają to zrobić tanio i cicho, nowe samoloty powinny stawić czoła przyszłości w sposób doskonały i lepszy niż to co zrobił Concorde.

Źródło: the Economist



  • tom15225

    ” Hałas spowodowany był wtryskiem do czterech dopalaczy paliwa samolotu,” …….

  • rad252

    Problem z tym, że autor artykułu pominął wiele wątków (nie wiem jak z inżynierami). Głównym problemem Concorda było olbrzymie zużycie paliwa, które brało się nie tylko z niedoskonałości silnika, ale też olbrzymiej prędkości. Samoloty w ciągu ostatnich 50 lat nie przyspieszyły praktycznie w ogóle, bo znajdują się w złotym środku, gdzie są całkiem szybkie, ale poniżej punktu gdzie opór, a więc i spalanie będą gwałtownie rosnąć. Zwiększenie prędkości nie okupione gwałtownym wzrostem spalania będzie dużym sukcesem. Oczywiście można powiedzieć, że przez te lata ludzie projektujący samoloty wiele się nauczyli, ale do tej pory wykorzystywali tę wiedzę po to by zmniejszyć spalanie praktycznie nie zmieniając prędkości.

  • Pietr

    Co ja na muzeum lotnictwa wszedłem? ( ͡° ͜ʖ ͡°)

  • Variete

    Niektórzy widzą potencjał dla samolotów z około 100 miejscami siedzącymi

    No tak – potrzebne doprecyzowanie, bo pewnie istnieją również samoloty pasażerskie z miejscami stojącymi?

    naddźwiękowy silnik to przyszłość

    będzie pierwszym cywilnym ponaddźwiękowym silnikiem

    jakikolwiek inny silnik naddźwiękowy

    Skończ z tym „silnikiem naddźwiękowym”. Nie istnieje taki! Jedyny, o którym (w uproszczeniu) możnaby tak napisać, to Scramjet, którego określenie brzmi „silnik strumieniowy z naddźwiękową komorą spalania”, ale to zupełnie inna konstrukcja (dla rakiet a nie samolotów pasażerskich). Naddźwiękowy to może być samolot z silnikiem który opisujesz, a nie sam silnik!

    • W mediach anglojęzycznych funkcjonuje pojęcie „supersonic jet engine” – na tym bazowałem, to nie są moje własne wymysły, ale nie twierdzę też, że nie masz racji.

      • thecraven

        Silniki i konstrukcje lotnicze to niesamowicie skomplikowany i wyspecjalizowany dział nauki. Trzeba poznać podstawy mechaniki płynów, aerodynamiki, mechaniki lotu i aerospręzystości, żeby moc cokolwiek powiedzieć lub wywnioskować z informacji przekazanych przez przedstawicieli prasowych firm produkujących technikę lotniczą.



x