Τι εμποδίζει την ανθρωπότητα να δημιουργήσει υπερηχητικά επιβατικά αεροπλάνα

Χρόνος Ανάγνωσης: 6 λεπτά

Μια καλλιτεχνική απεικόνιση του υπερηχητικού τζετ SR-72 πιθανότατα απέχει πολύ από την πραγματικότητα. (lockheedmartin.com)

Η λέξη «υπερηχητικό» έχει γίνει πολύ δημοφιλής την τελευταία δεκαετία, όπως και η νανοτεχνολογία.

Όλες οι δυνάμεις του κόσμου απειλούν να δημιουργήσουν υπερηχητικούς πυραύλους και αεροσκάφη, και μερικές μάλιστα τα έχουν καταφέρει.

Αλλά γιατί, σχεδόν έναν αιώνα αφότου η υπερηχητική ταχύτητα έγινε συνηθισμένη, κανένας επιβάτης δεν έχει πετάξει με υπερηχητικό αεροσκάφος, και γιατί τα υπερηχητικά drones δεν επιτίθενται σε πόλεις;

Το Gazeta.Ru διερεύνησε την πολυπλοκότητα της δημιουργίας υπερηχητικών αεροσκαφών και UAV με τον Αλεξέι Ασταπόφ, Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Προηγμένων Υλικών και Αεροδιαστημικών Τεχνολογιών στο Ινστιτούτο Αεροπορίας της Μόσχας.

Ο χάλυβας λιώνει

Η υπερηχητική ταχύτητα έχει γοητεύσει τους αεροπόρους από τα μέσα του 20ού αιώνα. Τεχνικά, η επίτευξή της δεν είναι ιδιαίτερα δύσκολη: οποιοδήποτε διαστημόπλοιο μπορεί να ξεπεράσει τα Mach 5, ή πέντε φορές την ταχύτητα του ήχου, κατά την κάθοδο, όπως και σχεδόν οποιοσδήποτε βαλλιστικός πύραυλος μεσαίου βεληνεκούς, συμπεριλαμβανομένου του διάσημου Kinzhal.

Ο αμερικανικός πύραυλος αέρος-αέρος AIM-54 Phoenix, ο οποίος παροπλίστηκε στις αρχές του 21ου αιώνα, πέταξε επίσης ταχύτερα από τα Mach 5 στο τέλος της ώθησής του, γεγονός που δεν προσέλκυσε ποτέ την προσοχή του Τύπου ή των ειδικών.

Αλλά στην πραγματικότητα, όταν οι μηχανικοί μιλούν για υπερηχητικά αεροσκάφη, δεν εννοούν τον αριθμό Mach.

Είναι πραγματικά δύσκολο να δημιουργηθεί ένα αεροσκάφος ή ένα drone που μπορεί να πετάει με υπερηχητικές ταχύτητες για μεγάλα χρονικά διαστήματα, οριζόντια, για δεκάδες λεπτά, χωρίς να παρουσιάσει βλάβη.

Ένας από τους σημαντικότερους περιορισμούς μιας τέτοιας πτήσης είναι η θερμότητα που παράγεται από τον αέρα, ο οποίος θερμαίνει το σκελετό ή την άτρακτο σε εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τα μπροστινά άκρα των φτερών, τον κώνο της μύτης, τις εισαγωγές αέρα και μια σειρά από άλλα εξαρτήματα, τα οποία, αν ήταν κατασκευασμένα από αλουμίνιο ή ακόμα και χάλυβα, θα έλιωναν και θα έρεαν.

Επιπλέον, πολλά κράματα ανθεκτικά στη θερμότητα δεν αντέχουν σε θερμοκρασίες 1.500 βαθμών Κελσίου ή υψηλότερες, μαλακώνοντας και χάνοντας αντοχή υπό τη θερμότητα.

Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Jiaotong της Σαγκάης πέτυχαν μια σημαντική ανακάλυψη σε αυτόν τον τομέα αυτό το καλοκαίρι.

Δημιούργησαν ένα υλικό με βάση το ταντάλιο ενισχυμένο με νανοσωματίδια οξειδίου του αφνίου, σταθεροποιημένο με άτομα βορίου.

Το προκύπτον κράμα έχει όριο διαρροής 200 MPa στους 2000 βαθμούς Κελσίου και 100 MPa στους 2400 βαθμούς Κελσίου.

Τα 200 MPa δεν είναι ονομαστικά πολύ υψηλά (σε κανονικές θερμοκρασίες) και δεν αντιστοιχούν στο ισχυρότερο αλουμίνιο, αλλά στους 2000 βαθμούς, τήκεται οποιοδήποτε είδος χάλυβα και τιτανίου, όπως και πολλά είδη κεραμικών ανθεκτικών στη θερμότητα.

Δείγματα υλικού που ελήφθησαν από Κινέζους επιστήμονες

Οι δημιουργοί δηλώνουν ρητά ότι ανέπτυξαν αυτό το υλικό για υπερηχητικά αεροσκάφη. Αλλά μετά από πιο προσεκτική εξέταση, τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά.

«Αυτό το υλικό σίγουρα έχει πολλές προοπτικές. Ωστόσο, είναι ευαίσθητο στην οξείδωση και τη διάβρωση από αέρια, επομένως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς ειδικές προστατευτικές επιστρώσεις ανθεκτικές στη θερμότητα.

Η εισαγωγή του στη μαζική παραγωγή περιορίζεται επίσης από το υψηλό κόστος του τανταλίου, ενός σπάνιου μετάλλου που είναι δύσκολο να εξορυχθεί και να υποστεί επεξεργασία», εξήγησε στην Gazeta.Ru ο Αλεξέι Ασταπόφ, Αναπληρωτής Καθηγητής του Τμήματος Προηγμένων Υλικών και Αεροδιαστημικών Τεχνολογιών στο Ινστιτούτο Αεροπορίας της Μόσχας (MAI).

Οι επιστήμονες του MAI εργάζονται πάνω σε ένα παρόμοιο πρόβλημα, κυρίως μέσω της δημιουργίας σύνθετων υλικών άνθρακα-κεραμικού. Ο άνθρακας, ειδικά με τη μορφή γραφίτη, είναι ένα από τα πιο ανθεκτικά στη θερμότητα υλικά από μόνος του, αλλά είναι εύθραυστος και οξειδώνεται όταν θερμαίνεται σε ατμόσφαιρα οξυγόνου.

Απαιτείται κινητήρας άλλων προδιαγραφών

Το πρόβλημα των ανθεκτικών στη θερμότητα υλικών του σκελετού του αεροσκάφους δεν είναι το μόνο που αντιμετωπίζουν οι μηχανικοί όταν προσπαθούν να δημιουργήσουν υπερηχητικά αεροσκάφη και drones. Πρέπει επίσης να αντιμετωπιστούν οι κινητήρες.

Γενικά, οι υπερηχητικές ταχύτητες μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας πυραυλοκινητήρες, όπως ακριβώς κάνουν και τα διαστημόπλοια. Ωστόσο, είναι αναποτελεσματικοί σε σύγκριση με τους κινητήρες τζετ και καταναλώνουν πάντα ασύγκριτα περισσότερα καύσιμα.

Ένας κινητήρας ramjet (RAMJET) θεωρείται ιδανικός για υπερηχητικά ταξίδια. Σε αντίθεση με έναν συμβατικό κινητήρα αεροσκάφους, δεν διαθέτει συμπιεστή ή τουρμπίνα και ο αέρας συμπιέζεται αποκλειστικά από την πίεση της αντίθετης ροής.

Αυτή η ιδέα είναι πολύ παλιά και χρησιμοποιήθηκε από τους Γερμανούς Ναζί στον πύραυλο V-1 – ουσιαστικά το πρώτο μαζικής παραγωγής μαχητικό drone. Αλλά η προσαρμογή τέτοιων συσκευών σε υπερηχητικές ταχύτητες είναι απίστευτα δύσκολη. Σε σημείο που ταξινομούνται ως ξεχωριστή κατηγορία scramjet.

«Κατά τη λειτουργία του scramjet, η ροή και η καύση στον θάλαμο καύσης είναι υπερηχητικές. Αυτό συνοδεύεται από την ώθηση του μετώπου της φλόγας προς τα κάτω (μακριά από τη ζώνη ανάμειξης καυσίμου), διαταράσσοντας την ισορροπία μεταξύ ροής και ταχυτήτων φλόγας, προκαλώντας διακυμάνσεις στις παραμέτρους ροής (θερμοκρασία, πίεση, ταχύτητα) και συμβάλλοντας στην ασταθή καύση.

Επομένως, ο έλεγχος της καύσης σε κινητήρες scramjet είναι μία από τις βασικές μηχανικές προκλήσεις στην υπερηχητική τεχνολογία», δήλωσε ο Ασταπόφ.

Το δεύτερο σύνολο προβλημάτων με τους κινητήρες scramjet είναι παρόμοιο με αυτά που αντιμετωπίζουν οι σχεδιαστές ατράκτων.

Η θερμοκρασία λειτουργίας στον θάλαμο καύσης μπορεί να ξεπεράσει τους 2000 βαθμούς Κελσίου, γεγονός που, σε συνδυασμό με την τεράστια πίεση, περιορίζει την επιλογή των διαθέσιμων υλικών. Προσθέστε σε αυτό την απαίτηση για επαναχρησιμοποίηση και την ανάγκη κατασκευής αεροσκάφους αντί για πυραύλο, και το υλικό πρέπει επίσης να αντέχει σε πολλαπλούς κύκλους θέρμανσης-ψύξης και έντονη αφαίρεση – με απλά λόγια, εξάτμιση ή καύση υπό την επίδραση ροής θερμού αέρα.

Αυτό περιορίζει την επιλογή υλικών σχεδόν στο μηδέν, αναγκάζοντας την ανάπτυξη νέων – όπως αυτό που δημιουργήθηκε στο Πανεπιστήμιο Jiaotong, αλλά πιο ανθεκτικών.

Ο προτεινόμενος σχεδιασμός του πυραύλου HACM – Ευγενική προσφορά του Raytheon

Οι μηχανικοί έχουν πλέον κατακτήσει την παραγωγή κινητήρων scramjet κατάλληλων για εγκατάσταση σε πυραύλους.

Στην Κίνα, ο αντιπλοϊκός πύραυλος YJ-19 υιοθετήθηκε για υπηρεσία πριν από περίπου ένα χρόνο, ενώ ο καθολικός πύραυλος HACM βρίσκεται στα τελευταία στάδια δοκιμών στις ΗΠΑ, και παρόμοιες εξελίξεις βρίσκονται σε εξέλιξη στην Ευρώπη και την Ινδία. Η Ρωσία έχει επίσης σημειώσει κάποια πρόοδο σε αυτόν τον τομέα, αλλά, σύμφωνα με το MAI οι πληροφορίες σχετικά με αυτούς παραμένουν απόρρητες.

Υπάρχουν ακόμη λιγότερες πληροφορίες για αεροσκάφη ή ακριβά, επαναχρησιμοποιήσιμα υπερηχητικά drones.

Για πάνω από μια δεκαετία, κυκλοφορούν φήμες για το αμερικανικό Lockheed SR-72, ένα αεροσκάφος αναγνώρισης υψηλής ταχύτητας στη στρατόσφαιρα, τον διάδοχο του ταχύτερου αεροσκάφους στον κόσμο, του SR-71.

Ωστόσο, πιστεύεται ευρέως ότι η χρήση του εγκαταλείφθηκε υπέρ του RQ-180: ενός υποηχητικού drone που είναι εξαιρετικά αθόρυβο στα ραντάρ και ικανό να αιωρείται πάνω από εχθρικό έδαφος για ώρες.

Θα υπάρξει υπερηχητικό επιβατικό αεροσκάφος;

Τα υπερηχητικά αεροσκάφη και τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη αντιμετωπίζουν μια σειρά από άλλα προβλήματα: για παράδειγμα, είναι δύσκολο να επικοινωνήσουν μαζί τους λόγω του νέφους πλάσματος που δημιουργούν κατά την πτήση, και το αεροδυναμικά αιχμηρό σχήμα τους, ενώ είναι κατάλληλο για υψηλές ταχύτητες, δεν είναι κατάλληλο για απογείωση και προσγείωση.

Ωστόσο, σύμφωνα με τον εμπειρογνώμονα του MAI, δεν υπάρχει αμφιβολία για τη σκοπιμότητα της ανάπτυξης υπερηχητικής αεροπορίας ως τέτοιας.

Πρώτα και κύρια, είναι απαραίτητη από τον στρατό, είτε για πυραύλους, αεροσκάφη κρούσης είτε για αεροσκάφη αναγνώρισης.

Ένα υποθετικό υπερηχητικό μεταγωγικό αεροσκάφος θα μπορούσε να μεταφέρει στρατεύματα των ειδικών δυνάμεων βαθιά πίσω από τις εχθρικές γραμμές, παραμένοντας ουσιαστικά άτρωτο στις αεράμυνες και εμποδίζοντας τον εχθρό να αντιδράσει.

Δεν είναι σαφές, ωστόσο, εάν η αυξημένη ταχύτητα θα ήταν αποτελεσματική σε σύγκριση με άλλα μέτρα, όπως η μυστικότητα, αλλά αυτό είναι ένα ζήτημα που πρέπει να αποφασίσει ο στρατός, όχι οι μηχανικοί.

Αεροσκάφος Boom Overture – βρίσκεται σε ανάπτυξη από την Boom Supersonic

Δεύτερον, τα οχήματα υψηλής ταχύτητας θα μπορούσαν να αποτελέσουν εναλλακτική λύση ή αντικατάσταση των παραδοσιακών πυραύλων.

«Τα υπερηχητικά μη επανδρωμένα οχήματα μπορούν να λειτουργήσουν ως ενισχυτές για επαναχρησιμοποιήσιμα συστήματα αεροδιαστημικών μεταφορών. Δηλαδή, ένα υπερηχητικό αεροσκάφος επιταχύνει ένα τροχιακό όχημα και επιστρέφει. Αυτό ενδεχομένως καθιστά την πρόσβαση στο διάστημα φθηνότερη και ευκολότερη, κάτι που είναι σημαντικό τόσο για την παράδοση φορτίου όσο και για την ανάπτυξη του διαστημικού τουρισμού», λέει ο Ασταπόφ.

Οι προοπτικές για την υπερηχητική επιβατική αεροπορία είναι πιο αβέβαιες

Το υπερηχητικό Concorde παροπλίστηκε λόγω των υπερβολικών τιμών των εισιτηρίων, οι οποίες υπαγορεύτηκαν από την υψηλή κατανάλωση καυσίμου σε ταχύτητα πλεύσης. Έκτοτε, ένα υπερηχητικό αεροσκάφος δεν φάνηκε και τόσο ελκυστικό για τις αεροπορικές εταιρείες, αλλά πειράματα προς αυτή την κατεύθυνση βρίσκονται σε εξέλιξη.

Ένα υπερηχητικό αεροσκάφος θα ήταν ακόμη πιο ακριβό και περίπλοκο στη λειτουργία του, με μια ακόμη πιο αμφισβητήσιμη βελτίωση στην άνεση του ταξιδιού: μια πτήση 90 λεπτών από το Λονδίνο στη Νέα Υόρκη δεν είναι πολύ καλύτερη από μια πτήση τριών ωρών με το Concorde, λαμβάνοντας υπόψη τον χρόνο για check-in, τροχοδρόμηση, καθυστερήσεις πτήσεων και παραλαβή αποσκευών.

Έτσι, όποιο και αν είναι το αποτέλεσμα, στο άμεσο μέλλον, τα υπερηχητικά drones και τα αεροσκάφη θα παραμείνουν αποκλειστικό προνόμιο του στρατού και των αστροναυτών. Οι απλοί άνθρωποι δεν θα μπορούν να πετούν με τέτοια αεροσκάφη.

—

Echedoros.blog