Marzenia o superprędkości.pdf

Marzenia o superprędkości

Mimo że jedyny naddźwiękowy samolot pasażerski, jaki kiedykolwiek latał na

regularnych trasach, okazał się finansową klapą, wciąż są chętni, by budować takie

maszyny. Co więcej, wiele wskazuje na to, że dzięki rozwojowi techniki teraz to

przedsięwzięcie może się udać.

Marcin Bójko

Concord – jedyny naddźwiękowy samolot pasażerski, jaki obsługiwał regularne

połączenia – zasługiwał z pewnością na krytykę: był głośny, paliwożerny, niezbyt ładowny

i miał mały zasięg. Ale mimo to był ozdobą każdego lotniska, na którym się pojawił. No i

był szybki. Przelatywał przez Atlantyk z prędkością kuli karabinowej. Co prawda bilet z

Londynu do Nowego Jorku kosztował dziesięć razy tyle, ile trzeba było wydać na podróż

trzy razy wolniejszym Boeingiem 747, ale chętnych nie brakowało.

Mimo to operatorzy Concorde’a – British Airways i Air France – w październiku 2003 roku

zdecydowali się odesłać ten samolot na emeryturę po 27 latach służby. Wydawało się, że

to koniec ery pasażerskich lotów naddźwiękowych. Być może superszybkie maszyny

powrócą jednak w przestworza. Japońscy inżynierowie z Japan Aerospace Exploration

Agency (JAXA) w lipcu tego roku zaprosili do współpracy francuskich kolegów, a rządy

Japonii i Francji zobowiązały się do finansowania prac, choć na razie wspierają je raczej

skromną kwotą – w sumie niecałe 4 mln dolarów rocznie – co pozwoli jedynie na prace

koncepcyjne. Zbudowanie „prawdziwego” latającego prototypu to już wydatek rzędu

miliardów dolarów.

Mission Impossible

Zadanie, jakie stoi przed francusko-japońskim zespołem inżynierów, jest niezwykle

trudne. Do 2020 roku mają zbudować samolot, który będzie przewozić 300 pasażerów

dwa-trzy razy szybciej od dźwięku na odległość 10-12 tys. km. A przy tym ma hałasować

nie bardziej niż Jumbo Jety. Spełnienie tych wymogów to wyzwanie, z którym nie

poradziła sobie firma Boeing. Ten lotniczy gigant na przełomie lat 60. i 70. ubiegłego

wieku wygrał kontrakt rządu Stanów Zjednoczonych na budowę samolotu

naddźwiękowego. W tamtych czasach tylko trzy inne kraje konstruowały takie maszyny:

Wielka Brytania do spółki z Francją i Rosja. Rosjanie jako pierwsi pokazali latający

prototyp, bez żenady kopiując część dokumentacji technicznej francusko-brytyjskiego

projektu Concorde.

Jednak Tu-144 nigdy nie latał regularnie, jako że rosyjscy inżynierowie popełnili kilka

poważnych błędów konstrukcyjnych. Największym było umieszczenie wszystkich

czterech silników obok siebie pod kadłubem. Zgaśnięcie tylko jednego z nich

powodowało takie zawirowania powietrza wokół gondoli silnikowej, że gasły także

pozostałe jednostki napędowe. Ta wada była główną przyczyną najgłośniejszej katastrofy

Tu-144 – w czasie pokazów lotniczych w podparyskim Le Bourget w 1973 roku.

Amerykańska konstrukcja – Boeing 2707 – nigdy nie wzbiła się w powietrze. Główną

przyczyną były zbyt wybujałe ambicje Amerykanów. W 1963 roku prezydent Kennedy

wezwał firmy lotnicze do zbudowania pasażerskiego naddźwiękowca transportującego

300 osób z prędkością co najmniej 3 Ma. Brzmi znajomo, prawda? Tyle że 30 lat temu

konstrukcja takiego samolotu była praktycznie niemożliwa.

Z przyczyn technicznych

Naddźwiękowa maszyna musi być jak

najsmuklejsza i mieć małe skrzydła, bo

duże przy prędkości rzędu 3 Ma stawiałyby

zbyt wielki opór. Takie skrzydła, choć

podczas lotu wytwarzają wystarczającą siłę

nośną, są poważnym kłopotem w czasie

startu i lądowania.

Wtedy prędkość jest stosunkowo mała, zatem siła nośna zdolna do poderwania

(nielekkiej) konstrukcji w powietrze musi być duża.

Rozmiary to kolejny problem. Gdzieś trzeba przecież zmieścić nie tylko 300 pasażerów,

ale i olbrzymią ilość paliwa niezbędną do zapewnienia siły ciągu wystarczającej do

pokonywania oporu powietrza przy dużych prędkościach

Trzeba też poradzić sobie z tym, że od tarcia o powietrze samolot rozgrzewa się i mimo

że na dużych wysokościach temperatura powietrza to zaledwie -60°C, trzeba go chłodzić

w czasie lotu. I wreszcie najtrudniejsze wyzwanie – ogłuszający, przypominający grzmot

pioruna hałas, jaki ciągnie się za naddźwiękową maszyną. Z tego zresztą powodu

Concorde nie mógł szybko latać nad lądem, a tylko nad pustymi przestworzami oceanu.

Oczywiście istnieją samoloty poruszające się z prędkościami większymi od dźwięku.

Rekordzistą wśród seryjnie produkowanych maszyn jest SR71 Blackbird, przy czym

„seryjnie produkowany” oznacza w tym przypadku 32 sztuki (to i tak więcej niż

Concorde’ów, których powstało raptem 20). Ten szpiegowski samolot potrafi lecieć z

prędkością ok. 3,5 Ma. Na podstawie jego konstrukcji z pewnością nie powstanie jednak

żaden „liniowiec”.

Dlaczego? Po pierwsze, by poradzić sobie z rozgrzewającym się do przeszło 400°C

poszyciem samolotu, a więc także z problemem rozszerzającej się blachy, kadłub

Blackbirda zbudowano z „luźnych” płatów metalu, które dopiero po rozgrzaniu zaczynają

do siebie pasować. Wcześniej są ze sobą połączone tak luźno, że… po zatankowaniu

paliwo wycieka na pas startowy. Samolot musi po starcie zrobić szybką rozgrzewkę, by

uszczelnić zbiorniki, po czym jest dotankowywany z latającej cysterny. W tym kontekście

fakt, że Blackbird zabiera na pokład tylko dwie osoby, jest mało istotny, bo o ile wojsko

może pozwolić sobie na luksus latania „przeciekającym” samolotem, o tyle trudno sobie

wyobrazić dotankowywanie w powietrzu setek pasażerskich maszyn czy obsługę

naziemną takiego dziwoląga.

To właśnie rozgrzewające się poszycie sprawiło, że Concorde rozwijał prędkość tylko 2

Ma. Wtedy kadłub „ocieplał się” zaledwie do temperatury 100°C. Zarówno w przypadku

Concorde’a, jak i SR71 nader oryginalnie rozwiązano kwestię chłodzenia. Funkcję płynu

chłodniczego pełni bowiem... paliwo. Przed skierowaniem do silników nafta

przepompowywana jest przez system rurek pod poszyciem samolotu i odbiera nadmiar

ciepła. Strach pomyśleć, co by się stało, gdyby kadłub rozgrzał się ciut za bardzo.

Jak chcą chłodzić swoją maszynę inżynierowie z JAXA?

Trudno powiedzieć, ale dziś mają do dyspozycji materiały,

jakich nie było 40 lat temu. Choćby te opracowane na

potrzeby promów kosmicznych. Ich poszycie pochłania

ciepło i wypromieniowuje je w postaci światła widzialnego

tak efektywnie, że cegiełka takiego materiału wygląda jak

rozgrzana do czerwoności, choć w rzeczywistości można ją

trzymać w dłoni.

Nieubłagany postęp

Przez 40 lat niektóre z problemów konstrukcyjnych rozwiązały się same. Np.

charakterystyczny dla Concorde’ów załamywany dziób. Jego konstrukcja wymuszona

była względami aerodynamicznymi. Samolot naddźwiękowy musi mieć dziób ostry jak

igła. Zarazem jednak jego skrzydła nie mogą mieć dużej siły nośnej. Dlatego przy starcie

i lądowaniu taka maszyna musi mieć duży kąt natarcia. Tyle że w takiej sytuacji ostry

dziób zasłania pilotom widok na pas startowy. W latach 60. XX wieku jedynym

rozwiązaniem było stworzenie konstrukcji, która na czas lądowania i startu opuszczałaby

dziób, a podnosiła go, gdy samolot rozwinie dużą prędkość.

Dziś wystarczy zainstalować kamery, które będą pokazywały pilotom pas startowy na

monitorach. To od ręki pozwala zaoszczędzić kilkaset kilogramów na mechanizmie

opuszczania dzioba. Zamiast tego można zainwestować w zmienną geometrię skrzydeł.

Taki rodzaj skrzydeł przez długi czas zakładał właśnie zarzucony projekt Boeinga. To

rozwiązywało kłopoty z niedoborem siły nośnej w czasie startu. Po prostu przy niskich

prędkościach samolot rozkłada skrzydła, zwiększając ich powierzchnię. Start i lądowanie

może w takich przypadkach odbywać się przy mniejszej prędkości, co powoduje

mniejsze zużycie paliwa i – co równie ważne – mniejszy hałas.

Sama konstrukcja też może być dziś o wiele lżejsza. Samoloty pasażerskie buduje się

bowiem nie z metalu, tylko z kompozytów węglowych, pierwotnie stosowanych w

szybowcach. Japończycy na potrzeby swojej maszyny opracowali wytrzymałe na wysoką

temperaturę żywice do kompozytów i specjalne trójwymiarowe sploty włókien węglowych

zwiększające wytrzymałość materiału.

Nie do przecenienia jest fakt, że inżynierowie dysponują dziś superkomputerami, dzięki

którym mogą przetestować wiele pomysłów bez potrzeby budowania modeli. Dopiero

ostateczną wersję weryfikuje się „w naturze”. Jeden z takich „prawdziwych” testów

sprawdzających aerodynamikę przyszłego naddźwiękowca Japończycy przeprowadzili

10 października. Przyczepiony do rakiety model wykonał krótki lot z prędkością 2 Ma.

Tłumik na machy

Jednym z najpoważniejszych wyzwań, z jakimi przyjdzie zmierzyć się konstruktorom

pasażerskiego samolotu naddźwiękowego, pozostaje problem hałasu. W zwykłym

samolocie hałas rozkłada się na dźwięk słyszany przed samolotem i za nim. W

naddźwiękowym, z grubsza rzecz ujmując, cały hałas związany z przeciskaniem się

samolotu przez powietrze słyszymy w jednej chwili. Taki dźwięk przypomina grzmot i z

reguły nieprzyjemnie zaskakuje, a słychać go w pasie o szerokości 50-100 km pod

lecącym samolotem.

Loty eksperymentalne prowadzone w USA i Europie wywołały tyle protestów, że

pasażerskie samoloty naddźwiękowe dostały zakaz przekraczania prędkości 1 Ma nad

terytoriami zamieszkanymi. A że zarówno w Europie, jak i w Stanach praktycznie

niemożliwe jest wytyczenie 50-km w miarę prostego pasa, w którym nikt nie mieszka,

Concorde mógł być naddźwiękowy tylko nad wodą, co drastycznie ograniczało jego

przydatność.

W latach 70. XX wieku wydawało się, że na grzmot naddźwiękowy nie ma mocnych i

inżynierowie poddali się walkowerem. Okazuje się jednak, że umiejętne zaprojektowanie

samolotu może ten efekt zminimalizować. W zeszłym roku NASA przeprowadziła testy

nowego modelu F-5E. Zmodyfikowanie kształtu dzioba sprawiło, że naddźwiękowy

grzmot był znacznie cichszy niż w przypadku zwykłego F-5E. Zachęceni sukcesem

inżynierowie z NASA kontynuują prace.

W lipcu cztery zespoły, związane z takimi tuzami rynku lotniczego jak Raytheon, Boe

ing’s, Lockheed Martin czy Northrop Grumman, dostały od NASA po milionie dolarów na

badania mające na celu zmniejszenie grzmotu naddźwiękowego. Czy odniosą sukces,

zobaczymy zapewne wkrótce.

Małe też może być szybkie (i piękne)

Specjaliści oceniają, że w 2020 roku na świecie będzie zapotrzebowanie na setkę

superszybkich samolotów pasażerskich. Trudno powiedzieć, czy japońsko-francuskiemu

zespołowi uda się skonstruować maszynę spełniającą wymagania Kennedy’ego.

Kluczem będzie oczywiście cena biletu, a trudno być optymistą w czasach, gdy ropa

naftowa drożeje w zawrotnym tempie. Znalezienie 300 bogaczy chcących lecieć w tym

samym kierunku może okazać się niewykonalne. Ale znalezienie kilku milionerów

gotowych zapłacić za luksus przelotu z Nowego Jorku do Londynu w dwie godziny wcale

nie jest takie trudne.

Stąd większość producentów lotniczych myśli po cichu o skromniejszej konstrukcji –

dziesięciomiejscowym samolocie naddźwiękowym. Zadanie jest prostsze, bo takie firmy

jak Northrop Grumman czy Dassault potrafią już budować wojskowe naddźwiękowe

maszyny zabierające kilka ton ładunku na odległość ok. 5 tys. km. Takie doświadczenia

na niewiele zdadzą się przy budowie 300-miejscowego liniowca, ale można je z

powodzeniem wykorzystać w konstruowaniu małej awionetki.

Czas pokaże, czy naddźwiękowe loty będą wyłącznie rozrywką milionerów, czy też staną

się dostępne dla turystów, którzy obecnie muszą godzinami tłoczyć się na pokładzie

upchnięci niczym sardynki. Najważniejsze jest to, że wraz z Concorde’em nie umarły

marzenia o superszybkich samolotach pasażerskich. Pozostaje trzymać kciuki za

konstruktorów, byśmy mogli podróżować szybciej niż dźwięk i dotrzeć z Warszawy do

Tokio, zanim ścierpną nam nogi.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: