Un transporte supersónico ( SST ) o un avión de pasajeros supersónico es un avión supersónico civil diseñado para transportar pasajeros a velocidades mayores que la velocidad del sonido . Hasta la fecha, los únicos SST que han tenido servicio regular han sido el Concorde y el Tupolev Tu-144 . El último vuelo de pasajeros del Tu-144 fue en junio de 1978 y fue volado por última vez en 1999 por la NASA . El último vuelo comercial del Concorde fue en octubre de 2003, con un vuelo en ferry el 26 de noviembre de 2003siendo su última operación aerotransportada. Tras el cese permanente de vuelos de Concorde, no quedan SST en servicio comercial. Varias empresas han propuesto cada una un jet de negocios supersónico , que puede traer de vuelta el transporte supersónico.
Los aviones de pasajeros supersónicos han sido objeto de numerosos estudios de diseño recientes y en curso. Los inconvenientes y desafíos de diseño son la generación excesiva de ruido (en el despegue y debido a explosiones sónicas durante el vuelo), altos costos de desarrollo, costosos materiales de construcción, alto consumo de combustible, emisiones extremadamente altas y un mayor costo por asiento en comparación con los aviones subsónicos. A pesar de estos desafíos, se afirmó que Concorde operaba de manera rentable, [1] aunque eso se debió a la cancelación de todos los costos de desarrollo y construcción más la disposición de los pasajeros a pagar tarifas altas. [ cita requerida ]
En 2016, la NASA anunció que había firmado un contrato para el diseño de un prototipo moderno de SST de bajo ruido . [2] El equipo de diseño está dirigido por Lockheed Martin Aeronautics . [2]
Historia
A lo largo de la década de 1950, una SST parecía posible desde un punto de vista técnico, pero no estaba claro si podía hacerse económicamente viable. La sustentación se genera utilizando diferentes medios a velocidades supersónicas, y estos métodos son considerablemente menos eficientes que los métodos subsónicos, con aproximadamente la mitad de la relación sustentación / arrastre . Esto implica que para cualquier cantidad de sustentación requerida dada, la aeronave tendrá que suministrar aproximadamente el doble de empuje, lo que lleva a un uso de combustible considerablemente mayor. Este efecto se pronuncia a velocidades cercanas a la velocidad del sonido, ya que la aeronave utiliza el doble de empuje para viajar aproximadamente a la misma velocidad. El efecto relativo se reduce a medida que la aeronave acelera a velocidades más altas. Contrarrestando este aumento en el uso de combustible estaba el potencial para aumentar considerablemente las tasas de salida de la aeronave, al menos en vuelos de mediano y largo alcance donde la aeronave pasa una cantidad considerable de tiempo en crucero. Los diseños SST que volaban al menos tres veces más rápido que los transportes subsónicos existentes eran posibles y, por lo tanto, podrían reemplazar hasta tres aviones en servicio y, por lo tanto, reducir los costos en términos de mano de obra y mantenimiento.
El trabajo serio en los diseños de SST comenzó a mediados de la década de 1950, cuando entró en servicio la primera generación de aviones de combate supersónicos . En Gran Bretaña y Francia, los programas SST subsidiados por el gobierno se asentaron rápidamente en el ala delta en la mayoría de los estudios, incluidos Sud Aviation Super-Caravelle y Bristol Type 223 , aunque Armstrong-Whitworth propuso un diseño más radical, el Mach 1.2 M-Wing . Avro Canada propuso varios diseños a TWA que incluían ala de doble conopial Mach 1.6 y ala delta Mach 1.2 con cola separada y cuatro configuraciones de motor debajo del ala. El equipo de Avro se mudó al Reino Unido, donde su diseño formó la base de los diseños de Hawker Siddeley . [3] A principios de la década de 1960, los diseños habían progresado hasta el punto en que se dio luz verde a la producción, pero los costos eran tan altos que la Bristol Airplane Company y Sud Aviation finalmente fusionaron sus esfuerzos en 1962 para producir Concorde.
A principios de la década de 1960, varios ejecutivos de empresas aeroespaciales estadounidenses decían al público y al Congreso de los EE. UU. Que no había razones técnicas por las que no se pudiera producir una SST. En abril de 1960, Burt C Monesmith, un vicepresidente de Lockheed , declaró a varias revistas que una SST construida de acero con un peso de 250,000 libras (110,000 kg) podría desarrollarse por $ 160 millones y en lotes de producción de 200 o más vendidos por alrededor de $ 9 millones. . [4] Pero fue el desarrollo anglo-francés del Concorde lo que provocó el pánico en la industria estadounidense, donde se pensó que Concorde pronto reemplazaría a todos los demás diseños de largo alcance, especialmente después de que Pan Am sacó opciones de compra en el Concorde. El Congreso pronto financió un esfuerzo de diseño de SST, seleccionando los diseños existentes de Lockheed L-2000 y Boeing 2707 , para producir un diseño aún más avanzado, más grande, más rápido y de mayor alcance. El diseño del Boeing 2707 finalmente se seleccionó para un trabajo continuo, con los objetivos de diseño de transportar alrededor de 300 pasajeros y tener una velocidad de crucero cercana a Mach 3 . La Unión Soviética se propuso producir su propio diseño, el Tu-144 , que la prensa occidental apodó "Concordski".
El SST fue visto como particularmente ofensivo debido a su boom sónico y la posibilidad de que el escape de su motor dañe la capa de ozono . Ambos problemas afectaron el pensamiento de los legisladores y, finalmente, el Congreso eliminó los fondos para el programa SST de EE. UU. En marzo de 1971, [5] [6] [7] [8] [9] y todos los vuelos supersónicos comerciales por tierra fueron prohibidos sobre los EE. UU. [10] El asesor presidencial Russell Train advirtió que una flota de 500 SST que vuelan a 65.000 pies (20 km) durante un período de años podría aumentar el contenido de agua estratosférica entre un 50% y un 100%. Según Train, esto podría conducir a un mayor calor a nivel del suelo y obstaculizar la formación de ozono . [11] En relación con el agua estratosférica y su potencial para aumentar la temperatura del suelo, aunque sin mencionar a Concorde como la fuente de la "reciente disminución del vapor de agua se desconoce", en 2010 la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica señaló que los niveles de vapor de agua estratosférico en Los años ochenta y noventa fueron más altos que en los años 2000, en aproximadamente un 10%, y Susan Solomon de NOAA calculó que es este cambio el responsable de la desaceleración en el aumento de las temperaturas de la superficie debido al calentamiento global en aproximadamente un 25 por ciento en comparación. a la tasa de calentamiento en la década de 1990 . [12] La otra preocupación de Russell Train, el agua y el ozono, fue sin embargo refutada por Fred Singer en una carta a la revista Nature en 1971, [13] "que molestó a quienes afirmaban que los transportes supersónicos podrían afectar seriamente al ozono estratosférico". [14]
Más tarde, se planteó la hipótesis de una amenaza adicional para el ozono como resultado de los óxidos de nitrógeno del escape , una amenaza que, en 1974, aparentemente fue validada por el MIT . [15] Sin embargo, mientras que muchos modelos puramente teóricos indicaban el potencial de grandes pérdidas de ozono por los óxidos de nitrógeno SST ( NOx ), otros científicos en el artículo " Óxidos de nitrógeno, pruebas de armas nucleares , Concorde y ozono estratosférico " recurrieron al monitoreo histórico del ozono y pruebas nucleares atmosféricas que sirvan como guía y medio de comparación, observando que no se evidenció una pérdida de ozono detectable a partir de aproximadamente 213 megatones de energía explosiva que se liberaron en 1962, por lo tanto, la cantidad equivalente de NOx de "1047" Concordes volando "10 horas al año. día ", tampoco sería inédito. [16] En 1981 los modelos y las observaciones aún eran irreconciliables. [17] Modelos de computadora más recientes en 1995 por David W. Fahey, un científico atmosférico de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica , y otros, sugieren que la caída del ozono sería como máximo, "no más" del 1 al 2% si se hizo funcionar una flota de 500 aviones supersónicos. [18] [19] Fahey expresó que esto no sería un obstáculo fatal para un desarrollo avanzado de SST - mientras que "una gran bandera de precaución ... [no] debería ser un obstáculo para el desarrollo avanzado de SST" porque "" eliminar el azufre en el combustible del [concorde] "eliminaría esencialmente la vía hipotética de reacción de destrucción de ozono del 1-2%. [20]
A pesar de la discrepancia de observación del modelo en torno a la preocupación por el ozono, a mediados de la década de 1970, seis años después de su primer vuelo de prueba supersónico, [21] Concorde ya estaba listo para el servicio. La protesta política estadounidense fue tan alta que Nueva York prohibió el avión. Esto amenazó las perspectivas económicas de la aeronave: se había construido teniendo en cuenta la ruta Londres-Nueva York. Al avión se le permitió ingresar a Washington, DC (en Dulles en Virginia ), y el servicio fue tan popular que los neoyorquinos pronto se quejaron porque no lo tenían. No pasó mucho tiempo antes de que Concorde volara hacia JFK .
Junto con consideraciones políticas cambiantes, el público volador siguió mostrando interés en los cruces oceánicos de alta velocidad. Esto inició estudios de diseño adicionales en los EE. UU., Bajo el nombre "AST" (Transporte Supersónico Avanzado). El SCV de Lockheed fue un nuevo diseño para esta categoría, mientras que Boeing continuó con los estudios con el 2707 como referencia.
En ese momento, los aspectos económicos de los conceptos anteriores de SST ya no eran razonables. Cuando se diseñó por primera vez, se concibió que los SST competirían con aviones de largo alcance con capacidad para 80 a 100 pasajeros, como el Boeing 707 , pero con aviones más nuevos como el Boeing 747 que transportaban cuatro veces más, las ventajas de velocidad y combustible del concepto SST fueron quitado por puro tamaño.
Otro problema fue que la amplia gama de velocidades sobre las que opera una SST dificulta la mejora de los motores. Si bien los motores subsónicos habían logrado grandes avances en el aumento de la eficiencia durante la década de 1960 con la introducción del motor turbofan con relaciones de derivación cada vez mayores , el concepto de ventilador es difícil de usar a velocidades supersónicas donde la derivación "adecuada" es de aproximadamente 0,45, [22] a diferencia de 2.0 o superior para diseños subsónicos. Por estas dos razones, los diseños de SST estaban condenados por costos operativos más altos, y los programas de AST [ aclaración necesaria ] desaparecieron a principios de la década de 1980.
Concorde solo vendió a British Airways y Air France, con compras subsidiadas que devolverían el 80% de las ganancias al gobierno. En la práctica, durante casi toda la duración del acuerdo, no hubo beneficio para compartir. Después de la privatización de Concorde, las medidas de reducción de costos (en particular el cierre del sitio de prueba del ala metalúrgica que había realizado suficientes ciclos de temperatura para validar la aeronave hasta 2010) y los aumentos de precios de los boletos generaron ganancias sustanciales.
Desde que el Concorde dejó de volar, se ha revelado que durante la vida del Concorde, el avión resultó rentable, al menos para British Airways. Los costos operativos de Concorde durante casi 28 años de operación fueron de aproximadamente £ 1 mil millones, con ingresos de £ 1,75 mil millones. [23]
Los últimos vuelos regulares de pasajeros aterrizaron en el aeropuerto de Londres Heathrow el viernes 24 de octubre de 2003, poco después de las 4 pm: vuelo 002 desde Nueva York, un segundo vuelo desde Edimburgo, Escocia, y el tercero que había despegado de Heathrow en un vuelo circular. sobre el Golfo de Vizcaya.
A fines del siglo XX, proyectos como el Tupolev Tu-244 , Tupolev Tu-344 , SAI Quiet Supersonic Transport , Sukhoi-Gulfstream S-21 , High Speed Civil Transport , etc. no se habían realizado.
Aviones de pasajeros supersónicos realizados
El 21 de agosto de 1961, un Douglas DC-8-43 (matrícula N9604Z) excedió Mach 1 en una inmersión controlada durante un vuelo de prueba en la Base de la Fuerza Aérea Edwards. La tripulación estaba formada por William Magruder (piloto), Paul Patten (copiloto), Joseph Tomich (ingeniero de vuelo) y Richard H. Edwards (ingeniero de pruebas de vuelo). [24] Este es el primer vuelo supersónico de un avión civil. [24]
Concorde
En total, se construyeron 20 Concordes: dos prototipos, dos aviones de desarrollo y 16 aviones de producción. De los dieciséis aviones de producción, dos no entraron en servicio comercial y ocho permanecieron en servicio en abril de 2003. Todos menos dos de estos aviones se conservan; los dos que no lo son son F-BVFD (cn 211), estacionado como fuente de repuestos en 1982 y desguazado en 1994, y F-BTSC (cn 203), que se estrelló en las afueras de París el 25 de julio de 2000, matando a 100 pasajeros. , 9 tripulantes y 4 personas en tierra.
Tupolev Tu-144
Se construyeron un total de dieciséis Tupolev Tu-144 en condiciones de vuelo; un decimoséptimo Tu-144 (reg. 77116) nunca se completó. También hubo al menos un fuselaje de prueba en tierra para pruebas estáticas en paralelo con el desarrollo del prototipo 68001.
Desafíos del vuelo supersónico de pasajeros
Aerodinámica
Para todos los vehículos que viajan por aire, la fuerza de arrastre es proporcional al coeficiente de arrastre ( C d ), al cuadrado de la velocidad aerodinámica y a la densidad del aire. Dado que la resistencia aumenta rápidamente con la velocidad, una prioridad clave del diseño de aviones supersónicos es minimizar esta fuerza reduciendo el coeficiente de resistencia. Esto da lugar a las formas altamente aerodinámicas de las SST. Hasta cierto punto, los aviones supersónicos también manejan la resistencia al volar a mayores altitudes que los aviones subsónicos, donde la densidad del aire es menor.
A medida que las velocidades se acercan a la velocidad del sonido, aparece el fenómeno adicional de arrastre de ondas . Esta es una forma poderosa de arrastre que comienza a velocidades transónicas (alrededor de Mach 0,88 ). Alrededor de Mach 1, el coeficiente máximo de arrastre es cuatro veces mayor que el de arrastre subsónico. Por encima del rango transónico, el coeficiente vuelve a caer drásticamente, aunque sigue siendo un 20% más alto en Mach 2,5 que a velocidades subsónicas. Los aviones supersónicos deben tener una potencia considerablemente mayor que la que necesitan los aviones subsónicos para superar esta resistencia de las olas, y aunque el rendimiento de crucero por encima de la velocidad transónica es más eficiente, sigue siendo menos eficiente que volar subsónicamente.
Otro problema en el vuelo supersónico es la relación de sustentación y arrastre ( relación L / D) de las alas. A velocidades supersónicas, las aspas aerodinámicas generan sustentación de una manera completamente diferente que a velocidades subsónicas, y son invariablemente menos eficientes. Por esta razón, se ha realizado una investigación considerable en el diseño de formas en planta de alas para un crucero supersónico sostenido. Aproximadamente a Mach 2, un diseño de ala típico reducirá su relación L / D a la mitad (por ejemplo, Concorde logró una relación de 7,14, mientras que el subsónico Boeing 747 tiene una relación L / D de 17). [25] Debido a que el diseño de una aeronave debe proporcionar suficiente sustentación para superar su propio peso, una reducción de su relación L / D a velocidades supersónicas requiere un empuje adicional para mantener su velocidad y altitud.
Motores
El diseño del motor a reacción cambia significativamente entre aviones supersónicos y subsónicos. Los motores a reacción, como clase, pueden proporcionar una mayor eficiencia de combustible a velocidades supersónicas, aunque su consumo específico de combustible es mayor a velocidades más altas. Debido a que su velocidad sobre el suelo es mayor, esta disminución en la eficiencia es menos que proporcional a la velocidad hasta muy por encima de Mach 2, y el consumo por unidad de distancia es menor.
Cuando el Concorde estaba siendo diseñado por Aérospatiale - BAC , los motores a reacción de alto bypass (motores " turbofan ") aún no se habían desplegado en aviones subsónicos. Si el Concorde hubiera entrado en servicio contra diseños anteriores como el Boeing 707 o el de Havilland Comet , habría sido mucho más competitivo, aunque el 707 y el DC-8 aún transportaban más pasajeros. Cuando estos motores a reacción de alto bypass llegaron al servicio comercial en la década de 1960, los motores a reacción subsónicos inmediatamente se volvieron mucho más eficientes, más cercanos a la eficiencia de los turborreactores a velocidades supersónicas. Una gran ventaja del SST desapareció.
Los motores turbofan mejoran la eficiencia al aumentar la cantidad de aire frío a baja presión que aceleran, utilizando parte de la energía normalmente utilizada para acelerar el aire caliente en el turborreactor clásico sin derivación. La máxima expresión de este diseño es el turbohélice , donde casi todo el empuje del chorro se utiliza para impulsar un ventilador muy grande: la hélice . La curva de eficiencia del diseño del ventilador significa que la cantidad de derivación que maximiza la eficiencia general del motor es una función de la velocidad de avance, que disminuye desde las hélices hasta los ventiladores, hasta que no hay derivación en absoluto a medida que aumenta la velocidad. Además, la gran área frontal ocupada por el ventilador de baja presión en la parte delantera del motor aumenta la resistencia, especialmente a velocidades supersónicas, y significa que las relaciones de derivación son mucho más limitadas que en las aeronaves subsónicas. [26]
Por ejemplo, el Tu-144S temprano estaba equipado con un motor turbofan de derivación baja que era mucho menos eficiente que los turborreactores de Concorde en vuelo supersónico. El último TU-144D presentaba motores turborreactores con una eficiencia comparable. Estas limitaciones significaron que los diseños de SST no pudieron aprovechar las mejoras dramáticas en la economía de combustible que los motores de alto bypass trajeron al mercado subsónico, pero ya eran más eficientes que sus contrapartes turbofan subsónicas.
Problemas estructurales
Las velocidades supersónicas de los vehículos exigen diseños de alas y fuselajes más estrechos y están sujetos a mayores tensiones y temperaturas. Esto conduce a problemas de aeroelasticidad , que requieren estructuras más pesadas para minimizar la flexión no deseada. Los SST también requieren una estructura mucho más fuerte (y por lo tanto más pesada) porque su fuselaje debe estar presurizado a un diferencial mayor que los aviones subsónicos, que no operan a las grandes altitudes necesarias para el vuelo supersónico. Estos factores juntos significaron que el peso vacío por asiento del Concorde es más de tres veces el de un Boeing 747.
Sin embargo, el Concorde y el TU-144 fueron construidos con aluminio convencional ( Hiduminium en el caso de Concorde) y ( duraluminio ), mientras que los materiales más modernos como la fibra de carbono y el Kevlar son mucho más fuertes en tensión por su peso (importante para lidiar con la presurización tensiones) además de ser más rígido. Como el peso por asiento de la estructura es mucho mayor en un diseño SST, cualquier mejora conducirá a una mejora porcentual mayor que los mismos cambios en un avión subsónico.
Altos precios
Aeronave | Concorde [27] | Boeing 747 -400 [28] |
---|---|---|
Millas de pasajero / galón imperial | 17 | 109 |
Pasajero millas / galón estadounidense | 14 | 91 |
Litros / pasajero 100 km | 16.6 | 3.1 |
Los mayores costos de combustible y la menor capacidad de pasajeros debido al requisito aerodinámico de un fuselaje estrecho hacen que los SST sean una forma costosa de transporte civil comercial en comparación con los aviones subsónicos. Por ejemplo, el Boeing 747 puede transportar más de tres veces más pasajeros que el Concorde utilizando aproximadamente la misma cantidad de combustible.
Sin embargo, los costos de combustible no son la mayor parte del precio de la mayoría de los boletos de pasajeros de aviones subsónicos. [29] Para el mercado comercial transatlántico para el que se utilizaron los aviones SST, Concorde tuvo un gran éxito y pudo mantener un precio de billete más alto. Ahora que los aviones comerciales SST dejaron de volar, ha quedado más claro que Concorde obtuvo ganancias sustanciales para British Airways. [23]
Ruido de despegue
Uno de los problemas con el funcionamiento del Concorde y del Tu-144 fueron los altos niveles de ruido del motor, asociados con velocidades muy altas de los reactores utilizados durante el despegue y, lo que es más importante, sobrevolar comunidades cercanas al aeropuerto. Los motores SST necesitan un empuje específico bastante alto (empuje neto / flujo de aire) durante el crucero supersónico, para minimizar el área de la sección transversal del motor y, por lo tanto, la resistencia de la góndola . Desafortunadamente, esto implica una alta velocidad del jet, lo que hace que los motores sean ruidosos, lo que causa problemas particularmente a bajas velocidades / altitudes y en el despegue. [30]
Por lo tanto, una futura SST podría beneficiarse de un motor de ciclo variable , donde el empuje específico (y por lo tanto la velocidad y el ruido del chorro) es bajo en el despegue, pero se fuerza alto durante el crucero supersónico. La transición entre los dos modos se produciría en algún momento durante el ascenso y viceversa durante el descenso (para minimizar el ruido de los aviones al aproximarse). La dificultad radica en idear una configuración de motor de ciclo variable que cumpla con el requisito de un área de sección transversal baja durante el crucero supersónico.
estampido supersónico
El boom sónico no se pensaba que era un problema grave debido a las altas altitudes en las cuales los aviones volaron, pero los experimentos en la década de 1960, como las controvertidas pruebas boom sónico Oklahoma City y los estudios de la USAF 's de América del Norte XB-70 Valkyrie demostró lo contrario (ver Sonic boom § Reducción ). En 1964, no estaba claro si los aviones civiles supersónicos obtendrían licencia, debido al problema. [31]
La molestia de una explosión sónica se puede evitar esperando hasta que la aeronave esté a gran altura sobre el agua antes de alcanzar velocidades supersónicas; esta fue la técnica utilizada por Concorde. Sin embargo, impide el vuelo supersónico sobre áreas pobladas. Los aviones supersónicos tienen relaciones de sustentación / arrastre pobres a velocidades subsónicas en comparación con los aviones subsónicos (a menos que se empleen tecnologías como alas de barrido variable ) y, por lo tanto, queman más combustible, lo que hace que su uso sea económicamente desventajoso en tales rutas de vuelo.
Concorde tenía una sobrepresión de 1,94 lb / pie cuadrado (93 Pa) (133 dBA SPL). Las sobrepresiones superiores a 72 Pa (1,5 lb / pie cuadrado) (131 dBA SPL) a menudo causan quejas. [32]
Si se puede reducir la intensidad del boom, esto puede hacer que incluso los diseños muy grandes de aviones supersónicos sean aceptables para el vuelo por tierra. La investigación sugiere que los cambios en el cono de la nariz y la cola pueden reducir la intensidad del boom sónico debajo de lo necesario para causar quejas. Durante los esfuerzos originales de SST en la década de 1960, se sugirió que una forma cuidadosa del fuselaje de la aeronave podría reducir la intensidad de las ondas de choque del boom sónico que llegan al suelo. Un diseño hizo que las ondas de choque interfirieran entre sí, reduciendo en gran medida el boom sónico. Esto era difícil de probar en ese momento, pero el poder cada vez mayor del diseño asistido por computadora lo ha hecho considerablemente más fácil desde entonces. En 2003, se voló un avión de demostración Shaped Sonic Boom que demostró la solidez del diseño y demostró la capacidad de reducir el brazo a la mitad. Incluso alargar el vehículo (sin aumentar significativamente el peso) parecería reducir la intensidad de la barra (ver Expulsión sónica § Reducción ).
Necesidad de operar aviones en una amplia gama de velocidades.
El diseño aerodinámico de un avión supersónico debe cambiar con su velocidad para un rendimiento óptimo. Por lo tanto, una SST idealmente cambiaría de forma durante el vuelo para mantener un rendimiento óptimo tanto a velocidades subsónicas como supersónicas. Tal diseño introduciría complejidad que aumentaría las necesidades de mantenimiento, los costos de operación y las preocupaciones de seguridad.
En la práctica, todos los transportes supersónicos han utilizado esencialmente la misma forma para vuelos subsónicos y supersónicos, y se elige un compromiso en el rendimiento, a menudo en detrimento del vuelo a baja velocidad. Por ejemplo, el Concorde tenía una resistencia muy alta (una relación de elevación a resistencia de aproximadamente 4) a baja velocidad, pero viajó a alta velocidad durante la mayor parte del vuelo. Los diseñadores de Concorde pasaron 5000 horas optimizando la forma del vehículo en pruebas de túnel de viento para maximizar el rendimiento general durante todo el plan de vuelo. [ cita requerida ]
El Boeing 2707 presentaba alas giratorias para brindar una mayor eficiencia a bajas velocidades, pero el mayor espacio requerido para tal característica produjo problemas de capacidad que, en última instancia, resultaron insuperables.
North American Aviation tuvo un enfoque inusual para este problema con el XB-70 Valkyrie . Al bajar los paneles exteriores de las alas a un alto número de Mach, pudieron aprovechar la elevación por compresión en la parte inferior de la aeronave. Esto mejoró la relación L / D en aproximadamente un 30%.
Temperatura de la piel
A velocidades supersónicas, un avión comprime adiabáticamente el aire frente a él. El aumento de temperatura del aire calienta la aeronave.
Los aviones subsónicos suelen estar hechos de aluminio. Sin embargo, el aluminio, aunque es ligero y resistente, no es capaz de soportar temperaturas muy superiores a 127 ° C; por encima de 127 ° C, el aluminio pierde gradualmente sus propiedades provocadas por el endurecimiento por envejecimiento. [33] Para las aeronaves que vuelan a Mach 3, se han utilizado materiales como el acero inoxidable ( XB-70 Valkyrie , MiG-25 ) o el titanio ( SR-71 , Sukhoi T-4 ), con un gasto considerable, ya que Las propiedades de estos materiales hacen que la aeronave sea mucho más difícil de fabricar.
En 2017 , se descubrió un nuevo material de recubrimiento cerámico de carburo que podía resistir temperaturas que ocurren a Mach 5 o más, quizás tan altas como 3000 ° C. [34]
Alcance pobre
El alcance de los aviones supersónicos se puede estimar con la ecuación de alcance de Breguet .
El elevado peso de despegue por pasajero dificulta la obtención de una buena fracción de combustible. Este problema, junto con el desafío que presentan las relaciones supersónicas de sustentación / arrastre, limita en gran medida la gama de transportes supersónicos. Debido a que las rutas de larga distancia no eran una opción viable, las aerolíneas tenían poco interés en comprar aviones. [ cita requerida ]
Indeseabilidad de las aerolíneas de los SST
Las aerolíneas compran aviones como un medio para ganar dinero y desean obtener el mayor retorno de la inversión posible de sus activos.
Las aerolíneas valoran potencialmente los aviones muy rápidos, porque les permite realizar más vuelos por día, lo que proporciona un mayor retorno de la inversión. Además, los pasajeros generalmente prefieren viajes más rápidos y de menor duración a viajes más lentos y de mayor duración, por lo que operar aviones más rápidos puede dar a una aerolínea una ventaja competitiva, incluso en la medida en que muchos clientes pagarán voluntariamente tarifas más altas para ahorrar tiempo y / o llegar antes. [ cita requerida ] Sin embargo, los altos niveles de ruido de Concorde alrededor de los aeropuertos, los problemas de zona horaria y la velocidad insuficiente significaban que solo se podía realizar un solo viaje de regreso por día, por lo que la velocidad adicional no era una ventaja para la aerolínea más que como una función de venta a sus clientes. [35] Los SST estadounidenses propuestos estaban destinados a volar a Mach 3, en parte por esta razón. Sin embargo, teniendo en cuenta el tiempo de aceleración y desaceleración, un viaje transatlántico en una SST Mach 3 sería menos de tres veces más rápido que un viaje Mach 1.
Dado que las SST producen explosiones sónicas a velocidades supersónicas, rara vez se les permite volar de manera supersónica sobre la tierra y, en su lugar, deben volar de manera supersónica sobre el mar. Dado que son ineficientes a velocidades subsónicas en comparación con las aeronaves subsónicas, el alcance se deteriora y el número de rutas que la aeronave puede volar sin escalas se reduce. Esto también reduce la conveniencia de tales aviones para la mayoría de las aerolíneas.
Los aviones supersónicos tienen un mayor consumo de combustible por pasajero que los subsónicos; esto hace que el precio del boleto sea necesariamente más alto, todos los demás factores son iguales, además de hacer que ese precio sea más sensible al precio del petróleo. (También hace que los vuelos supersónicos sean menos amigables con el medio ambiente y la sostenibilidad, dos preocupaciones crecientes del público en general, incluidos los viajeros aéreos).
Invertir en trabajo de investigación y desarrollo para diseñar un nuevo SST puede considerarse como un esfuerzo para impulsar el límite de velocidad del transporte aéreo. Por lo general, además del impulso de nuevos logros tecnológicos, la principal fuerza impulsora de tal esfuerzo es la presión competitiva de otros modos de transporte. La competencia entre diferentes proveedores de servicios dentro de un modo de transporte no suele dar lugar a tales inversiones tecnológicas para aumentar la velocidad. En cambio, los proveedores de servicios prefieren competir en calidad y costo del servicio. [ cita requerida ] Un ejemplo de este fenómeno es el tren de alta velocidad. El límite de velocidad del transporte ferroviario se había impuesto con tanta fuerza para que pudiera competir eficazmente con el transporte por carretera y aéreo. Pero este logro no se logró para que las distintas empresas ferroviarias compitieran entre sí. Este fenómeno también reduce la conveniencia de las líneas aéreas de los SST, porque, para el transporte de muy larga distancia (un par de miles de kilómetros), la competencia entre diferentes modos de transporte es más bien como una carrera de un solo caballo: el transporte aéreo no tiene un competidor significativo. La única competencia es entre las compañías aéreas, y prefieren pagar moderadamente para reducir los costos y aumentar la calidad del servicio que pagar mucho más por un aumento de velocidad. [ cita requerida ] Además, las empresas con fines de lucro generalmente prefieren planes de negocios de bajo riesgo con altas probabilidades de ganancias apreciables, pero un costoso programa de investigación y desarrollo tecnológico de vanguardia es una empresa de alto riesgo, ya que es posible que el programa falle. por razones técnicas imprevisibles o se enfrentarán a sobrecostos tan grandes que obliguen a la empresa, debido a limitaciones de recursos financieros, a abandonar el esfuerzo antes de que produzca cualquier tecnología SST comercializable, lo que podría hacer que se pierda potencialmente toda la inversión.
Impacto medioambiental
El Consejo Internacional de Transporte Limpio (ICCT) estima que un SST consumiría de 5 a 7 veces más combustible por pasajero. [36] El ICCT muestra que un vuelo supersónico de Nueva York a Londres consumiría más del doble de combustible por pasajero que en la clase ejecutiva subsónica , seis veces más que en la clase económica y tres veces más que en la clase ejecutiva subsónica de Los Ángeles a Sydney. [37] Los diseñadores pueden cumplir con los estándares ambientales existentes con tecnología avanzada o presionar a los legisladores para que establezcan nuevos estándares para los SST. [38]
Si hubiera 2,000 SST en 2035, habría 5,000 vuelos por día en 160 aeropuertos y la flota de SST emitiría ~ 96 millones de toneladas métricas de CO₂ por año (como American , Delta y Southwest combinados en 2017), 1.6 a 2.4 gigatoneladas de CO₂ durante su vida útil de 25 años: una quinta parte de la aviación internacional balance de carbono si la aviación mantiene sus emisiones comparten mantenerse por debajo de un 1,5 ° C trayectoria climático . El área expuesta al ruido alrededor de los aeropuertos podría duplicarse en comparación con los aviones subsónicos existentes del mismo tamaño, con más de 300 operaciones por día en Dubai y Londres Heathrow , y más de 100 en Los Ángeles , Singapur , San Francisco , Nueva York-JFK , Frankfurt y Bangkok . Los estallidos sónicos frecuentes se escucharían en Canadá, Alemania, Irak, Irlanda, Israel, Rumania, Turquía y partes de los Estados Unidos, hasta 150–200 por día o uno cada cinco minutos. [39]
En desarrollo
El deseo de un avión supersónico de segunda generación se ha mantenido dentro de algunos elementos de la industria de la aviación, [40] [41] y han surgido varios conceptos desde el retiro del Concorde.
En mayo de 2008, se informó que Aerion Corporation tenía $ 3 mil millones en ventas de pedidos anticipados en su avión comercial supersónico Aerion SBJ . [42] A finales de 2010, el proyecto continuó con un vuelo en banco de pruebas de una sección del ala. [43]
En marzo de 2016, Boom Technology reveló que se encuentra en las fases de desarrollo de la construcción de un jet supersónico de 40 pasajeros capaz de volar Mach 2.2, afirmando que la simulación de diseño muestra que será más silencioso y 30% más eficiente que el Concorde y podrá volar de Los Ángeles a Sydney en 6 horas. [44]
Por su viabilidad económica, la investigación de la NASA desde 2006 se ha centrado en reducir el boom sónico para permitir el vuelo supersónico sobre tierra. La NASA debería volar un demostrador de bajo brazo en 2019, reducido de golpes dobles a golpes suaves por la configuración de la estructura del avión, para consultar la respuesta de la comunidad, en apoyo de un posible levantamiento de la prohibición de la FAA y la OACI a principios de la década de 2020. El avión X de Quiet Supersonic Technology imitará la firma de ondas de choque de un avión de pasajeros Mach 1.6 a 1.8, de 80 a 100 asientos para 75 PNLdB en comparación con 105 PNLdB para Concorde. [45]
El mercado de aviones supersónicos que cuestan $ 200 millones podría ser de 1.300 en un período de 10 años, por valor de $ 260 mil millones. [46] El desarrollo y la certificación es probablemente una operación de $ 4 mil millones. [47]
El TsAGI exhibió en el MAKS Air Show 2017 en Moscú un modelo a escala de su Supersonic Business Jet / Commercial Jet que debería producir un bajo boom sónico que permita un vuelo supersónico sobre tierra, optimizado para 2.100 km / h (1.300 mph) de crucero y 7.400-8.600 km (4,600–5,300 mi) rango. La investigación científica tiene como objetivo optimizar tanto para velocidades Mach 0.8-0.9 transónicas como Mach 1.5-2.0 supersónicas, un diseño similar se prueba en un túnel de viento mientras los motores se conceptualizan en el Instituto Central de Motores de Aviación y los diseños son estudiados por Aviadvigatel y NPO Saturno . [48]
En la convención de la NBAA de octubre de 2017 en Las Vegas, con la NASA apoyando solo la investigación, las empresas sin experiencia se enfrentan a desafíos de ingeniería para proponer aviones sin motor disponible, velocidades máximas variables y modelos operativos: [49]
- El Aerion AS2 es un trijet de 12 asientos, con un alcance de 4,750 nmi (8,800 km; 5,470 mi) a Mach 1.4 sobre el agua o 5,300 nmi (9,800 km; 6,100 mi) a Mach 0.95 sobre tierra, aunque "sin boom" Mach 1.1 el vuelo es posible. Respaldado por Airbus y con 20 pedidos de lanzamiento de Flexjet, las primeras entregas se retrasaron desde 2023 en dos años cuando GE Aviation fue seleccionada en mayo de 2017 para un estudio conjunto de motores;
- El banco de pruebas de tercera escala Boom XB-1 Baby Boom debería volar en 2018, ya que el motor se selecciona para un avión de pasajeros trijet de 45/55 asientos que alcanza Mach 2.2 sobre el agua a 9,000 nmi (17,000 km; 10,000 mi) con una parada para un negocio. -Precio de clase. Con el objetivo de realizar entregas en 2023, recibió 10 compromisos de Virgin y 15 de una aerolínea europea no revelada en 2016, con un total de 76 de cinco aerolíneas en junio de 2017;
- El Spike S-512 es un diseño bimotor autofinanciado que tiene como objetivo navegar a Mach 1.6 sobre el agua por 6.200 millas náuticas (11.500 km; 7.100 millas) con 22 pasajeros en una cabina sin ventanas, con motores no especificados de 20.000 lbf (89 kN). Un modelo a escala SX-1.2 debería haber realizado su vuelo inaugural en septiembre de 2017 antes de un banco de pruebas tripulado en 2019 y el prototipo en 2021, con disponibilidad de mercado para 2023.
Modelo | Pasajeros | Crucero | Rango ( nmi ) | MTOW | Empuje total | Empuje / peso |
---|---|---|---|---|---|---|
Tupolev Tu-144 | 150 | Mach 2.0 | 3500 millas náuticas (6500 km) | 207 t (456.000 libras) | 960 kN (216.000 librasf) | 0,44 |
Concorde | 120 | Mach 2.02 | 3.900 millas náuticas (7.200 km) | 185 t (408.000 libras) | 676 kN (152.000 libras · pie) | 0,37 |
Obertura de la tecnología de auge | 55 | Mach 1.7 [50] | 4.500 millas náuticas (8.300 km) | 77,1 toneladas (170.000 libras) | 200–270 kN (45,000–60,000 lbf) | 0,26–0,35 |
Aerion AS2 | 12 | Mach 1.5 | 4.500 millas náuticas (8.300 km) | 54,4 toneladas (120.000 libras) | 201–228 kN (45,000–51,000 lbf) | 0,38-0,43 |
Pico S-512 | 18 | Mach 1.6 | 6.200 millas náuticas (11.500 km) | 52,2 toneladas (115.000 libras) | 177,8 kN (40.000 libras · pie) | 0,35 |
Trabajando desde 2003 y habiendo reducido su objetivo de Mach 1.6 a 1.4, Aerion parece más realista para el analista de Leeham Bjorn Fehrm y quiere entrar en servicio en 2025, mientras que Boom y Spike son más ambiciosos para su introducción dos años antes, pero esos plazos parecen difíciles sin selección del motor y velocidad con al menos Mach 2 necesarios para que las aerolíneas reduzcan un día de viajes transatlánticos y dos días de viajes transpacíficos. [51] La FAA propondrá reglas para la autorización de pruebas de vuelo supersónicas en los EE. UU. Y la certificación del ruido a principios de 2019. [52]
De los cuatro mil millones de pasajeros aéreos en 2017, más de 650 millones volaron de larga distancia entre 2.000 y 7.000 millas (3.200 y 11.300 km), incluidos 72 millones en negocios y primera clase , llegando a 128 millones para 2025: proyectos de Spike 13 millones estarían interesados en transporte supersónico entonces. [53]
En octubre de 2018, la reautorización de los estándares de ruido planeados por la FAA para los transportes supersónicos, brindando a los desarrolladores una certeza regulatoria para sus diseños, principalmente su elección de motor. La FAA debería hacer una propuesta para el ruido de aterrizaje y despegue antes del 31 de marzo de 2020 para una regla después de 2022; y para el boom sónico terrestre a partir de finales de 2020, mientras que la NASA planea volar el demostrador de vuelo de bajo brazo Lockheed Martin X-59 QueSST a partir de 2021 para los estándares de la OACI en 2025. [54]
En junio de 2019, inspirado por la iniciativa supersónica silenciosa de la NASA y X-59 QueSST , Lockheed Martin presentó el avión de pasajeros de tecnología supersónica silenciosa , [55] un concepto de avión transpacífico Mach 1.8 para 40 pasajeros. El diseño de brazo con forma permite un menor ruido de aeropuerto y un boom sónico ; propulsión integrada silenciosa; flujo laminar natural supersónico de ala en flecha ; y el sistema de visión exterior de la cabina (XVS). El diseño de 69 m (225 pies) de largo es significativamente más largo que el del Concorde , con un morro de 21 m (70 pies) de largo y una cabina de 24 m (78 pies). El ala delta de barrido pronunciado tiene una envergadura de 22 m (73 pies), un poco más estrecha que la del Concorde. [56]
Los objetivos de diseño son un alcance de 4,200 a 5,300 nmi (7,800 a 9,800 km) y una longitud de campo de despegue de 9,500 a 10,500 pies (2,900 a 3,200 m), una pluma sónica de 75-80 PLdB y un crucero de Mach 1.6-1.7 sobre tierra y Mach 1.7-1.8 sobre agua. Los motores gemelos sin poscombustión montados en la cola de 40,000 lbf (180 kN) están ubicados entre las colas en V. La propulsión integrada de bajo ruido incluye diseños avanzados de boquillas de enchufe , conceptos de protección contra el ruido y aspas de ventilador tolerantes a la distorsión . [56]
En agosto de 2020, Virgin Galactic con Rolls-Royce dio a conocer el concepto de un avión de ala delta twinjet con capacidad Mach 3 que puede transportar hasta 19 pasajeros. [57] [58]
Conceptos previos
En noviembre de 2003, EADS , la empresa matriz de Airbus, anunció que estaba considerando trabajar con empresas japonesas para desarrollar un reemplazo más grande y más rápido para Concorde. [59] [60] En octubre de 2005, JAXA , la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón, llevó a cabo pruebas aerodinámicas de un modelo a escala de un avión de pasajeros diseñado para transportar 300 pasajeros a Mach 2 ( Transporte Supersónico de Nueva Generación , NEXST , luego Transporte Hyper Sonic de Emisiones ). Si se persigue hasta el despliegue comercial, se espera que esté en servicio alrededor de 2020-25. [61]
El Quiet Supersonic Transport de Supersonic Aerospace International es un diseño de Lockheed Martin para 12 pasajeros que debe navegar a Mach 1.6 y crear un boom sónico solo un 1% más fuerte que el generado por Concorde. [62]
También se han propuesto los supersónicos Tupolev Tu-444 o Gulfstream X-54 .
Transporte hipersónico
Si bien los motores turbo y ramjet convencionales pueden permanecer razonablemente eficientes hasta Mach 5.5, algunas ideas para vuelos de muy alta velocidad por encima de Mach 6 también se discuten a veces, con el objetivo de reducir los tiempos de viaje a una o dos horas en cualquier parte del mundo. . Estas propuestas de vehículos suelen utilizar motores cohete o scramjet ; También se han propuesto motores de detonación por pulsos . Hay muchas dificultades con tal vuelo, tanto técnicas como económicas.
Los vehículos con motor de cohete, si bien son técnicamente prácticos (ya sea como transportes balísticos o como transportes semibalísticos con alas), usarían una gran cantidad de propulsor y funcionarían mejor a velocidades entre Mach 8 y velocidades orbitales. Los cohetes compiten mejor con los motores a reacción que respiran aire en costos a muy largo alcance; sin embargo, incluso para viajes antípodas, los costos serían solo algo más bajos que los costos de lanzamiento orbital. [ cita requerida ]
En el Salón Aeronáutico de París de junio de 2011 , EADS presentó su concepto ZEHST , navegando a Mach 4 (4.400 km / h; 2.400 kn) a 105.000 pies (32.000 m) y atrayendo el interés japonés. [63] El SpaceLiner alemán es un proyecto de avión espacial de pasajeros alado hipersónico suborbital en desarrollo preliminar.
Los motores a reacción preenfriados son motores a reacción con un intercambiador de calor en la entrada que enfría el aire a velocidades muy altas. Estos motores pueden ser prácticos y eficientes hasta aproximadamente Mach 5,5, y esta es un área de investigación en Europa y Japón. La compañía británica Reaction Engines Limited , con un 50% de dinero de la UE, se ha involucrado en un programa de investigación llamado LAPCAT , que examinó un diseño para un avión de hidrógeno que transportaba a 300 pasajeros llamado A2 , potencialmente capaz de volar a Mach 5+ sin escalas desde Bruselas a Sydney en 4,6 horas. [64] El esfuerzo de investigación de seguimiento, LAPCAT II, comenzó en 2008 y duraría cuatro años. [sesenta y cinco]
STRATOFLY MR3 es un programa de investigación de la UE ( Centro Aeroespacial Alemán , ONERA y universidades) con el objetivo de desarrollar un avión comercial de combustible criogénico para 300 pasajeros capaz de volar a unos 10.000 km / h (Mach 8) por encima de los 30 km de altitud. [66] [67]
Avión de pasajeros Boeing Hypersonic
Boeing presentó en la conferencia AIAA 2018 un transporte de pasajeros de Mach 5 (5.400 km / h; 2.900 kn). Cruzar el Atlántico en 2 horas o el Pacífico en 3 a 29 km (95 000 pies) permitiría vuelos de regreso el mismo día, lo que aumentaría la utilización de activos de las aerolíneas . Con un fuselaje de titanio , su capacidad sería menor que la de un Boeing 737 pero mayor que la de un avión comercial de largo alcance . Se podría volar un demostrador reutilizable a partir de 2023 o 2024 para una posible entrada en servicio a partir de finales de la década de 2030. La aerodinámica se beneficiaría de la experiencia del Boeing X-51 Waverider , montando la onda de choque del borde de ataque para una menor resistencia inducida . El control de flujo mejoraría la sustentación a velocidades más lentas y evitar los postcombustión en el despegue reduciría el ruido . [68]
El transporte hipersónico de Boeing estaría propulsado por un turborreactor , un turbofan que cambia a un estatorreactor a Mach 5 evitaría la necesidad de un estatorreactor, similar al SR-71 Blackbird 's Pratt & Whitney J58 , pero apagando la turbina a mayor velocidad. velocidades. Estaría integrado en un diseño anular axisimétrico con una sola entrada y boquilla , y un conducto de derivación alrededor del motor de turbina a una combinación de postcombustión / ramjet en la parte trasera. Necesitaría tecnología de enfriamiento avanzada como el intercambiador de calor desarrollado por Reaction Engines , tal vez usando metano líquido y / o combustible para aviones . [68]
Navegar a 90.000 a 95.000 pies (27.000 a 29.000 m) hace que la despresurización sea un riesgo mayor. Se eligió Mach 5 como el límite alcanzable con la tecnología disponible . Tendría una alta capacidad de utilización , pudiendo cruzar el Atlántico cuatro o cinco veces al día, frente a las posibles dos veces al día con el Concorde. [69]
Ver también
- Supercrucero
Referencias
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