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El transporte supersónico Concorde tenía un ala delta ojival , un fuselaje delgado y cuatro motores Rolls-Royce / Snecma Olympus 593 colgantes.
El Tupolev Tu-144 fue el primer SST en entrar en servicio y el primero en dejarlo. Solo se realizaron 55 vuelos de pasajeros antes de que terminara el servicio debido a problemas de seguridad. También se llevaron a cabo una pequeña cantidad de vuelos de carga y de prueba después de su retiro.

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 [ editar ]

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. Contrarrestar este aumento en el uso de combustible fue el potencial para aumentar considerablemente las salidastarifas de la aeronave, al menos en vuelos de medio y largo alcance en los que 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.

Aterrizaje del Concorde

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 deDiseños 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 que pesara 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 losDiseños 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] Asesor presidencial Russell Trainadvirtió que una flota de 500 SST volando a 65.000 pies (20 km) durante un período de años podría aumentar el contenido de agua estratosférica hasta en un 50% a 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 80 y 90 fueron más altos que en los 2000, en aproximadamente un 10%, con Susan Solomon de NOAA calculando que es este cambio el responsable de laralentizar el aumento de las temperaturas de la superficie debido al calentamiento global en aproximadamente un 25 por ciento en comparación con 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 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 observó una pérdida de ozono detectable en aproximadamente 213 megatonesde energía explosiva que se liberó en 1962, por lo que la cantidad equivalente de NOx de los Concordes "1047" que vuelan "10 horas al día" tampoco tendría precedentes. [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 advertencia ... [no] debería ser un obstáculo para el desarrollo avanzado de SST" porque ""la eliminación de lael 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 el tamaño puro.

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 supersónicos realizados [ editar ]

El Museo Sinsheim Auto & Technik en Alemania es el único lugar donde se exhiben juntos el Concorde y el Tu-144.

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 [ editar ]

Artículo principal: Historias de aviones 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 [ editar ]

Artículo principal: 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 [ editar ]

Aerodinámica [ editar ]

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.

Variación cualitativa del factor Cd con número de Mach para aeronaves

As speeds approach the speed of sound, the additional phenomenon of wave drag appears. This is a powerful form of drag that begins at transonic speeds (around Mach 0.88). Around Mach 1, the peak coefficient of drag is four times that of subsonic drag. Above the transonic range, the coefficient drops drastically again, although remains 20% higher by Mach 2.5 than at subsonic speeds. Supersonic aircraft must have considerably more power than subsonic aircraft require to overcome this wave drag, and although cruising performance above transonic speed is more efficient, it is still less efficient than flying subsonically.

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 [ editar ]

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.

British Airways Concorde en el aeródromo de Filton , Bristol , Inglaterra muestra el delgado fuselaje necesario para el vuelo supersónico

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 [ editar ]

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.

Costos altos [ editar ]

Comparación de eficiencia de combustible Concorde
Aeronave Concorde [27]Boeing 747 -400 [28]
Millas de pasajero / galón imperial17109
Pasajero millas / galón estadounidense1491
Litros / pasajero 100 km16.63.1

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 [ editar ]

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.

Boom sónico [ editar ]

The sonic boom was not thought to be a serious issue due to the high altitudes at which the planes flew, but experiments in the mid-1960s such as the controversial Oklahoma City sonic boom tests and studies of the USAF's North American XB-70 Valkyrie proved otherwise (see Sonic boom § Abatement). By 1964 whether civilian supersonic aircraft would be licensed was unclear, because of the problem.[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, una demostración de Shaped Sonic BoomSe voló un avión que demostró la solidez del diseño y demostró la capacidad de reducir la pluma aproximadamente 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 [ editar ]

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 [ editar ]

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 [ editar ]

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 la aerolínea de los SST [ editar ]

Aeroflot Tupolev Tu-144 en el Salón Aeronáutico de París en 1975.

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 por el beneficio de 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]Las SST estadounidenses propuestas estaban destinadas 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 ] An example of this phenomenon is high-speed rail. The speed limit of rail transport had been pushed so hard to enable it to effectively compete with road and air transport. But this achievement was not done for different rail operating companies to compete among themselves. This phenomenon also reduces the airline desirability of SSTs, because, for very long distance transportation (a couple of thousand kilometers), competition between different modes of transport is rather like a single-horse race: air transport does not have a significant competitor. The only competition is between the airline companies, and they would rather pay moderately to reduce cost and increase service quality than pay much more for a speed increase.[citation needed] 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 enfrentará a sobrecostos tan grandes que obligarán a la empresa, debido a los límites de recursos financieros, a abandonar el esfuerzo antes de que produzca cualquier tecnología SST comercializable, lo que podría hacer que se pierda toda la inversión.


Impacto ambiental [ editar ]

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]

If there were 2,000 SSTs in 2035, there would be 5,000 flights per day at 160 airports and the SST fleet would emit ~96 million metric tons of CO₂ per year (like American, Delta and Southwest combined in 2017), 1.6 to 2.4 gigatonnes of CO₂ over their 25-year lifetime: one-fifth of the international aviation carbon budget if aviation maintains its emissions share to stay under a 1.5 °C climate trajectory. Noise exposed area around airports could double compared to existing subsonic aircraft of the same size, with more than 300 operations per day at Dubai and London Heathrow, and over 100 in 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 [ editar ]

Concepto de Lockheed Martin presentado a la Dirección de Misiones de Investigación Aeronáutica de la NASA en abril de 2010
Concepto de Boeing presentado a la Dirección de Misiones de Investigación Aeronáutica de la NASA en abril de 2010

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 enfrentan 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;
  • the Boom XB-1 Baby Boom third-scale testbed should fly in 2018 as the powerplant is selected for a 45/55-seat trijet airliner reaching Mach 2.2 over water for 9,000 nmi (17,000 km; 10,000 mi) with one stop for a business-class fare. Aiming for 2023 deliveries, it received 10 commitments from Virgin and 15 from an undisclosed European airline in 2016, totalling 76 from five airlines by June 2017;
  • The Spike S-512 is a self-funded twinjet design aiming to cruise at Mach 1.6 over water for 6,200 nmi (11,500 km; 7,100 mi) with 22 passengers in a windowless cabin, with unspecified 20,000 lbf (89 kN) engines. A SX-1.2-scale model should have made its maiden flight in September 2017 before a manned testbed in 2019 and the prototype in 2021, with market availability for 2023.
ModelPassengersCruiseRange (nmi)MTOWTotal ThrustThrust/weight
Tupolev Tu-144150Mach 2.03,500 nmi (6,500 km)207 t (456,000 lb)960 kN (216,000 lbf)0.44
Concorde120Mach 2.023,900 nmi (7,200 km)185 t (408,000 lb)676 kN (152,000 lbf)0.37
Boom Technology Overture55Mach 2.24,500 nmi (8,300 km)77.1 t (170,000 lb)200–270 kN (45,000–60,000 lbf)0.26–0.35
Aerion AS212Mach 1.54,500 nmi (8,300 km)54.4 t (120,000 lb)201–228 kN (45,000–51,000 lbf)0.38–0.43
Spike S-51218Mach 1.66,200 nmi (11,500 km)52.2 t (115,000 lb)177.8 kN (40,000 lbf)0.35

Working since 2003 and having reduced its target from Mach 1.6 to 1.4, Aerion seems more realistic for Leeham analyst Bjorn Fehrm and wants to enter service in 2025, while Boom and Spike are more ambitious for introduction two years before – but those timelines seems difficult without engine selection – and speed with at least Mach 2 needed for airlines to cut one day off transatlantic and two days off transpacific trips.[50]Rules for supersonic flight-testing authorization in the U.S and noise certification will be proposed by the FAA by early 2019.[51]

Of the four billion air passengers in 2017, over 650 million flew long-haul between 2,000 and 7,000 miles (3,200 and 11,300 km), including 72 million in business and first class, reaching 128 million by 2025: Spike projects 13 million would be interested in supersonic transport then.[52]

In October 2018, the reauthorization of the FAA planned noise standards for supersonic transports, giving developers a regulatory certainty for their designs, mostly their engine choice. The FAA should make a proposition for landing-and-takeoff noise before March 31, 2020 for a rule after 2022; and for overland sonic boom from the end of 2020, while NASA plans to fly the Lockheed Martin X-59 QueSST low-boom flight demonstrator from 2021 for ICAO standards in 2025.[53]

In June 2019, inspired by the NASA quiet supersonic initiative and X-59 QueSST, Lockheed Martin unveiled the Quiet Supersonic Technology Airliner,[54] a Mach 1.8, transpacific airliner concept for 40 passenger. Lower airport noise and sonic boom are allowed by shaped-boom design; integrated low-noise propulsion; swept-wing supersonic natural laminar flow; and the cockpit external vision system (XVS). The 225 ft (69 m) long design is significantly longer than the Concorde, featuring an almost 70 ft (21 m) long nose and a 78 ft (24 m) cabin. The sharply swept delta wing has a 73 ft (22 m) span, slightly narrower than the Concorde.[55]

Design goals are a 4,200–5,300 nmi (7,800–9,800 km) range and a 9,500–10,500 ft (2,900–3,200 m) takeoff field length, a 75-80 PLdB sonic boom and a cruise of Mach 1.6-1.7 over land and Mach 1.7-1.8 over water. Twin tail-mounted nonafterburning 40,000 lbf (180 kN) engines are located between V-tails. Integrated low-noise propulsion include advanced plug nozzle designs, noise shielding concepts and distortion-tolerant fan blades.[55]

In August 2020, Virgin Galactic with Rolls-Royce unveiled the concept of a Mach 3 capable twinjet delta wing aircraft that can carry up to 19 passengers.[56][57]

Previous concepts[edit]

In November 2003, EADS—the parent company of Airbus—announced that it was considering working with Japanese companies to develop a larger, faster replacement for Concorde.[58][59] In October 2005, JAXA, the Japan Aerospace eXploration Agency, undertook aerodynamic testing of a scale model of an airliner designed to carry 300 passengers at Mach 2 (Next Generation Supersonic Transport, NEXST, then Zero Emission Hyper Sonic Transport). If pursued to commercial deployment, it would be expected to be in service around 2020–25.[60]

Supersonic Aerospace International's Quiet Supersonic Transport is a 12-passenger design from Lockheed Martin that is to cruise at Mach 1.6, and is to create a sonic boom only 1% as strong as that generated by Concorde.[61]

The supersonic Tupolev Tu-444 or Gulfstream X-54 have also been proposed.

Hypersonic transport[edit]

See also: Hypersonic, Hypersonic speed, and Hypersonic flight

While conventional turbo and ramjet engines are able to remain reasonably efficient up to Mach 5.5, some ideas for very high-speed flight above Mach 6 are also sometimes discussed, with the aim of reducing travel times down to one or two hours anywhere in the world. These vehicle proposals very typically either use rocket or scramjet engines; pulse detonation engines have also been proposed. There are many difficulties with such flight, both technical and economic.

Rocket-engined vehicles, while technically practical (either as ballistic transports or as semiballistic transports using wings), would use a very large amount of propellant and operate best at speeds between about Mach 8 and orbital speeds. Rockets compete best with air-breathing jet engines on cost at very long range; however, even for antipodal travel, costs would be only somewhat lower than orbital launch costs.[citation needed]

At the June 2011 Paris Air Show, EADS unveiled its ZEHST concept, cruising at Mach 4 (4,400 km/h; 2,400 kn) at 105,000 ft (32,000 m) and attracting Japanese interest.[62]The German SpaceLiner is a suborbital hypersonic winged passenger spaceplane project under preliminary development.

Precooled jet engines are jet engines with a heat exchanger at the inlet that cools the air at very high speeds. These engines may be practical and efficient at up to about Mach 5.5, and this is an area of research in Europe and Japan. The British company Reaction Engines Limited, with 50% EU money, has been engaged in a research programme called LAPCAT, which examined a design for a hydrogen-fueled plane carrying 300 passengers called the A2, potentially capable of flying at Mach 5+ nonstop from Brussels to Sydney in 4.6 hours.[63] The follow-on research effort, LAPCAT II began in 2008 and was to last four years.[64]

STRATOFLY MR3 is an EU research program (German Aerospace Center, ONERA and universities) with the goal of developing a cryogenic fuel 300-passenger airliner capable to fly at about 10,000 Km/h (Mach 8) above 30 km of altitude.[65][66]

Boeing Hypersonic airliner[edit]

Boeing hypersonic transport concept

Boeing unveiled at the AIAA 2018 conference a Mach 5 (5,400 km/h; 2,900 kn) passenger transport. Crossing the Atlantic in 2 hours or the Pacific in 3 at 95,000 ft (29 km) would enable same-day return flights, increasing airlines' asset utilization. Using a titanium airframe, its capacity would be smaller than a Boeing 737 but larger than a long-range business jet. A reusable demonstrator could be flown as early as 2023 or 2024 for a potential entry into service from the late 2030s. Aerodynamics would benefit from the Boeing X-51 Waverider experience, riding the leading edge shockwave for lower induced drag. Flow control would enhance lift at slower speeds, and avoiding afterburners on takeoff would reduce noise.[67]

The Boeing hypersonic transport would be powered by a turboramjet, a turbofan that transitions to a ramjet at Mach 5 would avoid the need for a ramjet, similar to the SR-71 Blackbird's Pratt & Whitney J58, but shutting off the turbine at higher speeds. It would be integrated in an axisymmetric annular layout with a single intake and nozzle, and a bypass duct around the turbine engine to a combination afterburner/ramjet at the rear. It would need advanced cooling technology like the heat exchanger developed by Reaction Engines, maybe using liquid methane and/or jet fuel.[67]

Cruising at 90,000–95,000 feet (27,000–29,000 m) makes depressurisation a higher risk. Mach 5 was chosen as the limit achievable with available technology. It would have a high capacity utilization, being able to cross the Atlantic four or five times a day, up from a possible twice a day with the Concorde.[68]

See also[edit]

  • Supercruise

References[edit]

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