Wiedza i Życie 09/2010
W numerze m.in.:
Botanika
GMO dla opornych; Magdalena Czemplik 
Botanika
Kartoflana epopeja; Izabela Tańska 
Geografia
Lodowy labirynt; Andrzej Hołdys 
Ewolucja
Barwy ochronne; Witold Ferens 
Historia turystyki
Od pasterskich bud do schronisk; Michał Woźniak 
Medycyna
Oswojenie mordercy; Dorota Wrońska
Rozmowa z Gene'em Kranzem, legendarnym dyrektorem kontroli lotów kosmicznych w NASA. Gene Kranz  pełnił kluczową rolę w amerykańskim programie załogowych lotów kosmicznych, w którym uczestniczył od...
Z tekstów o historii turystyki górskiej w Polsceprzeważnie dowiadujemy się wiele o kulturotwórczej roli Tatr i Beskidów lub dziejach schronisk i szlaków turystycznych w Karpatach. Niewiele zaś - lub wcale...
Szukali go Brytyjczycy, ale poszczęściło się dopiero Norwegowi. Dziś jednak za jego jedynych właścicieli uważają się Kanadyjczycy. Przejście Północno-Zachodnie, teraz stopniowo odblokowywane przez lód, od wieków fascynowało ludzi.
Od kilkunastu lat toczą się dyskusje na temat organizmów zmodyfikowanych genetycznie(GMO, ang. genetically modified organisms). Opinie płyną z ust zarówno naukowców, dziennikarzy, jak i polityków. Na podstawie tych...
Aktualne numery
06/2017
05/2017
Kalendarium
Maj
24
W 1844 r. Samuel Morse przesłał z Waszyngtonu do Baltimore pierwszą w historii wiadomość własnej konstrukcji telegrafem elektrycznym.
Warto przeczytać
Mechanika kwantowa jest piękną, precyzyjną i logiczną konstrukcją matematyczną, doskonale opisująca Naturę. Z tym że właściwie nikt nie wie, jak należy ją rozumieć.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Marcin Bójko | dodano: 2012-05-28
Marzenia o superprędkości

Concord – jedyny naddźwiękowy samolot pasażerski, jaki obsługiwał regularne połączenia – zasługiwał z pewnością na krytykę: był głośny, paliwożerny, niezbyt ładowny i miał mały zasięg. Ale mimo to był ozdobą każdego lotniska, na którym się pojawił. No i był szybki. Przelatywał przez Atlantyk z prędkością kuli karabinowej. Co prawda bilet z Londynu do Nowego Jorku kosztował dziesięć razy tyle, ile trzeba było wydać na podróż trzy razy wolniejszym Boeingiem 747, ale chętnych nie brakowało.

Mimo to operatorzy Concorde’a – British Airways i Air France – w październiku 2003 roku zdecydowali się odesłać ten samolot na emeryturę po 27 latach służby. Wydawało się, że to koniec ery pasażerskich lotów naddźwiękowych. Być może superszybkie maszyny powrócą jednak w przestworza. Japońscy inżynierowie z Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) w lipcu tego roku zaprosili do współpracy francuskich kolegów, a rządy Japonii i Francji zobowiązały się do finansowania prac, choć na razie wspierają je raczej skromną kwotą – w sumie niecałe 4 mln dolarów rocznie – co pozwoli jedynie na prace koncepcyjne. Zbudowanie „prawdziwego” latającego prototypu to już wydatek rzędu miliardów dolarów.

Mission Impossible

Zadanie, jakie stoi przed francusko-japońskim zespołem inżynierów, jest niezwykle trudne. Do 2020 roku mają zbudować samolot, który będzie przewozić 300 pasażerów dwa-trzy razy szybciej od dźwięku na odległość 10-12 tys. km. A przy tym ma hałasować nie bardziej niż Jumbo Jety. Spełnienie tych wymogów to wyzwanie, z którym nie poradziła sobie firma Boeing. Ten lotniczy gigant na przełomie lat 60. i 70. ubiegłego wieku wygrał kontrakt rządu Stanów Zjednoczonych na budowę samolotu naddźwiękowego. W tamtych czasach tylko trzy inne kraje konstruowały takie maszyny: Wielka Brytania do spółki z Francją i Rosja. Rosjanie jako pierwsi pokazali latający prototyp, bez żenady kopiując część dokumentacji technicznej francusko-brytyjskiego projektu Concorde.

Jednak Tu-144 nigdy nie latał regularnie, jako że rosyjscy inżynierowie popełnili kilka poważnych błędów konstrukcyjnych. Największym było umieszczenie wszystkich czterech silników obok siebie pod kadłubem. Zgaśnięcie tylko jednego z nich powodowało takie zawirowania powietrza wokół gondoli silnikowej, że gasły także pozostałe jednostki napędowe. Ta wada była główną przyczyną najgłośniejszej katastrofy Tu-144 – w czasie pokazów lotniczych w podparyskim Le Bourget w 1973 roku.

Amerykańska konstrukcja – Boeing 2707 – nigdy nie wzbiła się w powietrze. Główną przyczyną były zbyt wybujałe ambicje Amerykanów. W 1963 roku prezydent Kennedy wezwał firmy lotnicze do zbudowania pasażerskiego naddźwiękowca transportującego 300 osób z prędkością co najmniej 3 Ma. Brzmi znajomo, prawda? Tyle że 30 lat temu konstrukcja takiego samolotu była praktycznie niemożliwa.

Z przyczyn technicznych

Naddźwiękowa maszyna musi być jak najsmuklejsza i mieć małe skrzydła, bo duże przy prędkości rzędu 3 Ma stawiałyby zbyt wielki opór. Takie skrzydła, choć podczas lotu wytwarzają wystarczającą siłę nośną, są poważnym kłopotem w czasie startu i lądowania.
Wtedy prędkość jest stosunkowo mała, zatem siła nośna zdolna do poderwania (nielekkiej) konstrukcji w powietrze musi być duża.
Rozmiary to kolejny problem. Gdzieś trzeba przecież zmieścić nie tylko 300 pasażerów, ale i olbrzymią ilość paliwa niezbędną do zapewnienia siły ciągu wystarczającej do pokonywania oporu powietrza przy dużych prędkościach

Trzeba też poradzić sobie z tym, że od tarcia o powietrze samolot rozgrzewa się i mimo że na dużych wysokościach temperatura powietrza to zaledwie -60°C, trzeba go chłodzić w czasie lotu. I wreszcie najtrudniejsze wyzwanie – ogłuszający, przypominający grzmot pioruna hałas, jaki ciągnie się za naddźwiękową maszyną. Z tego zresztą powodu Concorde nie mógł szybko latać nad lądem, a tylko nad pustymi przestworzami oceanu.

Oczywiście istnieją samoloty poruszające się z prędkościami większymi od dźwięku. Rekordzistą wśród seryjnie produkowanych maszyn jest SR71 Blackbird, przy czym „seryjnie produkowany” oznacza w tym przypadku 32 sztuki (to i tak więcej niż Concorde’ów, których powstało raptem 20). Ten szpiegowski samolot potrafi lecieć z prędkością ok. 3,5 Ma. Na podstawie jego konstrukcji z pewnością nie powstanie jednak żaden „liniowiec”.

Dlaczego? Po pierwsze, by poradzić sobie z rozgrzewającym się do przeszło 400°C poszyciem samolotu, a więc także z problemem rozszerzającej się blachy, kadłub Blackbirda zbudowano z „luźnych” płatów metalu, które dopiero po rozgrzaniu zaczynają do siebie pasować. Wcześniej są ze sobą połączone tak luźno, że… po zatankowaniu paliwo wycieka na pas startowy. Samolot musi po starcie zrobić szybką rozgrzewkę, by uszczelnić zbiorniki, po czym jest dotankowywany z latającej cysterny. W tym kontekście fakt, że Blackbird zabiera na pokład tylko dwie osoby, jest mało istotny, bo o ile wojsko może pozwolić sobie na luksus latania „przeciekającym” samolotem, o tyle trudno sobie wyobrazić dotankowywanie w powietrzu setek pasażerskich maszyn czy obsługę naziemną takiego dziwoląga.

To właśnie rozgrzewające się poszycie sprawiło, że Concorde rozwijał prędkość tylko 2 Ma. Wtedy kadłub „ocieplał się” zaledwie do temperatury 100°C. Zarówno w przypadku Concorde’a, jak i SR71 nader oryginalnie rozwiązano kwestię chłodzenia. Funkcję płynu chłodniczego pełni bowiem... paliwo. Przed skierowaniem do silników nafta przepompowywana jest przez system rurek pod poszyciem samolotu i odbiera nadmiar ciepła. Strach pomyśleć, co by się stało, gdyby kadłub rozgrzał się ciut za bardzo.

Jak chcą chłodzić swoją maszynę inżynierowie z JAXA? Trudno powiedzieć, ale dziś mają do dyspozycji materiały, jakich nie było 40 lat temu. Choćby te opracowane na potrzeby promów kosmicznych. Ich poszycie pochłania ciepło i wypromieniowuje je w postaci światła widzialnego tak efektywnie, że cegiełka takiego materiału wygląda jak rozgrzana do czerwoności, choć w rzeczywistości można ją trzymać w dłoni.

Nieubłagany postęp

Przez 40 lat niektóre z problemów konstrukcyjnych rozwiązały się same. Np. charakterystyczny dla Concorde­’ów załamywany dziób. Jego konstrukcja wymuszona była względami aerodynamicznymi. Samolot naddźwiękowy musi mieć dziób ostry jak igła. Zarazem jednak jego skrzydła nie mogą mieć dużej siły nośnej. Dlatego przy starcie i lądowaniu taka maszyna musi mieć duży kąt natarcia. Tyle że w takiej sytuacji ostry dziób zasłania pilotom widok na pas startowy. W latach 60. XX wieku jedynym rozwiązaniem było stworzenie konstrukcji, która na czas lądowania i startu opuszczałaby dziób, a podnosiła go, gdy samolot rozwinie dużą prędkość.

Dziś wystarczy zainstalować kamery, które będą pokazywały pilotom pas startowy na monitorach. To od ręki pozwala zaoszczędzić kilkaset kilogramów na mechanizmie opuszczania dzioba. Zamiast tego można zainwestować w zmienną geometrię skrzydeł. Taki rodzaj skrzydeł przez długi czas zakładał właśnie zarzucony projekt Boeinga. To rozwiązywało kłopoty z niedoborem siły nośnej w czasie startu. Po prostu przy niskich prędkościach samolot rozkłada skrzydła, zwiększając ich powierzchnię. Start i lądowanie może w takich przypadkach odbywać się przy mniejszej prędkości, co powoduje mniejsze zużycie paliwa i – co równie ważne – mniejszy hałas.

Sama konstrukcja też może być dziś o wiele lżejsza. Samoloty pasażerskie buduje się bowiem nie z metalu, tylko z kompozytów węglowych, pierwotnie stosowanych w szybowcach. Japończycy na potrzeby swojej maszyny opracowali wytrzymałe na wysoką temperaturę żywice do kompozytów i specjalne trójwymiarowe sploty włókien węglowych zwiększające wytrzymałość materiału.

Nie do przecenienia jest fakt, że inżynierowie dysponują dziś superkomputerami, dzięki którym mogą przetestować wiele pomysłów bez potrzeby budowania modeli. Dopiero ostateczną wersję weryfikuje się „w naturze”. Jeden z takich „prawdziwych” testów sprawdzających aerodynamikę przyszłego naddźwiękowca Japończycy przeprowadzili 10 października. Przyczepiony do rakiety model wykonał krótki lot z prędkością 2 Ma.

Tłumik na machy
Jednym z najpoważniejszych wyzwań, z jakimi przyjdzie zmierzyć się konstruktorom pasażerskiego samolotu naddźwiękowego, pozostaje problem hałasu. W zwykłym samolocie hałas rozkłada się na dźwięk słyszany przed samolotem i za nim. W naddźwiękowym, z grubsza rzecz ujmując, cały hałas związany z przeciskaniem się samolotu przez powietrze słyszymy w jednej chwili. Taki dźwięk przypomina grzmot i z reguły nieprzyjemnie zaskakuje, a słychać go w pasie o szerokości 50-100 km pod lecącym samolotem.

Loty eksperymentalne prowadzone w USA i Europie wywołały tyle protestów, że pasażerskie samoloty naddźwiękowe dostały zakaz przekraczania prędkości 1 Ma nad terytoriami zamieszkanymi. A że zarówno w Europie, jak i w Stanach praktycznie niemożliwe jest wytyczenie 50-km w miarę prostego pasa, w którym nikt nie mieszka, Concorde mógł być naddźwiękowy tylko nad wodą, co drastycznie ograniczało jego przydatność.

W latach 70. XX wieku wydawało się, że na grzmot naddźwiękowy nie ma mocnych i inżynierowie poddali się walkowerem. Okazuje się jednak, że umiejętne zaprojektowanie samolotu może ten efekt zminimalizować. W zeszłym roku NASA przeprowadziła testy nowego modelu F-5E. Zmodyfikowanie kształtu dzioba sprawiło, że naddźwiękowy grzmot był znacznie cichszy niż w przypadku zwykłego F-5E. Zachęceni sukcesem inżynierowie z NASA kontynuują prace.

W lipcu cztery zespoły, związane z takimi tuzami rynku lotniczego jak Raytheon, Boe­ing’s, Lockheed Martin czy Northrop Grumman, dostały od NASA po milionie dolarów na badania mające na celu zmniejszenie grzmotu naddźwiękowego. Czy odniosą sukces, zobaczymy zapewne wkrótce.

Małe też może być szybkie (i piękne)

Specjaliści oceniają, że w 2020 roku na świecie będzie zapotrzebowanie na setkę superszybkich samolotów pasażerskich. Trudno powiedzieć, czy japońsko-francuskiemu zespołowi uda się skonstruować maszynę spełniającą wymagania Kennedy’ego. Kluczem będzie oczywiście cena biletu, a trudno być optymistą w czasach, gdy ropa naftowa drożeje w zawrotnym tempie. Znalezienie 300 bogaczy chcących lecieć w tym samym kierunku może okazać się niewykonalne. Ale znalezienie kilku milionerów gotowych zapłacić za luksus przelotu z Nowego Jorku do Londynu w dwie godziny wcale nie jest takie trudne.

Stąd większość producentów lotniczych myśli po cichu o skromniejszej konstrukcji – dziesięciomiejscowym samolocie naddźwiękowym. Zadanie jest prostsze, bo takie firmy jak Northrop Grumman czy Dassault potrafią już budować wojskowe naddźwiękowe maszyny zabierające kilka ton ładunku na odległość ok. 5 tys. km. Takie doświadczenia na niewiele zdadzą się przy budowie 300-miejscowego liniowca, ale można je z powodzeniem wykorzystać w konstruowaniu małej awionetki.

Czas pokaże, czy naddźwiękowe loty będą wyłącznie rozrywką milionerów, czy też staną się dostępne dla turystów, którzy obecnie muszą godzinami tłoczyć się na pokładzie upchnięci niczym sardynki. Najważniejsze jest to, że wraz z Concorde’em nie umarły marzenia o superszybkich samolotach pasażerskich. Pozostaje trzymać kciuki za konstruktorów, byśmy mogli podróżować szybciej niż dźwięk i dotrzeć z Warszawy do Tokio, zanim ścierpną nam nogi.

(fot. James Gordon/Wikipedia)