Transporte supersónico
Un transporte supersónico (SST) o un avión de pasajeros supersónico es un avión civil supersónico diseñado para transportar pasajeros a velocidades superiores a la velocidad de sonido. Hasta la fecha, los únicos SST que han tenido un 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 la NASA lo realizó por última vez en 1999. El último vuelo comercial de Concorde fue en octubre de 2003, siendo un vuelo en ferry el 26 de noviembre de 2003 su última operación aérea. Tras el cese permanente de los vuelos de Concorde, no quedan SST en servicio comercial. Varias compañías han propuesto cada una un avión de negocios supersónico, que puede traer de vuelta el transporte supersónico.
Los aviones 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 los estampidos sónicos durante el vuelo), los altos costos de desarrollo, los materiales de construcción caros, el alto consumo de combustible, las emisiones extremadamente altas y un mayor costo por asiento en comparación con los aviones subsónicos. A pesar de estos desafíos, Concorde afirmó que operaba de manera rentable.
Historia
Planificación
A lo largo de la década de 1950, una SST parecía posible desde un punto de vista técnico, pero no estaba claro si sería económicamente viable. Debido a las diferencias en la generación de sustentación, las aeronaves que operan a velocidades supersónicas tienen aproximadamente la mitad de la relación sustentación-arrastre de las aeronaves subsónicas. Esto implica que para cualquier cantidad requerida de sustentación, la aeronave tendrá que proporcionar aproximadamente el doble de empuje, lo que generará 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. Este aumento en el uso de combustible se vio compensado por el potencial de aumentar en gran medida las tasas de salida 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 de 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 la primera generación de aviones de combate supersónicos estaba entrando en servicio. En Gran Bretaña y Francia, los programas SST subvencionados por el gobierno se establecieron 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 Mach 1.6 de ala doble conopial y Mach 1.2 de ala delta 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. A principios de la década de 1960, los diseños habían progresado hasta el punto en que se dio el visto bueno para la producción, pero los costos eran tan altos que 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 de EE. UU. le decían al público y al Congreso de EE. UU. que no había motivos técnicos por los que no se pudiera producir un SST. En abril de 1960, Burt C Monesmith, vicepresidente de Lockheed, declaró a varias revistas que un SST construido 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.. Pero fue el desarrollo anglo-francés del Concorde lo que desató el pánico en la industria estadounidense, donde se pensó que el Concorde pronto reemplazaría a todos los demás diseños de largo alcance, especialmente después de que Pan Am sacó las opciones de compra del 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 fue seleccionado para continuar el trabajo, con objetivos de diseño de transportar alrededor de 300 pasajeros y tener una velocidad de crucero cercana a Mach 3. La Unión Soviética se dispuso a producir su propio diseño, el Tu-144, que la prensa occidental apodó el "Concordski".
Preocupaciones ambientales
El SST fue visto como particularmente ofensivo debido a su estampido sónico y el potencial de los gases de escape de su motor para dañar la capa de ozono. Ambos problemas afectaron el pensamiento de los legisladores y, finalmente, el Congreso retiró los fondos para el programa SST de EE. UU. en marzo de 1971 y se prohibieron todos los vuelos supersónicos comerciales terrestres en EE. UU. El asesor presidencial Russell Train advirtió que una flota de 500 SST volando a 20 km (65 000 pies) durante un período de años podría aumentar el contenido de agua estratosférica entre un 50 % y un 100 %. Según Train, esto podría provocar un mayor calor a nivel del suelo y dificultar la formación de ozono. En relación con el agua estratosférica y su potencial para aumentar la temperatura del suelo, aunque no se menciona 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 el vapor de agua estratosférico los niveles en las décadas de 1980 y 1990 fueron más altos que los de la década de 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 superficiales debido al calentamiento global en aproximadamente un 25 % en comparación con la tasa de calentamiento en la década de 1990. Sin embargo, la otra preocupación de Russell Train, el agua y el ozono, fue contrarrestada por Fred Singer en una carta a la revista Nature en 1971, "lo que molestó a quienes afirmaban que los transportes supersónicos podrían seriamente afectar el ozono estratosférico".
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 un equipo del MIT encargado por el Departamento de Transporte de los Estados Unidos. Sin embargo, mientras muchos modelos puramente teóricos indicaban el potencial de grandes pérdidas de ozono a partir de los óxidos de nitrógeno (NOx) de la SST, otros científicos en el artículo "Óxidos de nitrógeno, pruebas de armas nucleares, Concorde y ozono estratosférico " recurrió al monitoreo histórico del ozono y las pruebas nucleares atmosféricas para que sirvieran como guía y medio de comparación, observando que no se evidenció una pérdida detectable de ozono de aproximadamente 213 megatones de energía explosiva liberada en 1962, por lo tanto, la cantidad equivalente de NOx de "1047" Los Concordes que vuelan '10 horas al día' tampoco tendrían precedentes. En 1981, los modelos y las observaciones eran todavía irreconciliables. Modelos informáticos 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 mucho, 'no más' del 1 al 2% si se operara una flota de 500 aviones supersónicos. 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 impedimento para el desarrollo avanzado de SST" porque ""eliminar el azufre en el combustible del [Concorde]" esencialmente eliminaría la hipotética ruta de reacción de destrucción de ozono del 1% al 2%.
Concordia
A pesar de la discrepancia entre la observación del modelo y la preocupación por el ozono, a mediados de la década de 1970, seis años después de su primer vuelo de prueba supersónico, el 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. Se permitió que el avión ingresara a Washington, D.C. (en Dulles, Virginia), y el servicio fue tan popular que los neoyorquinos pronto se quejaron porque no lo tenían. No pasó mucho tiempo antes de que el Concorde volara hacia el JFK.
Junto con las cambiantes consideraciones políticas, 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 los estudios con el 2707 como línea de base.
En ese momento, la economía de los conceptos anteriores de SST ya no era razonable. Cuando se diseñaron por primera vez, los SST se concibieron para competir 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, con cuatro veces esa capacidad, las ventajas de velocidad y combustible del concepto SST fueron quitado por el tamaño puro.
Otro problema fue que la amplia gama de velocidades en las que opera un SST dificulta la mejora de los motores. Si bien los motores subsónicos lograron grandes avances en el aumento de la eficiencia durante la década de 1960 con la introducción del motor turboventilador con relaciones de derivación cada vez mayores, el concepto de ventilador es difícil de usar a velocidades supersónicas donde el "adecuado" el bypass es de aproximadamente 0,45, a diferencia de 2,0 o superior para los diseños subsónicos. Por ambas razones, los diseños de SST estaban condenados por costos operativos más altos y los programas AST desaparecieron a principios de la década de 1980.
Rentabilidad
El Concorde solo se vendió a British Airways y Air France, con compras subsidiadas que debían devolver el 80% de las ganancias al gobierno. En la práctica, durante casi toda la duración del acuerdo, no hubo ganancias para compartir. Después de la privatización de Concorde, las medidas de reducción de costos (en particular, el cierre del sitio de prueba de alas metalúrgicas que había realizado suficientes ciclos de temperatura para validar el avión hasta 2010) y el aumento de los precios de los boletos generaron ganancias sustanciales.
Desde que Concorde dejó de volar, se ha revelado que durante la vida de Concorde, el avión demostró ser rentable, al menos para British Airways. Los costos operativos del Concorde durante casi 28 años de operación fueron de aproximadamente £1,000 millones, con ingresos de £1,750 millones.
Vuelos finales
El 25 de julio de 2000, el vuelo 4590 de Air France se estrelló poco después del despegue y murieron los 109 ocupantes y cuatro en tierra; el único incidente fatal que involucra a Concorde. El servicio comercial se suspendió hasta noviembre de 2001 y los aviones Concorde se retiraron en 2003 después de 27 años de operaciones comerciales.
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 p. m.: el vuelo 002 de Nueva York, un segundo vuelo de Edimburgo, Escocia, y el tercero que había despegado de Heathrow el un vuelo circular sobre el Golfo de Vizcaya.
A finales del siglo XX, proyectos como 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) superó 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). Este es el primer vuelo supersónico de un avión civil.
Concordia
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 el F-BVFD (cn 211), estacionado como fuente de repuestos en 1982 y desguazado en 1994, y el 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 volar; 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 el aire, la fuerza de arrastre es proporcional al coeficiente de arrastre (Cd), al cuadrado de la velocidad aerodinámica y al aire densidad. Dado que la resistencia aumenta rápidamente con la velocidad, una prioridad clave del diseño de aeronaves supersónicas es minimizar esta fuerza al reducir el coeficiente de resistencia. Esto da lugar a las formas altamente aerodinámicas de los SST. Hasta cierto punto, los aviones supersónicos también manejan la resistencia al volar a altitudes más altas 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 del arrastre de onda. Esta es una poderosa forma de arrastre que comienza a velocidades transónicas (alrededor de Mach 0,88). Alrededor de Mach 1, el coeficiente máximo de resistencia es cuatro veces mayor que el de la resistencia subsónica. 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 requieren los aviones subsónicos para superar esta resistencia de onda, 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 sustentación/resistencia (relación L/D) de las alas. A velocidades supersónicas, los perfiles aerodinámicos 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 para diseñar formas en planta de alas para cruceros supersónicos sostenidos. Aproximadamente a Mach 2, un diseño de ala típico reducirá su relación L/D a la mitad (por ejemplo, el Concorde logró una relación de 7,14, mientras que el Boeing 747 subsónico tiene una relación L/D de 17). 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 aerodinámica 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 de 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 Aérospatiale–BAC estaba diseñando el Concorde, los motores a reacción de derivación alta (motores "turbofan") aún no se habían instalado en aviones subsónicos. Si el Concorde hubiera entrado en servicio frente a 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 entraron en servicio comercial en la década de 1960, los motores a reacción subsónicos se volvieron inmediatamente mucho más eficientes, más cerca de la eficiencia de los turborreactores a velocidades supersónicas. Una de las principales ventajas de la SST desapareció.
Los motores turboventiladores mejoran la eficiencia al aumentar la cantidad de aire frío a baja presión que aceleran, usando parte de la energía que normalmente se usa para acelerar el aire caliente en el clásico turborreactor sin derivación. La máxima expresión de este diseño es el turbopropulsor, 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 desvío que maximiza la eficiencia general del motor es una función de la velocidad de avance, que disminuye desde las hélices hasta los ventiladores, hasta no desviarse 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 los aviones subsónicos.
Por ejemplo, los primeros Tu-144S estaban equipados con un motor turboventilador de derivación baja que era mucho menos eficiente que los turborreactores del Concorde en vuelo supersónico. El último TU-144D presentaba motores turborreactores con una eficiencia comparable. Estas limitaciones significaron que los diseños SST no pudieron aprovechar las mejoras dramáticas en la economía de combustible que los motores de derivación alta trajeron al mercado subsónico, pero ya eran más eficientes que sus contrapartes turbofan subsónicas.
Cuestiones estructurales
Las velocidades de los vehículos supersónicos 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 el de 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 de Concorde es más de tres veces mayor que el de un Boeing 747.
El Concorde y el TU-144 se construyeron con aluminio convencional: el Concorde de Hiduminium y el TU-144 de duraluminio. Sin embargo, los materiales más modernos, como la fibra de carbono y el Kevlar, tienen una tensión mucho más fuerte por su peso (importante para lidiar con las tensiones de presurización), además de ser más rígidos. Como el peso por asiento de la estructura es mucho más alto en un diseño SST, cualquier mejora conducirá a un mayor porcentaje de mejora que los mismos cambios en un avión subsónico.
Altos costos
| Aviones | Concorde | Boeing 747-400 |
|---|---|---|
| Miles de pasajeros / galón imperial | 17 | 109 |
| Miles de pasajeros / galón de EE.UU. | 14 | 91 |
| Litres/passenger 100 km | 16.6 | 3.1 |
Los costos de combustible más altos y la capacidad de pasajeros más baja 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 representan la mayor parte del precio de la mayoría de los boletos de pasajeros de aviones subsónicos. Para el mercado comercial transatlántico para el que se utilizaron los aviones SST, Concorde fue realmente muy exitoso y pudo mantener un precio de boleto más alto. Ahora que los aviones comerciales SST han dejado de volar, se ha vuelto más claro que el Concorde obtuvo ganancias sustanciales para British Airways.
Ruido de despegue
Las velocidades extremas de los jets utilizadas durante el despegue hicieron que los Concorde y los Tu-144 produjeran un ruido de despegue significativo. Las comunidades cercanas al aeropuerto se vieron afectadas por los altos niveles de ruido de los motores, lo que provocó que algunos reguladores desaprobaran la práctica. 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, particularmente a bajas velocidades/altitudes y en el despegue.
Por lo tanto, un futuro SST bien podría beneficiarse de un motor de ciclo variable, en el que el empuje específico (y, por lo tanto, la velocidad y el ruido del chorro) es bajo en el despegue, pero se fuerza a un nivel alto durante el crucero supersónico. La transición entre los dos modos ocurriría en algún punto durante el ascenso y viceversa durante el descenso (para minimizar el ruido del jet al acercarse). La dificultad es 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 sónico
No se pensó que el estampido sónico fuera un problema grave debido a las grandes altitudes a las que volaban los aviones, pero los experimentos de mediados de la década de 1960, como las controvertidas pruebas del estampido sónico de Oklahoma City y los estudios de la USAF North American XB-70 Valkyrie demostró lo contrario (ver Sonic boom § Reducción). En 1964, no estaba claro si los aviones supersónicos civiles tendrían licencia debido al problema.
La molestia de un estampido sónico 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 deficientes 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.
El Concorde tenía una sobrepresión de 1,94 lb/pie cuadrado (93 Pa) (133 dBA SPL). Las sobrepresiones superiores a 1,5 lb/pie cuadrado (72 Pa) (131 dBA SPL) a menudo causan quejas.
Si se puede reducir la intensidad del boom, entonces esto puede hacer que incluso los diseños muy grandes de aeronaves supersónicas sean aceptables para vuelos terrestres. La investigación sugiere que los cambios en el cono de la nariz y la cola pueden reducir la intensidad del estampido sónico por debajo de lo necesario para causar quejas. Durante los esfuerzos originales de SST en la década de 1960, se sugirió que la conformación cuidadosa del fuselaje de la aeronave podría reducir la intensidad de las ondas de choque del estampido sónico que llegan al suelo. Un diseño hizo que las ondas de choque interfirieran entre sí, reduciendo en gran medida el estampido sónico. Esto fue difícil de probar en ese momento, pero el creciente poder 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 boom a aproximadamente la mitad. Incluso alargar el vehículo (sin aumentar significativamente el peso) parecería reducir la intensidad del boom (ver Sonic boom § Disminución).
Cuando se trata de políticas públicas, por ejemplo, la FAA prohíbe que los aviones comerciales vuelen a velocidades supersónicas sobre tierras soberanas gobernadas por los Estados Unidos debido al impacto negativo que el estampido sónico tiene sobre las poblaciones humanas y animales que se encuentran debajo.
Necesidad de operar aeronaves en un amplio rango de velocidades
El diseño aerodinámico de un avión supersónico debe cambiar con su velocidad para lograr un rendimiento óptimo. Por lo tanto, un SST idealmente cambiaría de forma durante el vuelo para mantener un rendimiento óptimo tanto a velocidades subsónicas como supersónicas. Tal diseño introduciría una complejidad que aumenta las necesidades de mantenimiento, los costos de operación y las preocupaciones de seguridad.
En la práctica, todos los transportes supersónicos han usado 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 sustentación/resistencia de alrededor de 4) a baja velocidad, pero viajó a alta velocidad durante la mayor parte del vuelo. Los diseñadores del Concorde dedicaron 5000 horas a optimizar la forma del vehículo en las pruebas del túnel de viento para maximizar el rendimiento general en todo el plan de vuelo.
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 finalmente 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 altos números de Mach, pudieron aprovechar la sustentación 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 que tiene delante. El aumento de la temperatura del aire calienta el avión.
Los aviones subsónicos suelen estar hechos de aluminio. Sin embargo, el aluminio, aunque ligero y fuerte, no puede soportar temperaturas muy por encima de los 127 °C; por encima de los 127 °C, el aluminio pierde gradualmente las propiedades que le otorgaba el endurecimiento por envejecimiento. Para los aviones 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 coste considerable, ya que las propiedades de estos Los materiales hacen que el avión sea mucho más difícil de fabricar.
En 2017, se descubrió un nuevo material de revestimiento cerámico de carburo que podía resistir temperaturas de Mach 5 o superiores, quizás hasta 3000 °C.
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 de elevación/arrastre supersónicas, limita en gran medida el rango de transportes supersónicos. Debido a que las rutas de larga distancia no eran una opción viable, las aerolíneas tenían poco interés en comprar aviones.
Indeseabilidad de las aerolíneas con respecto a los SST
Las aerolíneas compran aviones como una forma de ganar dinero y desean obtener el mayor retorno posible de la inversión 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 aeronaves más rápidas puede brindarle a una aerolínea una ventaja competitiva, incluso en la medida en que muchos clientes estén dispuestos a pagar tarifas más altas por el beneficio de ahorrar tiempo y dinero. /o llegar antes. 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 hacer un viaje de ida y vuelta por día, por lo que la velocidad adicional no era una ventaja para la aerolínea más que como una característica de venta. a sus clientes. 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 un SST Mach 3 sería menos de tres veces más rápido que un viaje Mach 1.
Dado que los SST producen estampidos sónicos a velocidades supersónicas, rara vez se les permite volar supersónicos sobre la tierra y, en su lugar, deben volar supersónicos sobre el mar. Dado que son ineficaces a velocidades subsónicas en comparación con las aeronaves subsónicas, el alcance se deteriora y se reduce el número de rutas que la aeronave puede volar sin escalas. Esto también reduce la conveniencia de tales aeronaves para la mayoría de las líneas aéreas.
Los aviones supersónicos consumen más combustible por pasajero que los aviones subsónicos; esto hace que el precio del boleto sea necesariamente más alto, siendo iguales todos los demás factores, 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).
La inversión en trabajo de investigación y desarrollo para diseñar un nuevo SST se puede considerar como un esfuerzo para superar el límite de velocidad del transporte aéreo. En general, además de la necesidad 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. Un ejemplo de este fenómeno es el tren de alta velocidad. El límite de velocidad del transporte ferroviario se había empujado tanto para permitirle competir efectivamente con el transporte por carretera y aéreo. Pero este logro no se hizo para que diferentes empresas operadoras de ferrocarril compitieran entre sí. Este fenómeno también reduce la conveniencia de las líneas aéreas de 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 costos y aumentar la calidad del servicio que pagar mucho más por un aumento de velocidad. Además, las empresas con fines de lucro generalmente prefieren planes de negocios de bajo riesgo con altas probabilidades de ganancias apreciables, pero un programa costoso de investigación y desarrollo tecnológico de vanguardia es una empresa de alto riesgo, ya que es posible que el programa fracase por razones técnicas imprevisibles. o se enfrentará a sobrecostos tan grandes que obligará 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 causar la pérdida potencial de toda la inversión.
Impacto ambiental
El Consejo Internacional de Transporte Limpio (ICCT, por sus siglas en inglés) estima que un SST quemaría de 5 a 7 veces más combustible por pasajero. El ICCT muestra que un vuelo supersónico de Nueva York a Londres consumiría más del doble de combustible por pasajero que en clase ejecutiva subsónica, seis veces más que en clase económica y tres veces más que en clase económica subsónica de Los Ángeles a Sídney.. Los diseñadores pueden cumplir con los estándares ambientales existentes con tecnología avanzada o presionar a los legisladores para que establezcan nuevos estándares para las SST.
Si hubiera 2000 SST en 2035, habría 5000 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 juntas en 2017), 1,6 a 2,4 gigatoneladas de CO₂ durante su vida útil de 25 años: una quinta parte del presupuesto de carbono de la aviación internacional si la aviación mantiene su cuota de emisiones para mantenerse por debajo de una trayectoria climática de 1,5 °C. 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. Se escucharían estampidos sónicos frecuentes en Canadá, Alemania, Irak, Irlanda, Israel, Rumania, Turquía y partes de los Estados Unidos, hasta 150-200 por día o uno cada cinco minutos.
En desarrollo
El deseo de un avión supersónico de segunda generación ha permanecido dentro de algunos elementos de la industria de la aviación y han surgido varios conceptos desde el retiro del Concorde.
En marzo de 2016, Boom Technology reveló que se encuentra en las fases de desarrollo de la construcción de un avión supersónico para 40 pasajeros capaz de volar Mach 1.7, afirmando que la simulación de diseño muestra que será más silencioso y un 30 % más eficiente que el Concorde. y podrá volar de Los Ángeles a Sydney en 6 horas. Está previsto que entre en servicio en 2029.
Para su viabilidad económica, la investigación de la NASA desde 2006 se ha centrado en reducir el estampido sónico para permitir el vuelo supersónico sobre la tierra. En 2016, la NASA anunció que había firmado un contrato para el diseño de un prototipo moderno de SST de bajo ruido. El equipo de diseño está dirigido por Lockheed Martin Aeronautics. La NASA debería volar un demostrador de brazo bajo en 2019, reducido de golpes dobles a golpes suaves mediante la configuración del fuselaje, 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-59 QueSST X de Lockheed Martin imitará la firma de ondas de choque de un avión comercial Mach 1.6 a 1.8, de 80 a 100 asientos por 75 PNLdB en comparación con 105 PNLdB para Concorde.
El mercado de aviones supersónicos que cuestan $200 millones podría ser de 1300 en un período de 10 años, con un valor de $260 mil millones. El desarrollo y la certificación es probablemente una operación de $ 4 mil millones.
El TsAGI exhibió en el Salón Aeronáutico MAKS 2017 en Moscú un modelo a escala de su Supersonic Business Jet/Commercial Jet que debería producir un estampido sónico bajo que permita un vuelo supersónico sobre tierra, optimizado para 2100 km/h (1300 mph) de crucero y Alcance de 7400 a 8600 km (4600 a 5300 mi). La investigación científica tiene como objetivo optimizar tanto para velocidades transónicas Mach 0.8-0.9 como supersónicas Mach 1.5-2.0, 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.
En la convención de la NBAA de octubre de 2017 en Las Vegas, con la NASA apoyando solo la investigación, varias empresas enfrentaron desafíos de ingeniería para proponer aeronaves sin motor disponible, velocidades máximas variables y modelos operativos:
- Boom XB-1 Baby Los testbed de tercera escala de Boom deberían volar en 2018 ya que la planta de energía se selecciona para un aerolineador de trijet de 45/55 asientos que llega a Mach 2.2 sobre el agua para 9.000 nmi (17.000 km; 10.000 mi) con una parada para una tarifa de clase empresarial. A fin de 2023 entregas, recibió 10 compromisos de Virgin y 15 de una aerolínea europea no revelada en 2016, totalizando 76 de cinco aerolíneas para junio de 2017;
- El Spike S-512 es un diseño de gemelo autofinanciado destinado a navegar en Mach 1.6 sobre el agua para 6.200 nmi (11.500 km; 7.100 mi) con 22 pasajeros en una cabina sin ventanas, con motores de 20.000 lbf (89 kN). Un modelo de escala SX-1.2 debería haber hecho su vuelo de soltera en septiembre de 2017 antes de un testbed tripulado en 2019 y el prototipo en 2021, con disponibilidad de mercado para 2023.
| Modelo | Pasajeros | Crucero | Rango (nmi) | MTOW | Total Thrust | Trono/peso |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tupolev Tu-144 | 150 | Mach 2.0 | 3.500 nmi (6.500 km) | 207 t (456.000 lb) | 960 kN (216.000 lbf) | 0.44 |
| Concorde | 120 | Mach 2.02 | 3.900 nmi (7.200 km) | 185 t (408.000 lb) | 676 kN (152.000 lbf) | 0.37 |
| Boom Technology Overture | 55 | Mach 1.7 | 4.250 nmi (7.870 km) | 77.1 t (170,000 lb) | 200–270 kN (45.000–60.000 libras) | 0,26–0,35 |
| Spike S-512 | 18 | Mach 1.6 | 6.200 nmi (11.500 km) | 52.2 t (115.000 libras) | 177,8 kN (40.000 lbf) | 0,355 |
De los cuatro mil millones de pasajeros aéreos en 2017, más de 650 millones volaron largas distancias entre 2000 y 7000 millas (3200 y 11 300 km), incluidos 72 millones en clase ejecutiva y primera clase, alcanzando los 128 millones para 2025; Spike proyecta que 13 millones estarían interesados en el transporte supersónico entonces.
En octubre de 2018, la reautorización de los estándares de ruido planificados por la FAA para los transportes supersónicos brindó a los desarrolladores una certeza normativa para sus diseños, principalmente para su elección de motores. La FAA propondrá reglas para la autorización de pruebas de vuelo supersónicas en los EE. UU. y la certificación de ruido a principios de 2019. La FAA debe 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 desde finales de 2020, mientras que la NASA planea volar el demostrador de vuelo de bajo boom Lockheed Martin X-59 QueSST a partir de 2021 para los estándares de la OACI en 2025.
En junio de 2019, inspirado por la iniciativa supersónica silenciosa de la NASA y el X-59 QueSST, Lockheed Martin presentó el Quiet Supersonic Technology Airliner, un concepto de avión transpacífico Mach 1.8 para 40 pasajeros. El diseño de la pluma con forma permite reducir el ruido del aeropuerto y el estampido sónico; propulsión integrada de bajo ruido; flujo laminar natural supersónico de ala en flecha; y el sistema de visión externa de la cabina (XVS). El diseño de 69 m (225 pies) de largo es significativamente más largo que el Concorde, con una nariz de casi 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.
Los objetivos de diseño son un alcance de 4200 a 5300 nmi (7800 a 9800 km) y una longitud de campo de despegue de 9500 a 10 500 pies (2900 a 3200 m), un estampido sónico de 75 a 80 PLdB y un crucero de Mach 1,6 a 1,7 sobre tierra y Mach 1.7-1.8 sobre el agua. Los motores gemelos de 40 000 lbf (180 kN) sin poscombustión montados en la cola están ubicados entre las colas en V. La propulsión integrada de bajo ruido incluye diseños avanzados de boquillas obturadoras, conceptos de protección contra el ruido y aspas de ventilador tolerantes a la distorsión.
En 2019, Exosonic, Inc. se fundó con el objetivo de desarrollar un avión supersónico para 70 pasajeros capaz de volar Mach 1,8 y con un alcance de 5000 nmi (9300 km; 5800 mi). La compañía tiene como objetivo introducir el avión comercialmente en la década de 2030. En abril de 2021, Exosonic obtuvo un contrato para desarrollar un avión supersónico que podría usarse como Air Force One.
En agosto de 2020, Virgin Galactic con Rolls-Royce presentó el concepto de un avión birreactor de ala delta con capacidad Mach 3 que puede transportar hasta 19 pasajeros.
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 rápido para el Concorde. 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 diseñado para transportar 300 pasajeros a Mach 2 (Next Generation Supersonic Transport, NEXST, luego Zero Emission Hyper Sonic Transporte). Si se continúa con el despliegue comercial, se espera que esté en servicio alrededor de 2020–25.
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. A finales de 2010, el proyecto continuó con un vuelo de prueba de una sección del ala. El Aerion AS2 se propuso como un trijet de 12 asientos, con un alcance de 4750 nmi (8800 km; 5470 mi) a Mach 1,4 sobre el agua o 5300 nmi (9800 km; 6100 mi) a Mach 0,95 sobre tierra, aunque "sin boom" Se afirmó que el vuelo Mach 1.1 era posible. Respaldado por Airbus y con 20 pedidos de lanzamiento de Flexjet, las primeras entregas se retrasaron dos años desde 2023 cuando GE Aviation fue seleccionada en mayo de 2017 para un estudio conjunto de motores. En mayo de 2021, la empresa anunció que dejaría de operar debido a la incapacidad de reunir capital.
El Transporte Supersónico Silencioso de Supersonic Aerospace International es un diseño de Lockheed Martin para 12 pasajeros que navegará a Mach 1,6 y creará un estampido sónico de solo el 1 % de la fuerza generada por el Concorde.
También se han propuesto los supersónicos Tupolev Tu-444 o Gulfstream X-54.
Transporte hipersónico
Si bien los motores turborreactores y estatorreactores convencionales pueden seguir siendo razonablemente eficientes hasta Mach 5,5, a veces también se discuten algunas ideas para vuelos de muy alta velocidad por encima de Mach 6, con el objetivo de reducir los tiempos de viaje a una o dos horas en cualquier lugar. en el mundo. Estas propuestas de vehículos suelen utilizar motores cohete o scramjet; También se han propuesto motores de detonación por pulsos. Hay muchas dificultades con dicho 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 que utilizan alas), utilizarían una gran cantidad de propulsor y funcionarían mejor a velocidades entre aproximadamente Mach 8 y velocidades orbitales. Los cohetes compiten mejor con los motores a reacción que respiran aire en el costo a muy largo alcance; sin embargo, incluso para viajes antípodas, los costos serían solo un poco más bajos que los costos de lanzamiento orbital.
En el Salón Aeronáutico de París de junio de 2011, EADS presentó su concepto ZEHST, que navega a Mach 4 (4400 km/h; 2400 kn) a 105 000 pies (32 000 m) y atrajo el interés japonés. 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 empresa británica Reaction Engines Limited, con un 50 % de fondos de la UE, ha participado en un programa de investigación llamado LAPCAT, que examinó un diseño para un avión propulsado por hidrógeno con capacidad para 300 pasajeros llamado A2, potencialmente capaz de volar a Mach 5+ sin escalas desde Bruselas a Sydney en 4,6 horas. El esfuerzo de investigación de seguimiento, LAPCAT II comenzó en 2008 y duraría cuatro años.
STRATOFLY MR3 es un programa de investigación de la UE (Centro Aeroespacial Alemán, ONERA y universidades) con el objetivo de desarrollar un avión de combustible criogénico para 300 pasajeros capaz de volar a unos 10 000 km/h (Mach 8) por encima de 30 km de altitud.
Destinus, Hermeus y Venus Aerospace están desarrollando aviones de pasajeros hipersónicos.
Boeing Hypersonic Airliner
Boeing presentó en la conferencia AIAA 2018 un avión de pasajeros Mach 6 (6500 km/h; 3500 kN). Cruzar el Atlántico en 2 horas o el Pacífico en 3 a 30 km (100 000 pies) permitiría vuelos de ida y vuelta en el mismo día, lo que aumentaría las aerolíneas' utilización de activos. Usando 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. Un demostrador reutilizable podría volar ya en 2023 o 2024 para una posible entrada en servicio a fines de la década de 2030. La aerodinámica se beneficiaría de la experiencia del Boeing X-51 Waverider, montando la onda de choque de vanguardia para una menor resistencia inducida. El control de flujo mejoraría la sustentación a velocidades más bajas, y evitar los posquemadores en el despegue reduciría el ruido.
El avión de pasajeros hipersónico de Boeing estaría propulsado por un turborreactor, un turboventilador que cambia a un estatorreactor a Mach 6 evitaría la necesidad de un scramjet, similar al SR-71 Blackbird's Pratt & Whitney J58, pero apagando la turbina a velocidades más altas. Estaría integrado en un diseño anular asimétrico con una sola entrada y boquilla, y un conducto de derivación alrededor del motor de turbina a una combinación de postquemador/estatorreactor 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.
Navegar a 90 000–100 000 pies (27 000–30 000 m) hace que la despresurización sea un riesgo mayor. Se eligió Mach 6 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 dos veces posibles con el Concorde.
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Randal L. Schwartz
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