Transporte supersônico - Supersonic transport

O transporte supersônico Concorde tinha uma asa delta ogival , uma fuselagem delgada e quatro motores Rolls-Royce / Snecma Olympus 593 suspensos.
O Tupolev Tu-144 foi o primeiro SST a entrar em serviço e o primeiro a sair dele. Apenas 55 voos de passageiros foram realizados antes do serviço terminar devido a questões de segurança. Um pequeno número de voos de carga e de teste também foram realizados após sua aposentadoria.

Um transporte supersônico ( SST ) ou avião supersônico é uma aeronave civil supersônica projetada para transportar passageiros a velocidades maiores do que a velocidade do som . Até o momento, os únicos SSTs com serviço regular foram o Concorde e o Tupolev Tu-144 . O último vôo de passageiros do Tu-144 foi em junho de 1978 e foi voado pela última vez em 1999 pela NASA . O último voo comercial do Concorde foi em outubro de 2003, com um voo de balsa em 26 de novembro de 2003sendo sua última operação aerotransportada. Após a cessação definitiva de voos pelo Concorde, não há SSTs restantes em serviço comercial. Várias empresas propuseram um jato executivo supersônico , que pode trazer de volta o transporte supersônico.

Aviões comerciais supersônicos têm sido objetos de numerosos estudos de design recentes e em andamento. As desvantagens e os desafios do projeto são a geração excessiva de ruído (na decolagem e devido a explosões sônicas durante o vôo), altos custos de desenvolvimento, materiais de construção caros, alto consumo de combustível, emissões extremamente altas e um custo maior por assento em relação aos aviões subsônicos. Apesar desses desafios, afirmava-se que o Concorde operava de forma lucrativa.

Em 2016, a NASA anunciou que assinou um contrato para o projeto de um protótipo SST moderno de baixo ruído . A equipe de projeto é liderada pela Lockheed Martin Aeronautics .

História

Ao longo da década de 1950, um SST parecia possível do ponto de vista técnico, mas não estava claro se poderia ser economicamente viável. Por causa das diferenças na geração de sustentação , aeronaves operando em velocidades supersônicas têm aproximadamente metade da razão sustentação-arrasto de aeronaves subsônicas. Isso implica que, para qualquer quantidade de sustentação necessária, a aeronave terá que fornecer cerca de duas vezes o empuxo, levando a um consumo consideravelmente maior de combustível. Este efeito é pronunciado em velocidades próximas à velocidade do som, já que a aeronave está usando o dobro do empuxo para viajar aproximadamente na mesma velocidade. O efeito relativo é reduzido à medida que a aeronave acelera para velocidades mais altas. Compensando esse aumento no uso de combustível estava o potencial de aumentar muito as taxas de surtidas da aeronave, pelo menos em voos de médio e longo alcance, onde a aeronave passa uma quantidade considerável de tempo em cruzeiro. Projetos SST voando pelo menos três vezes mais rápido que os transportes subsônicos existentes eram possíveis e, portanto, seriam capazes de substituir até três aviões em serviço e, assim, reduzir os custos em termos de mão de obra e manutenção.

Aterrissagem do Concorde

O trabalho sério nos projetos de SST começou em meados da década de 1950, quando a primeira geração de aviões de caça supersônicos estava entrando em serviço. Na Grã-Bretanha e na França, os programas SST subsidiados pelo governo rapidamente se estabeleceram na asa delta na maioria dos estudos, incluindo o Sud Aviation Super-Caravelle e o Bristol Type 223 , embora Armstrong-Whitworth propusesse um design mais radical, o Mach 1.2 M-Wing . A Avro Canada propôs vários projetos à TWA que incluíam a asa dupla Mach 1.6 e a asa delta Mach 1.2 com cauda separada e quatro configurações de motor sob as asas. A equipe de Avro mudou-se para o Reino Unido, onde seu design formou a base dos designs da Hawker Siddeley . No início da década de 1960, os projetos haviam progredido até o ponto em que foi dado o sinal verde para a produção, mas os custos eram tão altos que a Bristol Airplane Company e a Sud Aviation finalmente uniram seus esforços em 1962 para produzir o Concorde.

No início da década de 1960, vários executivos de empresas aeroespaciais dos EUA diziam ao público e ao Congresso dos EUA que não havia motivos técnicos para que um SST não pudesse ser produzido. Em abril de 1960, Burt C Monesmith, vice-presidente da Lockheed , declarou a várias revistas que um SST construído de aço pesando 250.000 libras (110.000 kg) poderia ser desenvolvido por $ 160 milhões e em lotes de produção de 200 ou mais vendidos por cerca de $ 9 milhões . Mas foi o desenvolvimento anglo-francês do Concorde que gerou pânico na indústria dos Estados Unidos, onde se pensava que o Concorde em breve substituiria todos os outros projetos de longo alcance, especialmente depois que a Pan Am adquiriu opções de compra do Concorde. O Congresso logo estava financiando um esforço de design SST, selecionando os designs Lockheed L-2000 e Boeing 2707 existentes , para produzir um design ainda mais avançado, maior, mais rápido e de longo alcance. O projeto do Boeing 2707 foi selecionado para o trabalho contínuo, com objetivos de transportar cerca de 300 passageiros e ter uma velocidade de cruzeiro próxima a Mach 3 . A União Soviética decidiu produzir seu próprio projeto, o Tu-144 , que a imprensa ocidental apelidou de "Concordski".

O SST foi visto como particularmente ofensivo devido ao seu estrondo sônico e ao potencial de o escapamento do motor danificar a camada de ozônio . Ambos os problemas impactaram o pensamento dos legisladores e, eventualmente, o Congresso retirou o financiamento para o programa SST dos EUA em março de 1971, e todos os voos supersônicos comerciais terrestres foram proibidos nos EUA. O conselheiro presidencial Russell Train alertou que uma frota de 500 SSTs voando a 65.000 pés (20 km) por um período de anos poderia aumentar o conteúdo de água estratosférica em até 50% a 100%. De acordo com Train, isso poderia levar a um maior calor no nível do solo e dificultar a formação de ozônio . Em relação à água estratosférica e seu potencial para aumentar a temperatura do solo, embora não mencionando o Concorde como a fonte do "declínio recente do vapor de água é desconhecido", em 2010 a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional observou que os níveis de Vapor de Água Estratosférico na década de 1980 e A década de 1990 foi superior à de 2000, em aproximadamente 10%, com Susan Solomon, da NOAA, calculando que essa mudança é responsável pela desaceleração no aumento das temperaturas superficiais devido ao aquecimento global em cerca de 25% quando comparado ao aquecimento taxa na década de 1990 . A outra preocupação de Russell Train, a preocupação com o ozônio da água, foi, no entanto, contestada por Fred Singer em uma carta ao jornal Nature em 1971, "o que incomodou aqueles que afirmavam que os transportes supersônicos poderiam afetar seriamente o ozônio estratosférico".

Mais tarde, uma ameaça adicional ao ozônio foi levantada como resultado dos óxidos de nitrogênio do escapamento , uma ameaça que foi, em 1974, aparentemente validada pelo MIT . No entanto, enquanto muitos modelos puramente teóricos indicavam o potencial para grandes perdas de ozônio dos óxidos de nitrogênio SST ( NOx ), outros cientistas no artigo " Óxidos de Nitrogênio, Teste de Arma Nuclear , Concorde e Ozônio Estratosférico " voltaram-se para o monitoramento histórico de ozônio e teste nuclear atmosférico para servir como um guia e meio de comparação, observando que nenhuma perda de ozônio detectável foi evidente a partir de aproximadamente 213 megatons de energia explosiva sendo liberados em 1962, portanto, a quantidade equivalente de NOx de "1047" Concordes voando "10 horas por dia", seria da mesma forma, não seria sem precedentes. Em 1981, os modelos e as observações ainda eram irreconciliáveis. Modelos de computador mais recentes em 1995 por David W. Fahey, um cientista atmosférico da National Oceanic and Atmospheric Administration , e outros, sugerem que a queda no ozônio seria, no máximo, "não mais" do que 1 a 2% se uma frota de 500 aeronaves supersônicas foram operadas. Fahey expressou que este não seria um obstáculo fatal para um desenvolvimento de SST avançado - enquanto "um grande sinalizador de cautela ... [ele] não deve ser um obstáculo para o desenvolvimento de SST avançado" porque "" remover o enxofre no combustível do [ concorde] "eliminaria essencialmente a hipótese de 1–2% do caminho da reação de destruição do ozônio.

Apesar da discrepância de observação do modelo em torno da preocupação com o ozônio, em meados da década de 1970, seis anos após seu primeiro vôo de teste supersônico, o Concorde agora estava pronto para operar. O clamor político dos EUA foi tão alto que Nova York proibiu o avião. Isso ameaçou as perspectivas econômicas da aeronave - ela foi construída com a rota Londres-Nova York em mente. O avião teve permissão para entrar em Washington, DC (em Dulles, na Virgínia ), e o serviço era tão popular que os nova-iorquinos logo começaram a reclamar porque não o tinham. Não demorou muito para que o Concorde estivesse voando para o JFK .

Junto com as mudanças nas considerações políticas, o público voador continuou a mostrar interesse em travessias oceânicas em alta velocidade. Isso deu início a estudos de design adicionais nos EUA, sob o nome de "AST" (Advanced Supersonic Transport). O SCV da Lockheed foi um novo design para esta categoria, enquanto a Boeing continuou os estudos com o 2707 como linha de base.

A essa altura, a economia dos conceitos SST anteriores não era mais razoável. Quando projetados pela primeira vez, os SSTs foram concebidos para competir com aeronaves de longo alcance com capacidade para 80 a 100 passageiros, como o Boeing 707 , mas com aeronaves mais novas como o Boeing 747 transportando quatro vezes mais, as vantagens de velocidade e combustível do conceito SST eram levado embora pelo tamanho.

Outro problema é que a ampla faixa de velocidades nas quais um SST opera torna difícil melhorar os motores. Embora os motores subsônicos tenham feito grandes avanços no aumento da eficiência ao longo da década de 1960 com a introdução do motor turbofan com taxas de desvio cada vez maiores , o conceito de ventilador é difícil de usar em velocidades supersônicas onde o desvio "adequado" é de cerca de 0,45, ao contrário de 2.0 ou superior para projetos subsônicos. Por ambas as razões, os projetos SST foram condenados por custos operacionais mais altos, e os programas AST desapareceram no início dos anos 1980.

O Concorde vendeu apenas para a British Airways e Air France, com compras subsidiadas que devolveriam 80% dos lucros ao governo. Na prática, durante quase toda a duração do acordo, não houve lucro a ser compartilhado. Depois que o Concorde foi privatizado, medidas de redução de custos (notadamente o fechamento do local de teste da asa metalúrgica, que fez ciclos de temperatura suficientes para validar a aeronave até 2010) e aumentos no preço dos bilhetes levaram a lucros substanciais.

Desde que o Concorde parou de voar, foi revelado que, ao longo da vida do Concorde, o avião provou ser lucrativo, pelo menos para a British Airways. Os custos operacionais do Concorde em quase 28 anos de operação foram de aproximadamente £ 1 bilhão, com receitas de £ 1,75 bilhão.

Os últimos voos regulares de passageiros pousaram no Aeroporto Heathrow de Londres na sexta-feira, 24 de outubro de 2003, pouco depois das 16h: voo 002 de Nova York, um segundo voo de Edimburgo, Escócia, e o terceiro que havia decolado de Heathrow em um voo circular sobre o Golfo da Biscaia.

No final do século 20, projetos como o Tupolev Tu-244 , Tupolev Tu-344 , SAI Quiet Supersonic Transport , Sukhoi-Gulfstream S-21 , High Speed ​​Civil Transport , etc. não haviam sido realizados.

Aviões supersônicos realizados

O Sinsheim Auto & Technik Museum na Alemanha é o único local onde o Concorde e o Tu-144 são exibidos juntos.

Em 21 de agosto de 1961, um Douglas DC- 8-43 (registro N9604Z) excedeu Mach 1 em um mergulho controlado durante um vôo de teste na Base da Força Aérea de Edwards. A tripulação era William Magruder (piloto), Paul Patten (copiloto), Joseph Tomich (engenheiro de vôo) e Richard H. Edwards (engenheiro de teste de vôo). Este é o primeiro vôo supersônico de um avião civil.

Concorde

Artigo principal: Histórias de aeronaves Concorde

No total, foram construídos 20 Concordes: dois protótipos, duas aeronaves de desenvolvimento e 16 aeronaves de produção. Das dezesseis aeronaves de produção, duas não entraram em serviço comercial e oito permaneceram em serviço até abril de 2003. Todas, exceto duas, estão preservadas; os dois que não são F-BVFD (cn 211), estacionado como uma fonte de peças de reposição em 1982 e desmantelado em 1994, e F-BTSC (cn 203), que caiu fora de Paris em 25 de julho de 2000, matando 100 passageiros , 9 membros da tripulação e 4 pessoas no solo.

Tupolev Tu-144

Artigo principal: Tupolev Tu-144

Um total de dezesseis Tupolev Tu-144s em condições de aeronavegabilidade foram construídos; um décimo sétimo Tu-144 (reg. 77116) nunca foi concluído. Houve também pelo menos uma fuselagem de teste em solo para testes estáticos em paralelo com o desenvolvimento do protótipo 68001.

Desafios do voo supersônico de passageiros

Aerodinâmica

Para todos os veículos que viajam pelo ar, a força de arrasto é proporcional ao coeficiente de arrasto ( C d ), ao quadrado da velocidade no ar e à densidade do ar. Uma vez que o arrasto aumenta rapidamente com a velocidade, uma das principais prioridades do projeto de aeronaves supersônicas é minimizar essa força diminuindo o coeficiente de arrasto. Isso dá origem às formas altamente aerodinâmicas dos SSTs. Até certo ponto, as aeronaves supersônicas também administram o arrasto voando em altitudes mais elevadas do que as aeronaves subsônicas, onde a densidade do ar é menor.

Variação qualitativa no fator Cd com número de Mach para aeronaves

À medida que as velocidades se aproximam da velocidade do som, surge o fenômeno adicional do arrasto das ondas . Esta é uma forma poderosa de arrasto que começa em velocidades transônicas (em torno de Mach 0,88 ). Em torno de Mach 1, o coeficiente de pico de arrasto é quatro vezes o do arrasto subsônico. Acima da faixa transônica, o coeficiente cai drasticamente novamente, embora permaneça 20% maior em Mach 2,5 do que em velocidades subsônicas. Aeronaves supersônicas devem ter consideravelmente mais potência do que as aeronaves subsônicas requerem para superar esta resistência da onda, e embora o desempenho de cruzeiro acima da velocidade transônica seja mais eficiente, ainda é menos eficiente do que voar subsonicamente.

Outro problema no vôo supersônico é a razão de sustentação para arrasto ( relação L / D) das asas. Em velocidades supersônicas, os aerofólios geram sustentação de uma maneira totalmente diferente do que em velocidades subsônicas e são invariavelmente menos eficientes. Por esta razão, pesquisas consideráveis ​​foram feitas para projetar formas planas de asas para cruzeiro supersônico sustentado. Por volta de Mach 2, um projeto típico de asa cortará sua proporção L / D pela metade (por exemplo, o Concorde conseguiu uma proporção de 7,14, enquanto o Boeing 747 subsônico tem uma proporção L / D de 17). Como o projeto de uma aeronave deve fornecer sustentação suficiente para superar seu próprio peso, uma redução de sua razão L / D em velocidades supersônicas requer empuxo adicional para manter sua velocidade no ar e altitude.

Motores

O projeto do motor a jato muda significativamente entre aeronaves supersônicas e subsônicas. Os motores a jato, como uma classe, podem fornecer maior eficiência de combustível em velocidades supersônicas, embora seu consumo específico de combustível seja maior em velocidades mais altas. Como sua velocidade sobre o solo é maior, essa diminuição na eficiência é menos que proporcional à velocidade até bem acima de Mach 2, e o consumo por unidade de distância é menor.

British Airways Concorde no Aeródromo Filton , Bristol , Inglaterra mostra a fuselagem delgada necessária para o vôo supersônico

Quando o Concorde estava sendo projetado pela Aérospatiale - BAC , os motores a jato de alto bypass (motores " turbofan ") ainda não haviam sido implantados em aeronaves subsônicas. Se o Concorde tivesse entrado em serviço contra projetos anteriores, como o Boeing 707 ou de Havilland Comet , teria sido muito mais competitivo, embora o 707 e o DC-8 ainda transportassem mais passageiros. Quando esses motores a jato de alto desvio alcançaram o serviço comercial na década de 1960, os motores a jato subsônicos tornaram-se imediatamente muito mais eficientes, mais próximos da eficiência dos turbojatos em velocidades supersônicas. Uma grande vantagem do SST desapareceu.

Os motores turbofan melhoram a eficiência ao aumentar a quantidade de ar frio de baixa pressão que eles aceleram, usando parte da energia normalmente usada para acelerar o ar quente no clássico turbojato sem bypass. A expressão máxima desse projeto é o turboélice , onde quase todo o impulso do jato é usado para alimentar um grande ventilador - a hélice . A curva de eficiência do projeto do ventilador significa que a quantidade de desvio que maximiza a eficiência geral do motor é uma função da velocidade de avanço, que diminui das hélices para os ventiladores, para nenhum desvio à medida que a velocidade aumenta. Além disso, a grande área frontal ocupada pelo ventilador de baixa pressão na frente do motor aumenta o arrasto, especialmente em velocidades supersônicas, e significa que as relações de desvio são muito mais limitadas do que em aeronaves subsônicas.

Por exemplo, o primeiro Tu-144S foi equipado com um motor turbofan de bypass baixo que era muito menos eficiente do que os turbojatos do Concorde em vôo supersônico. O último TU-144D apresentava motores turbojato com eficiência comparável. Essas limitações significavam que os projetos do SST não eram capazes de tirar proveito das melhorias dramáticas na economia de combustível que os motores de alto bypass trouxeram para o mercado subsônico, mas eles já eram mais eficientes do que seus equivalentes turbofan subsônicos.

Questões estruturais

As velocidades supersônicas dos veículos exigem designs de asa e fuselagem mais estreitos e estão sujeitas a tensões e temperaturas maiores. Isso leva a problemas de aeroelasticidade , que requerem estruturas mais pesadas para minimizar flexões indesejadas. Os SSTs também requerem uma estrutura muito mais forte (e, portanto, mais pesada) porque sua fuselagem deve ser pressurizada a um diferencial maior do que as aeronaves subsônicas, que não operam nas altas altitudes necessárias para o vôo supersônico. Esses fatores juntos significam que o peso vazio por assento do Concorde é mais de três vezes o de um Boeing 747.

No entanto, o Concorde e o TU-144 foram construídos em alumínio convencional ( Hidumínio no caso do Concorde) e ( duralumínio ), enquanto os materiais mais modernos, como fibra de carbono e Kevlar, são muito mais resistentes à tensão por seu peso (importante para lidar com a pressurização tensões), além de ser mais rígido. Como o peso por assento da estrutura é muito maior em um projeto SST, quaisquer melhorias levarão a uma melhoria percentual maior do que as mesmas alterações em uma aeronave subsônica.

Altos custos

Comparação de eficiência de combustível do Concorde
Aeronave Concorde Boeing 747 -400
Milhas de passageiros / galão imperial 17 109
Milhas de passageiros / galão americano 14 91
Litros / passageiro 100 km 16,6 3,1

Maiores custos de combustível e menores capacidades de passageiros devido ao requisito aerodinâmico de uma fuselagem estreita tornam os SSTs uma forma cara de transporte civil comercial em comparação com aeronaves subsônicas. Por exemplo, o Boeing 747 pode transportar mais de três vezes mais passageiros do que o Concorde, usando aproximadamente a mesma quantidade de combustível.

No entanto, os custos de combustível não são a maior parte do preço da maioria das passagens de passageiros de aeronaves subsônicas. Para o mercado comercial transatlântico para o qual as aeronaves SST eram utilizadas, o Concorde foi realmente muito bem-sucedido e foi capaz de sustentar um preço de bilhete mais alto. Agora que as aeronaves comerciais SST pararam de voar, ficou claro que o Concorde obteve lucros substanciais para a British Airways.

Ruído de decolagem

Um dos problemas com o Concorde e a operação do Tu-144 eram os altos níveis de ruído do motor, associados às velocidades muito altas dos jatos usados ​​durante a decolagem e, ainda mais importante, sobrevoando comunidades próximas ao aeroporto. Os motores SST precisam de um empuxo específico bastante alto (empuxo líquido / fluxo de ar) durante o cruzeiro supersônico, para minimizar a área da seção transversal do motor e, assim, o arrasto da nacela . Infelizmente, isso implica uma alta velocidade do jato, o que torna os motores barulhentos, o que causa problemas particularmente em velocidades / altitudes baixas e na decolagem.

Portanto, um futuro SST pode se beneficiar de um motor de ciclo variável , onde o empuxo específico (e, portanto, a velocidade do jato e o ruído) é baixo na decolagem, mas é forçado a subir durante o cruzeiro supersônico. A transição entre os dois modos ocorreria em algum ponto durante a subida e de volta durante a descida (para minimizar o ruído do jato na aproximação). A dificuldade é conceber uma configuração de motor de ciclo variável que atenda ao requisito de uma área de seção transversal baixa durante o cruzeiro supersônico.

Explosão sônica

O estrondo sônico não era considerado um problema sério devido às altas altitudes em que os aviões voavam, mas experimentos em meados da década de 1960, como os polêmicos testes de explosão sônica em Oklahoma City e estudos do XB-70 norte-americano da USAF Valquíria provou o contrário (veja Sonic boom § Abatimento ). Em 1964, não estava claro se aeronaves supersônicas civis seriam licenciadas, por causa do problema.

O incômodo de um estrondo sônico pode ser evitado esperando até que a aeronave esteja em alta altitude sobre a água antes de atingir velocidades supersônicas; esta foi a técnica usada pelo Concorde. No entanto, impede o vôo supersônico sobre áreas povoadas. Aeronaves supersônicas têm taxas de sustentação / arrasto pobres em velocidades subsônicas em comparação com aeronaves subsônicas (a menos que tecnologias como asas de varredura variável sejam empregadas) e, portanto, queimam mais combustível, o que resulta em seu uso ser economicamente desvantajoso em tais rotas de voo.

O Concorde teve uma sobrepressão de 1,94 lb / pés quadrados (93 Pa) (133 dBA SPL). Sobrepressões acima de 1,5 lb / pés quadrados (72 Pa) (131 dBA SPL) costumam causar reclamações.

Se a intensidade do boom puder ser reduzida, isso pode tornar até mesmo projetos muito grandes de aeronaves supersônicas aceitáveis ​​para vôo terrestre. A pesquisa sugere que mudanças no cone do nariz e na cauda podem reduzir a intensidade do estrondo sônico abaixo do necessário para causar reclamações. Durante os esforços SST originais na década de 1960, foi sugerido que a modelagem cuidadosa da fuselagem da aeronave poderia reduzir a intensidade das ondas de choque do boom sônico que atingem o solo. Um projeto fazia com que as ondas de choque interferissem umas nas outras, reduzindo bastante o estrondo sônico. Isso era difícil de testar na época, mas o poder crescente do design auxiliado por computador tornou isso consideravelmente mais fácil. Em 2003, uma aeronave Shaped Sonic Boom Demonstration foi pilotada, o que provou a solidez do projeto e demonstrou a capacidade de reduzir o boom pela metade. Mesmo alongando o veículo (sem aumentar significativamente o peso) pareceria reduzir a intensidade do boom (veja Sonic boom § Redução ).

Necessidade de operar aeronaves em uma ampla gama de velocidades

O design aerodinâmico de uma aeronave supersônica precisa mudar com sua velocidade para um desempenho ideal. Assim, um SST idealmente mudaria de forma durante o vôo para manter o desempenho ideal em velocidades subsônicas e supersônicas. Tal projeto introduziria complexidade que aumenta as necessidades de manutenção, custos operacionais e questões de segurança.

Na prática, todos os transportes supersônicos usaram essencialmente a mesma forma para o vôo subsônico e supersônico, e um compromisso no desempenho é escolhido, muitas vezes em detrimento do vôo em baixa velocidade. Por exemplo, o Concorde teve um arrasto muito alto (uma razão de sustentação para arrasto de cerca de 4) em baixa velocidade, mas viajou em alta velocidade durante a maior parte do vôo. Os projetistas do Concorde gastaram 5.000 horas otimizando a forma do veículo em testes de túnel de vento para maximizar o desempenho geral ao longo de todo o plano de vôo.

O Boeing 2707 apresentava asas giratórias para oferecer maior eficiência em baixas velocidades, mas o maior espaço necessário para tal recurso produziu problemas de capacidade que se mostraram insuperáveis.

A aviação norte-americana teve uma abordagem incomum para esse problema com o XB-70 Valkyrie . Baixando os painéis externos das asas com números de Mach elevados, eles foram capazes de tirar vantagem da elevação por compressão na parte inferior da aeronave. Isso melhorou a razão L / D em cerca de 30%.

Temperatura da pele

Em velocidades supersônicas, uma aeronave comprime adiabaticamente o ar à sua frente. O aumento da temperatura do ar aquece a aeronave.

As aeronaves subsônicas geralmente são feitas de alumínio. No entanto, o alumínio, embora seja leve e forte, não é capaz de suportar temperaturas muito acima de 127 ° C; acima de 127 ° C, o alumínio perde gradualmente suas propriedades que foram provocadas pelo endurecimento com o tempo. Para aeronaves que voam em Mach 3, materiais como aço inoxidável ( XB-70 Valkyrie , MiG-25 ) ou titânio ( SR-71 , Sukhoi T-4 ) têm sido usados, com um aumento considerável no custo, conforme as propriedades destes materiais tornam a aeronave muito mais difícil de fabricar.

Em 2017, um novo material de revestimento cerâmico de carboneto foi descoberto que pode resistir a temperaturas que ocorrem em Mach 5 ou acima, talvez tão altas quanto 3000 ° C.

Alcance pobre

O alcance da aeronave supersônica pode ser estimado com a equação de alcance de Breguet .

O alto peso de decolagem por passageiro torna difícil obter uma boa fração de combustível. Este problema, junto com o desafio apresentado pelas relações de sustentação / arrasto supersônicas, limita muito o alcance dos transportes supersônicos. Como as rotas de longa distância não eram uma opção viável, as companhias aéreas tinham pouco interesse em comprar os jatos.

Indesejável de companhias aéreas de SSTs

Aeroflot Tupolev Tu-144 no Paris Air Show em 1975.

As companhias aéreas compram aeronaves como forma de ganhar dinheiro e desejam obter o máximo retorno possível do investimento com seus ativos.

As companhias aéreas valorizam potencialmente as aeronaves muito rápidas, porque permitem que a aeronave faça mais voos por dia, proporcionando um maior retorno sobre o investimento. Além disso, os passageiros geralmente preferem viagens mais rápidas e de curta duração a viagens mais lentas e de longa duração, então operar aeronaves mais rápidas pode dar a uma companhia aérea uma vantagem competitiva, mesmo na medida em que muitos clientes estão dispostos a pagar tarifas mais altas para economizar tempo e / ou chegar mais cedo. No entanto, os altos níveis de ruído do Concorde nos aeroportos, problemas de fuso horário e velocidade insuficiente significavam que apenas uma única viagem de volta poderia ser feita por dia, de modo que a velocidade extra não era uma vantagem para a companhia aérea, exceto como um recurso de venda para seus clientes. Os SSTs americanos propostos tinham a intenção de voar a Mach 3, em parte por esse motivo. No entanto, permitindo o tempo de aceleração e desaceleração, uma viagem transatlântica em um Mach 3 SST seria menos de três vezes mais rápida que uma viagem Mach 1.

Uma vez que os SSTs produzem estrondos sônicos em velocidades supersônicas, eles raramente têm permissão para voar supersônico sobre a terra e, em vez disso, devem voar supersônicos sobre o mar. Como eles são ineficientes em velocidades subsônicas em comparação com aeronaves subsônicas, o alcance é deteriorado e o número de rotas que a aeronave pode voar sem escalas é reduzido. Isso também reduz o desejo de tal aeronave para a maioria das companhias aéreas.

As aeronaves supersônicas têm maior consumo de combustível por passageiro do que as aeronaves subsônicas; isso torna o preço do bilhete necessariamente mais alto, todos os outros fatores sendo iguais, além de tornar esse preço mais sensível ao preço do petróleo. (Também torna os voos supersônicos menos amigáveis ​​ao meio ambiente e à sustentabilidade, duas preocupações crescentes do público em geral, incluindo os passageiros aéreos.)

Investir em trabalho de pesquisa e desenvolvimento para projetar um novo SST pode ser considerado um esforço para empurrar o limite de velocidade do transporte aéreo. Geralmente, além do desejo por novas conquistas tecnológicas, a principal força motriz para tal esforço é a pressão competitiva de outros modos de transporte. A competição entre diferentes provedores de serviços dentro de um modo de transporte normalmente não leva a tais investimentos tecnológicos para aumentar a velocidade. Em vez disso, os provedores de serviço preferem competir em qualidade e custo de serviço. Um exemplo desse fenômeno é o transporte ferroviário de alta velocidade. O limite de velocidade do transporte ferroviário foi pressionado tanto para permitir que ele efetivamente competisse com o transporte rodoviário e aéreo. Mas essa conquista não foi alcançada para que diferentes operadoras ferroviárias competissem entre si. Esse fenômeno também reduz a necessidade de SSTs pelas companhias aéreas, porque, para o transporte de distâncias muito longas (alguns milhares de quilômetros), a competição entre os diferentes modos de transporte é como uma corrida de um cavalo: o transporte aéreo não tem um concorrente significativo. A única competição é entre as companhias aéreas, e elas preferem pagar moderadamente para reduzir custos e aumentar a qualidade do serviço do que pagar muito mais por um aumento de velocidade. Além disso, as empresas com fins lucrativos geralmente preferem planos de negócios de baixo risco com altas probabilidades de lucro apreciável, mas um programa caro de pesquisa e desenvolvimento tecnológico de ponta é uma empresa de alto risco, pois é possível que o programa falhe por razões técnicas imprevisíveis ou atenderá a estouros de custos tão grandes que obriguem a empresa, devido a limites de recursos financeiros, a abandonar o esforço antes que produza qualquer tecnologia SST comercializável, causando potencialmente a perda de todo o investimento.

Impacto ambiental

O Conselho Internacional de Transporte Limpo (ICCT) estima que um SST consumiria 5 a 7 vezes mais combustível por passageiro. O ICCT mostra que um voo supersônico de Nova York a Londres consumiria mais do que o dobro de combustível por passageiro do que na classe executiva subsônica , seis vezes mais do que na classe econômica e três vezes mais do que os voos subsônicos de Los Angeles a Sydney . Os projetistas podem atender aos padrões ambientais existentes com tecnologia avançada ou fazer lobby junto aos formuladores de políticas para estabelecer novos padrões para SSTs.

Se houvesse 2.000 SSTs em 2035, haveria 5.000 voos por dia em 160 aeroportos e a frota SST emitiria ~ 96 milhões de toneladas métricas de CO₂ por ano (como American , Delta e Southwest combinados em 2017), 1,6 a 2,4 gigatoneladas de CO₂ sobre seu 25 anos de duração: um quinto da aviação internacional orçamento de carbono se a aviação mantém suas emissões de compartilhar para ficar sob um 1,5 ° C trajetória climática . A área exposta ao ruído em torno dos aeroportos pode dobrar em comparação com as aeronaves subsônicas existentes do mesmo tamanho, com mais de 300 operações por dia em Dubai e Londres Heathrow , e mais de 100 em Los Angeles , Cingapura , São Francisco , Nova York-JFK , Frankfurt e Bangkok . Estrondos sônicos frequentes seriam ouvidos no Canadá, Alemanha, Iraque, Irlanda, Israel, Romênia, Turquia e partes dos Estados Unidos, até 150-200 por dia ou um a cada cinco minutos.

Em desenvolvimento

Conceito da Lockheed Martin apresentado à Diretoria de Missão de Pesquisa Aeronáutica da NASA em abril de 2010
O conceito de Boeing foi apresentado à Diretoria de Missão de Pesquisa Aeronáutica da NASA em abril de 2010

O desejo por uma aeronave supersônica de segunda geração permaneceu dentro de alguns elementos da indústria da aviação, e vários conceitos surgiram desde a aposentadoria do Concorde.

Em março de 2016, a Boom Technology revelou que está em fase de desenvolvimento de construção de um jato supersônico de 40 passageiros capaz de voar Mach 2.2, alegando que a simulação do projeto mostra que será mais silencioso e 30% mais eficiente que o Concorde e será capaz para voar de Los Angeles a Sydney em 6 horas.

Para sua viabilidade econômica, a pesquisa da NASA desde 2006 tem se concentrado em reduzir o boom sônico para permitir o vôo supersônico sobre a terra. A NASA deve voar em um demonstrador de baixo boom em 2019, reduzido de estrondos duplos a baques suaves por modelagem de fuselagem, para indagar a resposta da comunidade, em apoio a um possível levantamento de proibição da FAA e ICAO no início de 2020. O avião-X da Quiet Supersonic Technology imitará a assinatura da onda de choque de um avião de passageiros de Mach 1.6 a 1.8, de 80 a 100 assentos para 75 PNLdB em comparação com 105 PNLdB para o Concorde.

O mercado de aviões supersônicos que custam US $ 200 milhões pode ser de 1.300 em um período de 10 anos, no valor de US $ 260 bilhões. O desenvolvimento e a certificação são provavelmente uma operação de US $ 4 bilhões.

A TsAGI exibiu no MAKS Air Show 2017 em Moscou um modelo em escala de seu Supersonic Business Jet / Commercial Jet que deve produzir um baixo boom sônico permitindo o vôo supersônico sobre a terra, otimizado para 2.100 km / h (1.300 mph) de cruzeiro e 7.400-8.600 km (4.600–5.300 mi) de alcance. A pesquisa científica visa otimizar as velocidades transônicas Mach 0,8-0,9 e supersônicas Mach 1,5-2,0, um projeto semelhante é testado em um túnel de vento enquanto os motores são conceituados no Instituto Central de Motores de Aviação e os projetos são estudados pela Aviadvigatel e NPO Saturno .

Na convenção da NBAA de outubro de 2017 em Las Vegas, com a NASA apoiando apenas a pesquisa, várias empresas enfrentaram desafios de engenharia para propor aeronaves sem motor disponível, velocidades máximas variáveis ​​e modelos operacionais:

  • o Boom XB-1 Baby Boom de terceira escala deve voar em 2018, já que o motor é selecionado para um avião trijet de 45/55 lugares atingindo Mach 2,2 sobre a água por 9.000 nmi (17.000 km; 10.000 mi) com uma parada para um negócio tarifa de classe. Com o objetivo de 2023 entregas, recebeu 10 compromissos da Virgin e 15 de uma companhia aérea europeia não divulgada em 2016, totalizando 76 de cinco companhias aéreas até junho de 2017;
  • O Spike S-512 é um projeto twinjet autofinanciado com o objetivo de cruzeiro a Mach 1.6 sobre a água por 6.200 nmi (11.500 km; 7.100 mi) com 22 passageiros em uma cabine sem janelas, com motores não especificados de 20.000 lbf (89 kN). Um modelo em escala SX-1.2 deveria ter feito seu vôo inaugural em setembro de 2017, antes de um teste tripulado em 2019 e o protótipo em 2021, com disponibilidade no mercado para 2023.
Modelo Passageiros Cruzeiro Alcance ( nmi ) MTOW Impulso Total Impulso / 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
Abertura da tecnologia de lança 55 Mach 1,7 4.500 nmi (8.300 km) 77,1 t (170.000 lb) 200–270 kN (45.000–60.000 lbf) 0,26-0,35
Spike S-512 18 Mach 1.6 6.200 nmi (11.500 km) 52,2 t (115.000 lb) 177,8 kN (40.000 lbf) 0,35

Dos quatro bilhões de passageiros aéreos em 2017, mais de 650 milhões voaram de longa distância entre 2.000 e 7.000 milhas (3.200 e 11.300 km), incluindo 72 milhões na classe executiva e primeira classe , chegando a 128 milhões em 2025; Os projetos de Spike que 13 milhões estariam interessados ​​em transporte supersônico então.

Em outubro de 2018, a reautorização dos padrões de ruído planejados pela FAA para transportes supersônicos, dando aos desenvolvedores uma certeza regulatória para seus projetos, principalmente a escolha do motor. Regras para autorização de teste de vôo supersônico nos EUA e certificação de ruído serão propostas pela FAA no início de 2019. A FAA deve fazer uma proposta para ruído de pouso e decolagem antes de 31 de março de 2020 para uma regra após 2022; e para o boom sônico terrestre a partir do final de 2020, enquanto a NASA planeja voar o demonstrador de voo low-boom Lockheed Martin X-59 QueSST a partir de 2021 para os padrões da ICAO em 2025.

Em junho de 2019, inspirado pela iniciativa silenciosa supersônica da NASA e X-59 QueSST , a Lockheed Martin revelou o Quiet Supersonic Technology Airliner , um Mach 1.8, conceito de avião transpacífico para 40 passageiros. Menor ruído de aeroporto e explosão sônica são permitidos pelo projeto de lança em forma ; propulsão integrada de baixo ruído; fluxo laminar natural supersônico de asa varrida ; e o sistema de visão externa da cabine (XVS). O design de 225 pés (69 m) de comprimento é significativamente mais longo do que o Concorde , apresentando um nariz de quase 70 pés (21 m) e uma cabine de 78 pés (24 m). A asa delta fortemente varrida tem um vão de 73 pés (22 m), um pouco mais estreito do que o Concorde.

Os objetivos do projeto são um alcance de 4.200–5.300 nmi (7.800–9.800 km) e um comprimento de campo de decolagem de 9.500–10.500 pés (2.900–3.200 m), uma lança sônica de 75-80 PLdB e um cruzeiro de Mach 1,6-1,7 sobre terra e Mach 1,7-1,8 sobre a água. Os motores gêmeos de 40.000 lbf (180 kN) montados na cauda estão localizados entre as caudas em V. A propulsão de baixo ruído integrada inclui projetos avançados de bico de plugue , conceitos de proteção contra ruído e pás de ventilador com tolerância à distorção .

Em agosto de 2020, a Virgin Galactic com a Rolls-Royce revelou o conceito de uma aeronave de duas asas delta com capacidade para Mach 3 , que pode transportar até 19 passageiros.

Conceitos anteriores

Em novembro de 2003, a EADS - a empresa controladora da Airbus - anunciou que estava considerando trabalhar com empresas japonesas para desenvolver um substituto maior e mais rápido para o Concorde. Em outubro de 2005, a JAXA , a Japan Aerospace eXploration Agency, realizou testes aerodinâmicos de um modelo em escala de um avião projetado para transportar 300 passageiros em Mach 2 ( Next Generation Supersonic Transport , NEXST , então Zero Emission Hyper Sonic Transport ). Se buscado para implantação comercial, espera-se que esteja em serviço por volta de 2020–25.

Em maio de 2008, foi relatado que a Aerion Corporation tinha US $ 3 bilhões em vendas pré-encomendadas em seu jato executivo supersônico Aerion SBJ . No final de 2010, o projeto continuou com um voo de teste de uma seção da asa. O Aerion AS2 foi proposto como um trijet de 12 lugares, com um alcance de 4.750 nm (8.800 km; 5.470 mi) a Mach 1,4 sobre a água ou 5.300 nmi (9.800 km; 6.100 mi) a Mach 0,95 sobre a terra, embora "sem boom" O voo Mach 1.1 foi declarado possível. Apoiado pela Airbus e com 20 pedidos de lançamento da Flexjet, as primeiras entregas foram adiadas de 2023 em dois anos quando a GE Aviation foi selecionada em maio de 2017 para um estudo conjunto de motores. Em maio de 2021, a empresa anunciou que encerraria as operações devido à incapacidade de levantar capital.

O Quiet Supersonic Transport da Supersonic Aerospace International é um projeto para 12 passageiros da Lockheed Martin que deve cruzar a Mach 1.6 e criar um estrondo sônico apenas 1% tão forte quanto o gerado pelo Concorde.

O supersônico Tupolev Tu-444 ou Gulfstream X-54 também foi proposto.

Transporte hipersônico

Veja também: Hipersônico , Velocidade Hipersônica e Voo Hipersônico

Embora os motores turbo e ramjet convencionais sejam capazes de permanecer razoavelmente eficientes até Mach 5.5, algumas ideias para voos de velocidade muito alta acima de Mach 6 também são algumas vezes discutidas, com o objetivo de reduzir os tempos de viagem para uma ou duas horas em qualquer lugar do mundo . Essas propostas de veículos normalmente usam motores de foguete ou scramjet ; motores de detonação de pulso também foram propostos. São muitas as dificuldades com esse vôo, tanto técnicas quanto econômicas.

Os veículos com motor de foguete, embora tecnicamente práticos (seja como transportes balísticos ou semibalísticos usando asas), usariam uma grande quantidade de propelente e operariam melhor em velocidades entre cerca de Mach 8 e velocidades orbitais. Os foguetes competem melhor com os motores a jato de ar respirável em custo de longo alcance; entretanto, mesmo para viagens antípodas, os custos seriam apenas um pouco menores do que os custos de lançamento orbital.

No Paris Air Show de junho de 2011 , a EADS revelou seu conceito ZEHST , cruzando a Mach 4 (4.400 km / h; 2.400 kn) a 105.000 pés (32.000 m) e atraindo o interesse japonês. O SpaceLiner alemão é um projeto de avião espacial de passageiros hipersônico suborbital em desenvolvimento preliminar.

Os motores a jato pré-resfriados são motores a jato com um trocador de calor na entrada que resfria o ar em velocidades muito altas. Esses motores podem ser práticos e eficientes em até Mach 5.5, e esta é uma área de pesquisa na Europa e no Japão. A empresa britânica Reaction Engines Limited , com 50% do dinheiro da UE, está envolvida em um programa de pesquisa chamado LAPCAT , que examinou um projeto para um avião movido a hidrogênio transportando 300 passageiros chamado A2 , potencialmente capaz de voar a Mach 5+ sem escalas de Bruxelas para Sydney em 4,6 horas. O esforço de pesquisa subsequente , LAPCAT II, começou em 2008 e deveria durar quatro anos.

STRATOFLY MR3 é um programa de pesquisa da UE ( German Aerospace Center , ONERA e universidades) com o objetivo de desenvolver um avião a combustível criogênico para 300 passageiros capaz de voar a cerca de 10.000 Km / h (Mach 8) acima de 30 km de altitude.

Boeing Hypersonic Airliner

Conceito de transporte hipersônico da Boeing

A Boeing revelou na conferência AIAA 2018 um avião comercial de Mach 6 (6.500 km / h; 3.500 kn). Cruzar o Atlântico em 2 horas ou o Pacífico em 3 a 100.000 pés (30 km) permitiria voos de retorno no mesmo dia, aumentando a utilização dos ativos das companhias aéreas . Usando uma fuselagem de titânio , sua capacidade seria menor do que um Boeing 737, mas maior do que um jato executivo de longo alcance . Um demonstrador reutilizável poderia voar já em 2023 ou 2024 para uma possível entrada em serviço no final dos anos 2030. A aerodinâmica se beneficiaria com a experiência do Boeing X-51 Waverider , aproveitando a onda de choque de ponta para reduzir o arrasto induzido . O controle de fluxo aumentaria a sustentação em velocidades mais lentas e evitar pós-combustores na decolagem reduziria o ruído .

O avião hipersônico da Boeing seria movido por um turboramjet , um turbofan que faz a transição para um ramjet a Mach 6 evitaria a necessidade de um ramjet, semelhante ao SR-71 Blackbird 's Pratt & Whitney J58 , mas desligando a turbina a mais velocidades. Seria integrado em um layout anular axissimétrico com uma única entrada e bocal , e um duto de desvio ao redor do motor de turbina para uma combinação de pós-combustor / ramjet na parte traseira. Precisaria de tecnologia de resfriamento avançada , como o trocador de calor desenvolvido pela Reaction Engines , talvez usando metano líquido e / ou combustível de aviação .

Cruzar a 90.000–100.000 pés (27.000–30.000 m) torna a despressurização um risco maior. Mach 6 foi escolhido como o limite atingível com a tecnologia disponível . Teria um alto aproveitamento de capacidade , podendo cruzar o Atlântico quatro ou cinco vezes ao dia, ante uma possível duas vezes ao dia com o Concorde .

Veja também

Referências

links externos