Avión de pasajeros supersónico

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Un avión de pasajeros supersónico o un avión de pasajeros supersónico  es un avión para el transporte de pasajeros que desarrolla una velocidad de supercrucero de más de Mach 1 . Los únicos aviones supersónicos que operan en servicio regular de pasajeros son el Concorde europeo ( Concorde ) y el Tu-144 soviético . El último vuelo de pasajeros del Tu-144 tuvo lugar en junio de 1978; el último vuelo del Concorde tuvo lugar el 26 de noviembre de 2003. Después de la terminación de los vuelos del Concorde, ni un solo avión supersónico permaneció en operación comercial. Muchas compañías aeronáuticas han diseñado o están diseñando su propia versión del avión comercial supersónico .

Los aviones supersónicos son objeto de numerosos estudios de diseño. Los inconvenientes y los problemas de diseño son la generación excesiva de ruido (durante 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 el aumento del costo por asiento de pasajero en los aviones. A pesar de estos problemas, Concord disfrutó de grandes ganancias, aunque esto se debió a la cancelación de todos los costos de desarrollo y construcción, así como a la voluntad de los pasajeros de comprar un boleto a tarifas altas [1] .

Historia

Desde la década de 1950, el transporte supersónico se ha vuelto técnicamente factible, pero no estaba claro si podría hacerse económicamente viable. La sustentación a velocidades supersónicas se genera utilizando varios métodos que son significativamente menos eficientes que los métodos subsónicos, con una relación sustentación/resistencia de aproximadamente . Esto significa que para cualquier cantidad de sustentación requerida, la aeronave tendría que proporcionar aproximadamente el doble de empuje, lo que resultaría en un consumo de combustible significativamente mayor. Este efecto aparece 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 disminuye a medida que el avión acelera a velocidades más altas. Al compensar este aumento en el consumo de combustible, la aeronave podría aumentar significativamente la velocidad de despegue, al menos en vuelos de media y larga distancia, donde la aeronave pasa una cantidad significativa de tiempo. Los aviones de pasajeros supersónicos vuelan al menos tres veces más rápido que los vehículos subsónicos actuales y, por lo tanto, podrían reemplazar hasta tres aviones en servicio, reduciendo así los costos de mano de obra y mantenimiento.

El trabajo serio en proyectos de aviones de pasajeros supersónicos comenzó a mediados de la década de 1950, cuando se produjo la primera generación de aviones de combate supersónicos. En el Reino Unido y Francia , los programas 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 la compañía Armstrong Whitworth propuso un diseño más radical. Avro Canada ofreció varios diseños a Trans World Airlines , que incluían el ala Mach 1.6 y el ala Mach 1.2 con un ala delta de 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 para el diseño de Hawker Siddeley [2] .

A principios de la década de 1960, los proyectos habían progresado hasta el punto en que se aprobó la producción, pero los costos eran tan altos que Bristol Airplane Company y Sud Aviation finalmente unieron fuerzas en 1962 para producir el Concorde. A principios de la década de 1960, varios ejecutivos aeroespaciales estadounidenses dijeron al público y al Congreso estadounidenses que no había ninguna razón técnica por la que no se pudiera producir un transporte supersónico. En abril de 1960, Bert C Monsmith, vicepresidente de Lockheed , dijo a varias revistas que un avión de supersónico construido en acero depasajeros [3] . Pero fue el desarrollo anglo-francés del Concorde lo que causó pánico en la industria estadounidense, donde se creía que el Concorde pronto reemplazaría a todos los demás diseños de largo alcance, especialmente después de que Pan Am adquirió opciones para comprar el Concorde. El Congreso pronto financió el esfuerzo de diseño supersónico, seleccionando los diseños existentes de Lockheed L-2000 y Boeing 2707 para construir un modelo aún más avanzado, más grande, más rápido y de mayor alcance. El proyecto Boeing 2707 finalmente fue seleccionado para continuar, con objetivos de diseño de transportar alrededor de 300 pasajeros y una velocidad de crucero de alrededor de Mach 3 . La Unión Soviética se dispuso a crear su propio proyecto, el Tu-144 , que fue apodado "Concordski" por la prensa occidental.

El transporte supersónico fue visto negativamente debido al estampido sónico en vuelo y el potencial de los gases de escape de sus motores para dañar la capa de ozono . Ambos problemas afectaron el pensamiento de los legisladores y, finalmente, el Congreso finalizó la financiación del programa de aviones supersónicos en marzo de 1971 [4] [5] [6] y se prohibieron todos los vuelos supersónicos comerciales terrestres en los Estados Unidos [7] . El asesor presidencial Russell Train advirtió que una flota de 500 aviones supersónicos que vuelen a 20 km (65 000 pies) durante varios años podría aumentar el contenido de agua de la estratosfera en un 50-100 %. Según Train, esto puede conducir a temperaturas más altas a nivel del suelo e inhibir la formación de ozono [8] . Con respecto al agua estratosférica y su potencial para elevar la temperatura del suelo, si bien no cita a Concord como la fuente de la "reciente disminución del vapor de agua se desconoce", la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica señaló en 2010 que los niveles de vapor de agua estratosférico en los años 80 y La década de 1990 fue superior a la de 2000 en aproximadamente un 10 %, Susan Solomon de la NOAA calculó que este cambio es responsable de la desaceleración del aumento de la temperatura de la superficie debido al calentamiento global en aproximadamente un 25 % en comparación con la tasa de calentamiento en los años 1990 [9] . Sin embargo, otro problema del tren Russell relacionado con el ozono del agua fue refutado por Fred Singer en una carta a Nature en 1971 [10] , "lo que molestó a quienes argumentaban que el transporte supersónico podría afectar seriamente al ozono estratosférico" [11] .

Posteriormente se planteó la hipótesis de una amenaza adicional para el ozono como resultado de los óxidos de nitrógeno en los gases de escape y fue confirmada en 1974 por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts . En 1981, los modelos y las observaciones eran todavía incompatibles [12] . Un modelo informático más reciente, creado en 1995 por científicos de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica , sugiere que la caída de ozono no será superior al 1-2 % si se opera una flota de 500 aviones supersónicos, y esto no debería ser un obstáculo. al transporte supersónico avanzado porque la eliminación del azufre del combustible Concord eliminaría la vía de reacción hipotética de agotamiento del ozono del 1-2% [13] .

A pesar de la discrepancia entre el modelo y la observación relacionada con el problema del ozono, a mediados de la década de 1970, seis años después del primer vuelo de prueba supersónico, el Concorde estaba listo para funcionar [14] . La resonancia política en Estados Unidos fue tan alta que el avión fue prohibido en el estado de Nueva York . Esto amenazó las perspectivas económicas del avión: se construyó teniendo en cuenta la ruta Londres-Nueva York. El avión fue autorizado al aeropuerto de Washington Dulles y se volvió tan popular que los neoyorquinos pronto comenzaron a quejarse porque no tenían uno. El Concorde pronto se dirigía al aeropuerto Kennedy .

Junto con las cambiantes consideraciones políticas, el público volador siguió mostrando interés en los cruces oceánicos de alta velocidad. Esto marcó el comienzo de un estudio de diseño adicional en los EE. UU. llamado "AST" (Transporte Supersónico Avanzado).

En ese momento, la economía de los conceptos de aviones supersónicos anteriores ya no era sólida. Cuando se diseñó por primera vez, se esperaba que el transporte supersónico compitiera con aviones de largo alcance que transportaban de 80 a 100 pasajeros, como el Boeing 707 , y con aviones más nuevos, como el Boeing 747 , que transportaba cuatro veces la velocidad y las ventajas de combustible del transporte supersónico desaparecieron debido a el tamaño enorme Otro problema fue que la amplia gama de velocidades a las que operan los vehículos supersónicos dificultaba la mejora de los motores. Si bien los motores subsónicos lograron grandes avances en eficiencia en 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 la relación es de alrededor de 0,45 en lugar de 2,0 o más para los diseños subsónicos. . Por ambas razones, los proyectos de aviones supersónicos estaban condenados a mayores costos operativos y los programas AST desaparecieron a principios de la década de 1980.

El Concorde solo se vendió a British Airways y Air France , con subsidios que supuestamente devolverían el 80% de las ganancias al gobierno. Sin embargo, en la práctica, durante casi toda la duración del acuerdo, no hubo beneficios para compartir. Luego de la privatización de Concorde, las medidas de reducción de costos y los precios más altos de los boletos dieron como resultado ganancias sustanciales.

Desde que el Concorde dejó de volar, ha quedado claro que el avión ha demostrado ser rentable durante su existencia, al menos para British Airways. Los gastos operativos durante casi 28 años de operación ascendieron a alrededor de mil millones de libras y los ingresos - 1,75 mil millones [15] .

Los últimos vuelos regulares de pasajeros aterrizaron en el aeropuerto de Londres Heathrow el viernes 24 de octubre de 2003 poco después de las 16:00 horas: el vuelo 002 procedente de Nueva York, un vuelo desde Edimburgo y un tercero que despegó de Heathrow en círculo sobre el golfo de Vizcaya .

A fines del siglo XX, aparecieron proyectos como Tu-244 , Tu-344 , avión supersónico silencioso SAI , Sukhoi Supersonic Business Jet , transporte civil de alta velocidad , ninguno de los cuales se implementó. Sin embargo, en la década de 2010, se reanudó el trabajo de creación.

Aviones supersónicos lanzados

El 21 de agosto de 1961, un Douglas DC-8-43 excedió la velocidad del sonido 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 Tomic (ingeniero de vuelo ) y Richard Edwards (ingeniero de pruebas). Fue el primer vuelo supersónico de un avión civil [16] .

Concordia

Se construyeron un total de 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 a partir de abril de 2003. Todos menos dos de estos aviones han sobrevivido; dos aviones F-BVFD estacionados como fuente de repuestos en 1982 y dados de baja en 1994, y un F-BTSC que se estrelló cerca de París el 25 de julio de 2000, matando a 100 pasajeros, 9 tripulantes y 4 personas en tierra.

Tu-144

Se construyeron un total de dieciséis Tu-144 en condiciones de volar; el decimoséptimo nunca se completó. Además, en paralelo con el desarrollo de un nuevo prototipo, se creó al menos un fuselaje de prueba en tierra para pruebas estáticas.

Problemas de volar aviones de pasajeros a velocidades supersónicas

Aerodinámica

Para todos los vehículos que se mueven por el aire, la fuerza de arrastre es proporcional al coeficiente de arrastre , el cuadrado de la velocidad del aire y la densidad del aire . Debido a que la resistencia aumenta rápidamente con la velocidad, una prioridad de diseño clave para los aviones supersónicos es minimizar esta fuerza mediante la reducción del coeficiente de resistencia. Esto da como resultado formas de aviones muy aerodinámicas. 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 la velocidad se acerca a la velocidad del sonido, aparece un fenómeno adicional de 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 de arrastre máximo es cuatro veces el arrastre subsónico. Por encima del rango transónico, la relación vuelve a caer bruscamente, aunque sigue siendo un 20 % más alta a Mach 2,5 que a velocidades subsónicas. Un avión supersónico debe tener una potencia significativamente mayor que la que necesita un avión subsónico para superar esta resistencia de onda, y aunque navegar por encima de la velocidad transónica es más eficiente, sigue siendo menos eficiente que volar a velocidad subsónica.

Otro problema en el vuelo supersónico es la relación sustentación - resistencia ( Drag - to -drag ratio ) de las alas. A velocidades supersónicas, los perfiles aerodinámicos crean sustentación de una manera muy diferente que a velocidades subsónicas, y son invariablemente menos eficientes. Por esta razón, se ha invertido una cantidad considerable de investigación en el desarrollo de una forma de ala para un vuelo supersónico sostenido. Aproximadamente a Mach 2, un diseño de ala típico reducirá a la mitad su relación sustentación- resistencia (por ejemplo, el Concorde tiene una relación de 7,14, mientras que el Boeing 747 subsónico tiene una relación de 17) [17] . Dado que el diseño de la aeronave debe proporcionar suficiente sustentación para superar su propio peso, la reducción de su calidad aerodinámica a velocidades supersónicas requiere un empuje adicional para mantener la velocidad y la altitud.

Motores

El diseño del motor a reacción varía considerablemente entre aviones supersónicos y subsónicos. Los motores a reacción , como clase, pueden proporcionar una mayor eficiencia de combustible a velocidades supersónicas incluso si su consumo específico de combustible es mayor a velocidades más altas. Dado que su velocidad sobre el suelo es mayor, esta reducción de la eficiencia es menos que proporcional a la velocidad hasta que supera Mach 2 y el consumo por unidad de distancia es menor.

Cuando el Concorde estaba siendo diseñado por Aérospatiale - BAC , los motores a reacción de alto bypass (motores " turboventiladores ") aún no se habían implementado en aviones subsónicos. Si el Concorde hubiera llegado durante el servicio de modelos más antiguos como el Boeing 707 o el de Havilland Comet , habría sido mucho más competitivo, aunque todavía llevaban más pasajeros. Cuando estos motores a reacción de derivación alta entraron en servicio comercial en la década de 1960, los motores a reacción subsónicos se volvieron inmediatamente mucho más eficientes, más cerca de los turborreactores a velocidades supersónicas. Una de las principales ventajas del transporte supersónico ha desaparecido.

Los motores turboventiladores mejoran la eficiencia al aumentar la cantidad de aire frío a baja presión que aceleran, utilizando parte de la energía que normalmente se usa para acelerar el aire caliente en un turborreactor clásico sin derivación . La máxima expresión de este diseño es el turbopropulsor , en el que casi toda la propulsión a chorro se utiliza para impulsar un ventilador muy grande, la hélice . La curva de eficiencia del diseño del ventilador significa que el grado de derivación , que maximiza la eficiencia general del motor, depende de la velocidad de avance, que disminuye de las hélices a los ventiladores y no cambia en absoluto a derivación 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 [18] .

Por ejemplo, los primeros Tu-144 estaban propulsados ​​por un turboventilador de baja relación de derivación y eran mucho menos eficientes que los turborreactores Concorde en vuelo supersónico. Los modelos posteriores tenían turborreactores con una eficiencia comparable. Estas limitaciones significaron que los diseños de aviones de pasajeros supersónicos no pudieron aprovechar la mejora masiva en la economía de combustible que los motores de derivación alta trajeron al mercado de motores subsónicos, pero ya eran más eficientes que sus contrapartes de turboventiladores subsónicos.

Problemas estructurales

Las velocidades de los vehículos supersónicos requieren estructuras de ala y fuselaje más estrechas y están sujetas a mayores cargas y temperaturas. Esto conduce a problemas de aeroelasticidad que requieren estructuras más pesadas para minimizar la flexión no deseada. Los aviones de pasajeros supersónicos también requieren una estructura mucho más fuerte (y, por lo tanto, más pesada), ya que su fuselaje debe estar presurizado con una caída de presión mayor que la de los aviones subsónicos, que no operan a las grandes altitudes requeridas para un vuelo supersónico. Todos estos factores combinados significaban que el peso relativo de un solo asiento vacío en un Concorde era más de tres veces mayor que el de un Boeing 747.

Sin embargo, tanto el Concorde como el TU-144 estaban hechos de aluminio convencional y duraluminio , mientras que los materiales más modernos como la fibra de carbono y el Kevlar tienen una tensión mucho más fuerte debido a su peso y también son más rígidos. Dado que el peso estructural por asiento es mucho mayor en un diseño de avión supersónico, cualquier mejora dará como resultado un mayor aumento de la eficiencia que los mismos cambios en un avión subsónico.

Altos costos

Comparación de eficiencia de combustible

Avión	Concordia [19]	Boeing 747-400 [ 20]
Millas de pasajeros /galón imperial	17	109
Millas de pasajeros / galones estadounidenses	catorce	91
Litro/pasajero 100 km	16.6	3.1

Los costos de combustible más altos y la capacidad de pasajeros más baja debido a los requisitos aerodinámicos de un fuselaje estrecho hacen que el transporte supersónico sea un modo de viaje comercial y civil más costoso en comparación con los aviones subsónicos. Por ejemplo, un Boeing 747 puede transportar más de tres veces más pasajeros que un Concorde utilizando aproximadamente la misma cantidad de combustible.

Sin embargo, los costos de combustible no representan la mayor parte del costo de la mayoría de los boletos de pasajeros para aviones subsónicos [21] . Para el mercado comercial transatlántico que usaba aviones supersónicos, el Concorde fue realmente muy exitoso y pudo sostener precios de boletos más altos. Ahora que los aviones comerciales supersónicos han cesado sus operaciones, está claro que el Concorde ha obtenido importantes beneficios para British Airways [22] .

Ruido de despegue

Uno de los problemas asociados con la operación del Concorde y Tu-144 fue el alto nivel de ruido del motor asociado con las altísimas velocidades de los motores a reacción utilizados durante el despegue y, más importante, al volar sobre áreas pobladas cerca del aeropuerto. Los motores supersónicos requieren un empuje específico bastante alto (empuje neto/flujo de aire) durante el vuelo supersónico para minimizar el área de la sección transversal del motor y, por lo tanto, la resistencia de la góndola . Desafortunadamente, esto implica altas velocidades de chorro, lo que hace que los motores sean ruidosos y cause problemas, especialmente a bajas velocidades/altitudes y durante el despegue [23] . Por lo tanto, el futuro transporte supersónico bien puede beneficiarse de un motor de ciclo variable , donde el empuje específico (así como la velocidad y el ruido del jet) es bajo durante el despegue, pero se ve obligado a ser alto durante el vuelo supersónico. La transición entre los dos modos ocurrirá en algún punto durante el ascenso y regresará durante el descenso para minimizar el ruido del jet a medida que se acerca al suelo. El desafío radica en diseñar una configuración de motor de ciclo variable para cumplir con los requisitos de área de sección transversal pequeña durante el vuelo supersónico.

Onda de choque

El estampido sónico no se consideró un problema importante debido a las grandes altitudes a las que volaban los aviones, pero los experimentos a mediados de la década de 1960, como las controvertidas pruebas del estampido sónico de Oklahoma City y el XB-70 Valkyrie ( XB-70) Valkyrie , demostraron lo contrario. En 1964, este problema hizo que no quedara claro si los aviones supersónicos civiles tendrían licencia [24] . La irritación del estampido sónico se puede evitar esperando hasta que la aeronave esté muy por encima del agua antes de alcanzar la velocidad supersónica. Los pilotos del Concorde utilizaron este método, pero impide el vuelo supersónico sobre áreas pobladas. Las aeronaves supersónicas tienen relaciones sustentación/resistencia bajas a velocidades subsónicas en comparación con las aeronaves subsónicas, a menos que se utilicen tecnologías como las alas de barrido variable y, por lo tanto, queman más combustible, lo que hace que su uso no sea económicamente viable a tales velocidades.[ ¿Qué? ] rutas de vuelo. Además, el Concorde tenía una sobrepresión de 93 Pa. Una presión excesiva de más de 72 Pa a menudo provoca quejas de los pasajeros [25] .

Si se reduce el auge, esto puede hacer que incluso los diseños de aviones supersónicos muy grandes sean aceptables para vuelos terrestres. La investigación muestra que los cambios en el cono de la nariz y la cola pueden reducir la intensidad del estampido sónico por debajo de lo que molesta a los pasajeros. En la década de 1960, se sugirió que la elaboración cuidadosa del fuselaje del avión 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. En ese momento, esto era difícil de probar, pero desde entonces, las crecientes posibilidades del diseño asistido por computadora han hecho que esta tarea sea mucho más fácil. En 2003, se lanzó un avión de demostración , que probó la confiabilidad del diseño y demostró la posibilidad de reducir el impacto alrededor de 2 veces. Incluso alargar el vehículo sin aumentar significativamente el peso reducirá la intensidad del impacto.

Dificultad para volar la aeronave 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 avión supersónico idealmente cambiaría de forma durante el vuelo para mantener un rendimiento óptimo tanto a velocidades subsónicas como supersónicas. Esta opción daría como resultado un diseño más complejo, lo que aumentaría los requisitos de mantenimiento, los costos operativos y los problemas de seguridad.

En la práctica, todos los vehículos supersónicos han utilizado la misma forma para vuelos subsónicos y supersónicos, ya que a menudo se han hecho concesiones de rendimiento a expensas del vuelo a baja velocidad. Relación planeo -resistencia al avance Por ejemplo, el Concorde tenía una resistencia muy alta ( una relación sustentación-resistencia de alrededor de 4) a baja velocidad, pero voló a alta velocidad durante la mayor parte de su vuelo. Los diseñadores del Concorde dedicaron 5000 horas a optimizar la forma del vehículo mediante pruebas en el túnel de viento para maximizar el rendimiento general en todo el plan de vuelo.

El Boeing 2707 tenía alas giratorias para mejorar la eficiencia a bajas velocidades, pero el mayor espacio requerido para tal característica creó problemas de rendimiento que finalmente resultaron insuperables.

North American Aviation tuvo un enfoque inusual para este problema con el XB-70 Valkyrie . Al bajar los paneles exteriores del ala a altas velocidades, pudieron aprovechar la sustentación por compresión en la parte inferior de la aeronave. Esto mejoró la relación de elevación a arrastre en aproximadamente un 30%.

Alta temperatura de la carcasa

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 generalmente están hechos de aluminio . Sin embargo, el aluminio, al ser ligero y resistente, no puede soportar temperaturas muy superiores a los 127 °C; a temperaturas tan altas, el aluminio pierde gradualmente sus propiedades, que se formaron en el proceso de solidificación secular. Para las aeronaves que vuelan a Mach 3 , se han utilizado materiales como el acero inoxidable ( XB-70 Valkyrie , MiG-25 ) o el titanio ( SR-71 , T-4 ), con un importante aumento de costes debido a que las propiedades de estos materiales aumentan enormemente. complicar la producción de la aeronave.

En 2017, se descubrió un nuevo material de revestimiento cerámico de carburo que puede soportar temperaturas de 3000 °C a Mach 5 o superior [26] .

Rango de vuelo corto

El alcance de un avión supersónico se puede estimar utilizando la ecuación de alcance de Breguet . El elevado peso al despegue por pasajero dificulta la obtención de una buena fracción de combustible. Este problema, junto con el problema asociado con las bajas relaciones de sustentación/resistencia, limita significativamente el alcance de los vehículos supersónicos. Debido a que las rutas de larga distancia no eran una opción viable, las aerolíneas tenían poco interés en comprar aviones supersónicos.

Falta de demanda de aviones supersónicos por parte de las aerolíneas

Las aerolíneas compran aviones como una forma de ganar dinero y quieren obtener el mayor rendimiento posible de sus activos . Potencialmente, valoran los aviones muy rápidos porque permiten más vuelos por día, lo que proporciona un mayor retorno de la inversión. Además, los pasajeros tienden a preferir vuelos rápidos y cortos a los más lentos y largos, por lo que operar aviones más rápidos puede dar a una aerolínea una ventaja competitiva , incluso en la medida en que muchos clientes estarán dispuestos a comprar boletos a precios más altos con el fin de ahorrar. tiempo. Sin embargo, los altos niveles de ruido del Concorde en los aeropuertos, los problemas de huso horario y la velocidad insuficiente significaban que solo se podía realizar un vuelo de ida y vuelta por día, por lo que la velocidad adicional no era una ventaja para la aerolínea, excepto con fines promocionales [27] . Los aviones de pasajeros supersónicos estadounidenses propuestos fueron diseñados para volar a Mach 3 en parte por esta razón. Sin embargo, dados los tiempos de aceleración y desaceleración, un viaje transatlántico a Mach 3 sería menos de tres veces más rápido que un viaje a Mach 1.

Debido a que los aviones de pasajeros supersónicos producen explosiones sónicas a velocidades supersónicas, rara vez se les permite exceder la velocidad del sonido sobre tierra y, por lo tanto, deben hacerlo sobre el mar. Debido a que son ineficientes a velocidades subsónicas en comparación con las aeronaves subsónicas, el alcance se degrada y se reduce la cantidad de rutas que una aeronave puede volar sin detenerse. También reduce la conveniencia de tales aeronaves para la mayoría de las aerolíneas. Los aviones supersónicos tienen un mayor consumo de combustible por pasajero que los aviones subsónicos; esto eleva necesariamente el precio del billete, en igualdad de condiciones, y también hace que ese precio sea más sensible al precio del petróleo . También hace que los vuelos supersónicos sean menos ecológicos, lo que es una preocupación creciente para el público en general, incluidos los turistas.

El principal objetivo de la inversión en investigación y desarrollo en el desarrollo de un nuevo avión supersónico es aumentar la velocidad del transporte aéreo. Por regla general, además del deseo de nuevos avances tecnológicos, su principal fuerza motriz es la presión competitiva de otros modos de transporte. La competencia entre diferentes proveedores de servicios dentro del mismo modo de transporte por lo general no conduce a tales inversiones tecnológicas para aumentar la velocidad. En cambio, los proveedores de servicios prefieren competir en la calidad y el costo de los servicios. Un ejemplo de este fenómeno es el tren de alta velocidad . El límite de velocidad para el transporte ferroviario se incrementó tanto que efectivamente compitió con el transporte por carretera y aéreo . Pero no se hizo para aumentar la competencia entre las empresas ferroviarias .

Este fenómeno también reduce la demanda de aviones supersónicos para las aerolíneas, ya que para el transporte en distancias muy largas (un par de miles de kilómetros), la competencia entre diferentes modos de transporte es más como una carrera de caballos: el transporte aéreo no tiene un competidor significativo. La única competencia es entre las aerolíneas, y preferirían pagar moderadamente para reducir los costos y mejorar la calidad del servicio que pagar mucho más para aumentar la velocidad. Además, las empresas comerciales generalmente prefieren planes de negocios de bajo riesgo con una alta probabilidad de generar ganancias notables, pero un programa costoso de investigación y desarrollo de tecnología avanzada es una empresa de alto riesgo porque es posible que el programa fracase por razones técnicas imprevistas o aumentar los costos tanto que obligará a la empresa, debido a los recursos financieros limitados, a abandonar los esfuerzos antes de que conduzcan a cualquier tecnología innovadora en la producción, lo que podría llevar a la pérdida de todas las inversiones.

Impactos ambientales

El Consejo Internacional de Transporte Limpio (ICCT) estima que el transporte supersónico quemará de 5 a 7 veces más combustible por pasajero [28] . ICCT muestra que un vuelo supersónico de Nueva York a Londres consumiría más del doble de combustible por pasajero que la clase ejecutiva subsónica , seis veces más que la clase económica y tres veces más que la clase ejecutiva subsónica para un vuelo de Los Ángeles a Sídney [29] . Los diseñadores pueden cumplir con los estándares ambientales existentes con tecnología avanzada o presionar a los políticos para que establezcan nuevos estándares para el transporte supersónico [30] .

Si hubiera 2000 vehículos supersónicos en 2035, habría 5000 vuelos por día en 160 aeropuertos, y la flota emitiría aproximadamente 96 millones de toneladas métricas de CO₂ por año (como American Airlines , Delta AirLines y Southwest Airlines , combinadas, en el año 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 parte de las emisiones para mantenerse en la trayectoria climática de 1,5 °C . El área afectada por el ruido alrededor de los aeropuertos podría duplicar la de 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 - Aeropuerto Kennedy, Frankfurt y Bangkok . Se escucharán estampidos sónicos frecuentes en Canadá , Alemania, Irak, Irlanda, Israel, Rumania, Turquía y partes de los Estados Unidos, hasta 150-200 por día o una vez cada cinco minutos [31] .

Desarrollos actuales

El deseo de un avión de pasajeros supersónico de segunda generación ha continuado en algunos elementos de la industria de la aviación [32] y han surgido varios conceptos nuevos desde el retiro del Concorde. En marzo de 2016, Boom Technology reveló que estaba en la fase de desarrollo de un avión supersónico para 40 pasajeros capaz de volar a Mach 2.2, afirmando que las simulaciones de diseño muestran que sería más silencioso y un 30 % más eficiente que el Concorde. volar de Los Ángeles a Sydney en 6 horas [33] .

Para mantener la viabilidad económica del transporte supersónico, la investigación de la NASA desde 2006 se ha centrado en reducir el estampido sónico para permitir el vuelo supersónico sobre la superficie. La NASA desarrolló recientemente un modelo de demostración mitigado por planeo de ruido relativamente bajo para obtener la aprobación pública para un posible levantamiento de la prohibición de la Administración Federal de Aviación de EE. UU. y la Organización de Aviación Civil Internacional a principios de la década de 2020. El Lockheed Martin X-59 QueSST simulará una onda de choque de Mach 1,6 a Mach 1,8 con un nivel de ruido percibido de 75 PNLdB en comparación con los 105 PNLdB del Concorde.

El mercado de aviones supersónicos de 200 millones de dólares podría expandirse 1300 veces en un período de 10 años, hasta los 260 000 millones de dólares [34] . El desarrollo y certificación de un nuevo modelo se estima en alrededor de 4 mil millones de dólares [35] .

TsAGI demostró en la exhibición aérea MAKS-2017 de Moscú un modelo a escala de su jet de negocios / jet comercial supersónico, que debería producir un estampido sónico relativamente silencioso, lo que permitiría vuelos supersónicos sobre el suelo. Está optimizado para navegar a 2100 km/h (1300 mph) y una autonomía de 7400-8600 km (4600-5300 millas). La investigación científica tiene como objetivo la optimización tanto para velocidades transónicas de Mach 0,8–0,9 como para velocidades supersónicas de Mach 1,5–2,0. El diseño se está probando en un túnel de viento , mientras que los motores se están desarrollando en el Instituto Central de Motores de Aeronaves , y los diseños están siendo estudiados por Aviadvigatel y NPO Saturn [36] .

En la conferencia de la Asociación Nacional de Aviación Comercial de octubre de 2017 en Las Vegas, donde la NASA solo apoyó la investigación, varias compañías se encontraron con problemas de ingeniería al ofrecer modelos funcionales de aeronaves con diferentes rangos y velocidades máximas [37] :

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 [38] . En octubre de 2018, la Administración Federal de Aviación de EE . UU. implementó la re-aprobación de estándares de ruido para vehículos supersónicos, lo que brindó a los desarrolladores certeza regulatoria para sus proyectos, principalmente para la selección de motores. La FAA propuso las regulaciones para la aprobación de pruebas de vuelo supersónico y la certificación de ruido de EE. UU. a principios de 2019, mientras que la NASA planea lanzar el demostrador de bajo ruido Lockheed Martin X-59 según los estándares de la OACI en 2025 [39] .

En 2016, la NASA anunció que había firmado un contrato para desarrollar un prototipo de avión supersónico X-59 QueSST de última generación y bajo nivel de ruido . El equipo de diseño está dirigido por Lockheed Martin Aeronautics [40] . En junio de 2019, inspirado por la Iniciativa de Vuelo Supersónico Silencioso de la NASA, Lockheed Martin presentó el Avión Supersónico Silencioso [41] , un concepto de avión de pasajeros del Pacífico Mach 1.8 para 40 pasajeros. La reducción del ruido del aeropuerto y del estampido sónico es proporcionada por un diseño de espolón con forma, un sistema integrado de propulsión de bajo ruido, flujo laminar natural supersónico de ala en flecha y un sistema de vista de cabina. La estructura de 225 pies (69 m) es significativamente más larga que la del Concorde, con una proa de casi 70 pies (21 m) y una cabina de 78 pies (24 m). El ala delta fuertemente barrida tiene una envergadura de 73 pies (22 m), ligeramente más estrecha que la del Concord [42] .
Los objetivos de diseño son un rango de vuelo de 7800-9800 km y una longitud de campo de despegue de 2900-3200 m, un estampido sónico de 75-80 dB y una velocidad de Mach 1,6-1,7 sobre tierra y Mach 1,7-1,8 sobre el agua . Los motores ignífugos de doble cola con una capacidad de 180 kN están ubicados entre las colas en V. El sistema de propulsión integrado de bajo ruido incluye diseños de silenciador avanzados , un protector de ruido y palas de hélice resistentes a la distorsión . En este momento (2021) se ha ensamblado un fuselaje prototipo.

El SAI Quiet Supersonic Transport de Supersonic Aerospace International (SAI) es un avión de pasajeros de 12 pasajeros de Lockheed Martin (?) que navegará a Mach 1.6 con una fuerza de explosión sónica de solo el 1% de la fuerza de choque generada por el Concorde. [ 43] .

En agosto de 2020, Virgin Galactic se asoció con Rolls-Royce para presentar el concepto de un avión birreactor con ala delta y una velocidad máxima Mach 3 capaz de transportar hasta 19 pasajeros [44] .

Modelo	Número de pasajeros	Velocidad	rango de vuelo	Peso máximo de despegue	Empuje total	Relación de empuje a peso
Tu-144	150	Mach 2	3.500 millas náuticas (6.500 km)	207 toneladas (456.000 libras)	960kN	0.44
Concordia	120	Mach 2.02	3.900 millas náuticas (7.200 km)	185 toneladas (408.000 libras)	676 kN	0.37
Obertura de tecnología Boom	55	Mach 1.7	4.500 millas náuticas (8.300 km)	77,1 toneladas (170.000 libras)	200–270 kN	0,26–0,35
Espiga S-512	Dieciocho	Mach 1.6	11.500 km (6.200 millas náuticas )	52,2 toneladas (115.000 libras)	177,8 kN	0.35

Conceptos anteriores

En noviembre de 2003, la empresa matriz de Airbus , EADS , anunció que estaba considerando trabajar con empresas japonesas para desarrollar un reemplazo más grande y más rápido para el Concorde [45] . En octubre de 2005, la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) realizó 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 Hypersonic Transport ) [46] . En ese momento, se esperaba que entrara en servicio alrededor de 2020-25.

En mayo de 2008, se informó que Aerion Corporation había vendido un pedido anticipado de $ 3 mil millones para su avión comercial supersónico Aerion SBJ [47] . A finales de 2010, el proyecto continuó con un vuelo de prueba de la sección del ala. El Aerion AS2 se propuso como un trijet de 12 asientos con un alcance de 8800 km (5470 mi) a Mach 1,4 sobre el agua, o 9800 km (6100 mi) a Mach 0,95 sobre tierra, aunque se afirmó que el vuelo sin estampido sónico en Mach 1.1. Con el apoyo de Airbus y con 20 pedidos de lanzamiento de Flexjet en mayo de 2017, cuando se seleccionó a GE Aviation como socio comercial para un estudio conjunto de motores, las primeras entregas se retrasaron dos años desde 2023 [48] .

También se propusieron nuevos modelos de aviones supersónicos Tu-444 y Gulfstream X-54 .

Transporte hipersónico

Si bien los motores turbohélice y ramjet convencionales son capaces de mantener una eficiencia razonable 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 el tiempo de viaje a una o dos horas en cualquier parte del mundo. Estas variantes a menudo sugieren el uso de cohetes o motores a reacción ; También se han propuesto motores de detonación por impulso . Tal vuelo está asociado con muchas dificultades, tanto técnicas como económicas. Los aviones propulsados ​​por cohetes, si bien son técnicamente prácticos (ya sea como vehículos balísticos o como vehículos semibalísticos que usan alas), usarán grandes cantidades de combustible y funcionarán mejor a velocidades de alrededor de Mach 8 a velocidades orbitales . Los cohetes compiten mejor con los motores a reacción en cuanto a costos en distancias muy largas; sin embargo, el costo de lanzar tales aeronaves no será mucho más bajo que el costo de un lanzamiento orbital.

En el Salón Aeronáutico de París en junio de 2011, EADS presentó su concepto ZEHST , navegando a Mach 4 (4.400 km/h) a 105.000 pies (32 km). Este modelo atrajo el interés de los japoneses [49] . Desde 2005 , el Centro Alemán de Aviación y Cosmonáutica ha estado trabajando en el proyecto de la nave espacial de pasajeros hipersónica suborbital SpaceLiner .

Se están investigando motores a reacción preenfriados en Europa y Japón. Estos son motores a reacción con un intercambiador de calor de entrada que enfría el aire a velocidades muy altas. Pueden ser prácticos y eficientes hasta Mach 5.5. La empresa británica Reaction Engines Limited , 50% financiada por la UE, participó en un programa de investigación llamado LAPCAT , que estudió el diseño de un avión de hidrógeno para 300 pasajeros llamado A2 , potencialmente capaz de volar a Mach 5 sin escalas desde Bruselas a Sydney en 4,6 horas [50] .

Avión hipersónico Boeing

Boeing presentó en la conferencia AIAA 2018 un avión de pasajeros que alcanza velocidades de Mach 5 (5400 km/h). Cruzar el Atlántico en 2 horas o el Pacífico en 3 horas a 95 000 pies (29 km) permitiría vuelos de regreso el mismo día, lo que aumentaría la utilización de los activos de la aerolínea. Con un fuselaje de titanio , su capacidad sería menor que la de un Boeing 737 , pero mayor que la de un jet de negocios de largo alcance . Se podría lanzar un modelo de demostración reutilizable ya en 2023 o 2024 para una posible puesta en servicio a partir de finales de la década de 2030. La aerodinámica se beneficiaría de la experiencia del Boeing X-51 Waverider en el borde de ataque de la onda de choque para reducir la resistencia inducida . El control de flujo aumentaría la sustentación a velocidades más bajas, y la eliminación de los posquemadores durante el despegue reduciría el ruido [51] .

El avión de pasajeros hipersónico de Boeing estará propulsado por un turborreactor , un turboventilador , que cambia a un motor a reacción a Mach 5, evitando la necesidad de un estatorreactor similar al Pratt & Whitney J58 del SR-71 Blackbird , pero apagando la turbina a mayor velocidad. velocidades Se integrará en un diseño anular axisimétrico con una sola entrada y boquilla, y una derivación alrededor del motor de turbina para un estatorreactor/postquemador combinado en la parte trasera. Esto requeriría una tecnología de refrigeración avanzada, como un intercambiador de calor , desarrollado por Reaction Engines , que posiblemente utilice metano líquido o combustible para aviones .

Volar a una altitud de 90 000 a 95 000 pies (27 000 a 29 000 m) aumenta el riesgo de despresurización . Se eligió Mach 5 como el límite alcanzable con la tecnología disponible. En este caso, será posible cruzar el Atlántico cuatro o cinco veces al día, que Concord cruzaba solo 2 veces al día [52] .

Notas

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3. ↑ Revistas Hearst. Mecánica Popular . — Revistas Hearst, 1960-04. — 306 pág. Archivado el 13 de junio de 2021 en Wayback Machine .
4. ↑ The Bulletin - Búsqueda en el archivo de noticias de Google . noticias.google.com . Consultado el 16 de junio de 2021. Archivado desde el original el 24 de junio de 2021. (indefinido)
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