Bariera dźwięku

Napęd hiperdźwiękowy testowany właśnie przez amerykańską armię nie jest drogą do szybszych samolotów pasażerskich. Krótsza droga do Australii wiedzie przez przestrzeń kosmiczną.

03.09.2012

Czyta się kilka minut

Wizualizacja testowanego przez amerykańską armię prototypu X-51A,  który osiąga sześciokrotną prędkość dźwięku. / U.S. Air Force
Wizualizacja testowanego przez amerykańską armię prototypu X-51A, który osiąga sześciokrotną prędkość dźwięku. / U.S. Air Force

Niedawno mój przyjaciel z ławy szkolnej, z którym nie widziałem się 20 lat, postanowił przyjechać z Australii, by odwiedzić stare śmieci w naszym pięknym kraju. Podróż z przesiadkami trwała 36 godzin, a z samolotu w Warszawie wysiadł zmacerowany jak suszony pomidor.

Właściwie 36 godzin podróży to wyczyn: James Cook potrzebował na to aż dwóch lat, nie licząc wcześniejszych nieudanych prób. Ale mimo wszystko mamy XXI wiek, a już trzy dekady temu concorde potrafił pokonać dystans między Europą i Australią w 14 godzin.

Dlaczego wciąż nie latamy szybciej?

SZYBCIEJ OD KULI

Nic dziwnego, że gdy pojawia się informacja o samolocie, który byłby w stanie przelecieć z Europy do Australii w 2 godziny, dla każdego, kto doświadczył dłuższego lotu, wydaje się ona wielce atrakcyjna. Takie deklaracje towarzyszyły doniesieniom o zakończonych sukcesem testach prototypu X-51 prowadzonych przez amerykańską armię. Prędkość mach 6, którą utrzymał przez 5 minut, pokonując w tym czasie dystans równy odległości między Warszawą a Wrocławiem, rozbudza wyobraźnię, gdy przypomnimy sobie, że concorde latał z prędkością mach 2, najszybszy samolot świata SR-71 Blackbird rozwijał prędkość mach 3,5 – tyle co kula karabinowa.

Mach 1 to prędkość dźwięku w danym ośrodku, co jest o tyle mylące, że w powietrzu nad poziomem morza wynosi ona 1224 km/h, ale na wysokości 10 km, na której porusza się większość samolotów, już tylko 1080 km/h. Udana próba X-51 to jeden z pierwszych kroków w kierunku nowego typu samolotów.

Niestety dystans do pokonania jest jeszcze większy niż między samolotem braci Wright a jumbo jetem. To, co przetestowali Amerykanie, to raptem silnik przyczepiony do niewielkiego kadłuba, z małą ilością paliwa, lecący ledwie kilka minut. Tak naprawdę celem eksperymentu było przetestowanie w locie silnika, którego teoretyczna budowa jest prostsza nawet od cepa. W normalnym silniku odrzutowym znajdują się wirujące łopatki, których część ma za zadanie dostarczyć powietrze do komory spalania, a część służy do odbierania energii ze spalonego paliwa i zamiany jej na ruch obrotowy. Ale w silniku samolotu lecącego z prędkością kilka razy przekraczającą prędkość dźwięku ten koncept się nie sprawdza. Łopatki musiałyby bowiem wirować z tak dużą prędkością, że nie ma na świecie materiału zdolnego do wytrzymania gigantycznych naprężeń spowodowanych ruchem wirowym. Tytan, powszechnie stosowany w silnikach napędzających odrzutowce, jest za słaby. Problem rozwiązano radykalnie – otóż jednostka napędowa X-51, zwana ramjet, nie zawiera żadnych obrotowych części. Tego typu silnik to rura, do której z jednej strony wpada powietrze, jest sprężane przez odpowiednie ukształtowanie wnętrza, i trafia do komory spalania. Tam wstrzykiwana jest odrobina paliwa, które zapala się od wysokiej temperatury sprężonego powietrza i rozpędza strumień gazów wylotowych. Taki silnik im szybciej leci, tym więcej powietrza zagarnia, a więc tym więcej może spalić paliwa i tym szybciej leci. Niemal jak perpetuum mobile.

Prototyp X-51, przetestowany w sierpniu, spoczął na dnie oceanu, jak kilka jego poprzedników. W końcowej fazie lotu inżynierowie utracili nad samolotem kontrolę z powodu awarii sterów ogonowych, ale nawet gdyby zachowali ją do końca,nie oznacza to, że lądowaliby gdzieś na lotnisku. Od początku do końca przeznaczeniem prototypu było rozpędzić się do gigantycznej prędkości, lecieć 5 minut i spaść do wody. Nawet czarna skrzynka nie była potrzebna, bo wszystkie istotne dane były przekazywane drogą radiową do stanowiska kontroli lotów. Inżynierowie firmy Boeing, która zbudowała prototyp na zamówienie Armii USA, są zadowoleni z wyników, choć na zewnątrz nie wygląda to na sukces.

PRĘDKOŚĆ NIEOPŁACALNA

Ale do załogowego lotu z taką prędkością droga jeszcze daleka. Przewiezienie czymś takim człowieka byłoby już wielkim wyczynem, a w erze predatorów, czyli bezzałogowych maszyn latających, wcale nie jest oczywiste, czy badania kiedykolwiek pójdą w kierunku wożenia takim samolotem ludzi.

Ludzie to w ogóle problematyczny pasażer. Potrzebują powietrza o odpowiednim ciśnieniu i temperaturze między 10 a 30 stopni Celsjusza. A jeśli chce się ich wozić komercyjnie, czyli namówić ich do zapłacenia za bilet, to wymagają jeszcze toalety, przekąsek i uśmiechniętej stewardessy. Dlatego amerykańska armia może zadecydować, że znacznie skuteczniejszym rozwiązaniem problemu, nad którym pracują, jest wysłanie prototypem samolotu hiperdźwiękowego raczej 200 kg materiałów wybuchowych przy bezzałogowym pilotażu, zamiast 80 kg pilota i 120 kg systemów podtrzymywania życia.

Z kolei biznesmeni wcale nie muszą być chętni do latania na drugi koniec globu za ogromne pieniądze. Muszą się oni przecież rozliczyć z każdego dolara przed inwestorami, a inwestor może zapytać: „A czy nie taniej było zrobić z Australią telekonferencję?”.

Tymczasem bez naprawdę dużych pieniędzy nie ma co marzyć o zbudowaniu pasażerskiego samolotu hiperdźwiękowego. Zbudowanie concorde’a stanowiło wysiłek finansowy porównywalny z wysłaniem człowieka na Księżyc, który nigdy się nie zwrócił, ze względu na paliwożerność. Concorde’a zabiły ceny paliwa, jumbo jety i internet. A problemy techniczne przy locie z tak wielką prędkością są dosłownie kosmiczne. Na przykład samolot nagrzewa się od tarcia o powietrze do niebotycznych temperatur. Concorde w czasie lotu z prędkością mach 2 rozgrzewał się do 200 stopni Celsjusza, mimo że wokół niego powietrze miało temperaturę -50 stopni. Trzy razy większa prędkość to dziewięć razy większa energia, więc powstaje też dziewięć razy więcej ciepła, z którym coś trzeba zrobić. Tak nawiasem mówiąc, w concorde’ach postępowano dosyć oryginalnie: ciepłem odprowadzonym z kadłuba podgrzewano paliwo tuż przed dostarczeniem go do silników.

TRASA PRZEZ KOSMOS

To nie znaczy, że samoloty hipersoniczne w ogóle nie będą budowane. Są zastosowania, w których cena aż tak nie gra roli, a potencjalne zyski są ogromne. Pierwsze z nich to cele militarne: wojskowi nigdy się nie przejmowali pieniędzmi, gdy chodziło o nowe zabawki.

Ale napęd hiperdźwiękowy testuje też NASA, dla której ogromnym problemem jest rozpędzanie rakiet do prędkości rzędu mach 30 – tyle potrzeba, żeby dostała się ona na orbitę. Silniki rakietowe sprawdzają się dobrze, ale niestety potrzebują nie tylko paliwa, jak silniki lotnicze, ale również utleniacza. Przypomnijmy sobie sylwetkę startującego promu kosmicznego: ogromny zbiornik pod promem zawierał głównie ważący 600 ton tlen, stanowiący prawie 90 proc. masy materiałów pędnych. Tymczasem napęd hiperdźwiękowy (ten testowany przez NASA, jak i przez wojsko) jest zbudowany inaczej: paliwo czerpie ze zbiornika, a tlen potrzebny do jego spalania – z atmosfery. Jest więc o co walczyć. Wprawdzie rakieta kosmiczna zawsze będzie musiała zabierać ze sobą tlen do silników, bo przecież w końcu opuści atmosferę, ale jeśli na początku podróży da się zaoszczędzić kilkaset ton, to zysk jest już duży. Tak duży, że być może turystyczne wycieczki w kosmos staną się możliwe.

Co więcej, może to zaowocować efektywnym transportem na duże odległości.

Warto sobie uzmysłowić, że przestrzeń kosmiczna znajduje się zaledwie 100 km od powierzchni Ziemi. A tam już nie ma problemów z oporem powietrza, a więc też np. z nagrzewaniem się powierzchni samolotu. Na dodatek wizja budowania statku kosmicznego jest po wielokroć bardziej atrakcyjna dla potencjalnych inwestorów. W projekty kosmiczne zainwestował między innymi Jeff Bezos, założyciel Amazona, czy właściciel holdingu Virgin – Richard Branson. Pierwszy z nich skupia się na stworzeniu statku kosmicznego, który będzie woził astronautów w przestrzeń kosmiczną, drugi stawia na loty turystyczne.

Szybki samolot stanie się prędzej odpryskiem technologii kosmicznej niż projektem tworzonym od podstaw z myślą o szybkim transporcie. Czyli jeśli ktoś nas błyskawicznie zawiezie do Australii, to raczej NASA niż US Army.

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]
Urodzony w 1971 r. Dziennikarz naukowy, stały współpracownik „Tygodnika Powszechnego”. Absolwent Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytet Warszawski (kierunek matematyka). W latach 80. XX w. był współpracownikiem miesięcznika komputerowego „… więcej

Artykuł pochodzi z numeru TP 37/2012