Η Επάνοδος των Υπερηχητικών Επιβατικών Αεροσκαφών (Supersonic Transport): Η Νέα Γενιά

Οι πολιτικές αερομεταφορές εισέρχονται σε μια νέα συναρπαστική εποχή, αυτή των υπερηχητικών πτήσεων. Η κατάλληλη αξιοποίηση αυτής της προοπτικής μπορεί να βελτιώσει τις υπηρεσίες που λαμβάνουν οι επιβάτες, μειώνοντας δραματικά το χρόνο ολοκλήρωσης των ταξιδιών τους (βλ. Πίνακα 1), ιδιαίτερα όταν αυτά είναι υπερατλαντικά/μεγάλων αποστάσεων, αλλά και να επιφέρει μεγαλύτερα κέρδη στις αεροπορικές εταιρείες δίνοντας τους τη λειτουργική ευελιξία να πραγματοποιούν περισσότερες πτήσεις ανά ημέρα. Στον παρακάτω πίνακα παρατηρείται η εξοικονόμηση χρόνου αποπεράτωσης πτήσεων με την είσοδο στην εποχή των υπερηχητικών πολιτικών αεροσκαφών (supersonic transport, SST) [1].

Παρά την αυξανόμενη τεχνολογική ανάπτυξη και εμπειρία στο χώρο της αεροναυπηγικής, η σχεδίαση ενός υπερηχητικού αεροσκάφους για πολιτική χρήση (SST) κάτω από τεχνοοικονομικούς και περιβαλλοντολογικούς περιορισμούς, είναι μια σύνθετη διαδικασία με αρκετές προκλήσεις και περιορισμούς.

Το φράγμα του ήχου

Στις αρχές της δεκαετίας του 1940, υπήρξε ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη μελέτη της περιοχής υψηλών ταχυτήτων, η οποία κυριαρχείται από φαινόμενα συμπιεστότητας. Το Bell X-1, με πιλότο τον σμηναγό Chuck Yeager, ήταν το πρώτο πειραματικό αεροσκάφος που ολοκλήρωσε επιτυχημένη υπερηχητική πτήση στις 14 Οκτωβρίου 1947 σηματοδοτώντας την αρχή της εποχής της υπερηχητικής πτήσης [2].

 

Τα πρώτα υπερηχητικά πολιτικά αεροσκάφη (SSTs)

Το Tupolev Tu-144 και το Concorde αποτελούν τα δύο υπερηχητικά πολιτικά αεροσκάφη αερογραμμών που έχουν επιτυχώς εκτελέσει πτήση μέχρι σήμερα. Το Tupolev Tu-144 αναπτύχθηκε από τη Σοβιετική Ένωση και ήταν το πρώτο πολιτικό αεροσκάφος που εκτέλεσε υπερηχητική πτήση, το 1968, ωστόσο είχε μια σειρά από τεχνικά προβλήματα που το οδήγησαν σε σχετικά άμεση απόσυρση του πριν στο στάδιο παραγωγής του, συμπεριλαμβανομένων των επιπέδων θορύβου στην καμπίνα και των τεχνικών προκλήσεων με τους κινητήρες του. Το Concorde αναπτύχθηκε με τη συνεργασία της Γαλλίας και του Ηνωμένου Βασιλείου και πέταξε για πρώτη φορά το 1969. Θεωρείται η πιο επιτυχημένη ανάπτυξη υπερηχητικού πολιτικού αεροσκάφους αερογραμμών (SST), με την λειτουργία του να σημειώνει περισσότερα από 27 χρόνια. Η απόσυρση του το 2003 οφείλεται σε ποικιλία παραγόντων, όπως τα υψηλά λειτουργικά κόστη και κόστη συντήρησης, τη μείωση της ζήτησης καθώς και το περιβαλλοντικό του αποτύπωμα, σε επίπεδα θορύβου και εκπομπής ρύπων.

Παρά την σηματοδότηση του πέρατος των υπερηχητικών πτήσεων, επίσημα το 2003 με την απόσυρση του Concorde, τα δυο αυτά αεροσκάφη αποτελούν υψηλά τεχνολογικά επιτεύγματα της εποχής τους και θεωρούνται ορόσημα της αεροναυπηγικής επιστήμης.

Αξιολόγηση της αγοράς των SSTs νέας γενιάς

Τα SSTs αναμένονται να εισέλθουν στην παγκόσμια αγορά πολιτικών αεροσκαφών συνυπάρχοντας με τα υποηχητικά, χωρίς όμως να τα αντικαταστήσουν. Υποστηρίζεται ότι τα SSTs χαμηλότερης χωρητικότητας επιβατών έχουν καλύτερες προοπτικές αμεσότερης εισαγωγής στην αγορά εξαιτίας της περιορισμένης ζήτησης και της αναγκαιότητας εκτέλεσης πτήσεων με υψηλή πληρότητα θέσεων. Συγκεκριμένα, τα μικρά υπερηχητικά business jets (SSBJ – Supersonic Business Jet) φαίνονται να είναι η καταλληλότερη αρχική επιλογή για την αγορά, αποτελώντας ταυτόχρονα ένα μέσο ανάπτυξης και ωρίμανσης τεχνολογιών για την επίτευξη μελλοντικών SSTs αερογραμμών (Airliners), διευρύνοντας την αγορά σε μεγαλύτερο πλήθος επιβατών, καλύπτοντας την ανάγκη τους για όλο και ταχύτερη μεταφορά [3]. Επίσης, η εισαγωγή των SSTs είναι πιθανότερο να περιοριστεί αρχικά σε δυνατότητες υπερηχητικής πτήσης αποκλειστικά μόνο πάνω από θάλασσα και υστερόχρονα να διευρυνθεί και πάνω από το έδαφος, εξαιτίας της ανάγκης ανάπτυξης τεχνολογιών περιορισμού των sonic booms [4].

Σε εισαγωγικό επίπεδο, η αγορά των SSTs απευθύνεται στο ίδιο κοινό με αυτή των σημερινών business / 1st class θέσεων, καθώς οι τιμές των εισιτηρίων εκτιμούνται ότι θα είναι παρόμοιες [5], και στους ιδιοκτήτες ιδιωτικών αεροσκαφών.

Κανονισμοί και πρότυπα

Ανάπτυξη περιβαλλοντικών προτύπων υπερηχητικών αεροσκαφών

1. ICAO Annex 16 – Περί περιβαλλοντικής προστασίας [6-10]

Στο πλαίσιο της αξιολόγησης και ελέγχου του περιβαλλοντικού αποτυπώματος της πολιτικής αεροπορίας, ο Διεθνής Οργανισμός Πολιτικής Αεροπορίας (International Civil Aviation Organization – ICAO) έχει καθιερώσει διεθνή πρότυπα και συνιστώμενες πρακτικές (Standards and Recommended Practices – SARPs) για την πιστοποίηση αεροσκαφών και αεροκινητήρων. Συγκεκριμένα, ο ICAO μέσω της Annex 16 δραστηριοποιείται σε τέσσερα (4) επίπεδα, αυτά του παραγόμενου θορύβου από τα αεροσκάφη, τις εκπομπές ρύπων των αεροκινητήρων, τα επίπεδα εκπομπών CO2 και τη μείωση εκπομπών άνθρακα (Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation – CORSIA). Αξίζει να σημειωθεί ότι οι κανονισμοί του ICAO ανανεώνονται και συχνά θέτουν πιο αυστηρούς περιβαλλοντικούς κανόνες.

Ο ICAO εργάζεται και στην ανάπτυξη προτύπων για τα SSTs, συμπεριλαμβανομένης της θέσπισης διαδικασιών τεχνικών δοκιμών πτήσης για πιστοποίηση θορύβου. Κατά τη διάρκεια του κύκλου CAEP/11 (2016-2019) σημειώθηκε πρόοδος στον εντοπισμό τοποθεσιών μέτρησης θορύβου, στην επιλογή κατάλληλων τρόπων μέτρησης θορύβου και στην αξιολόγηση των επιπρόσθετων δυνατοτήτων που δίδονται από την πρόβλεψη των sonic booms κατά τη φάση πιστοποίησης υπερηχητικής πτήσης. Μια διερευνητική μελέτη σχετικά με τις επιπτώσεις του θορύβου στην φάση της απογείωσης και της προσγείωσης LTO (Landing and Take-Off) θα πραγματοποιηθεί κατά τη διάρκεια του κύκλου CAEP/12 (2019-2022), συνεισφέροντας στην καλύτερη κατανόησης του LTO θορύβου και την ανάδειξη των διαδικασιών και των προτύπων περιορισμού του. Αναμένεται ότι η καθιέρωση και υλοποίηση πιστοποιήσεων SSTs αναμένεται να μπορεί να πραγματοποιηθεί μεταξύ των 2020-2025.

2. FAA FAR – 14 CFR Part 36 – Πρότυπα θορύβου – πιστοποίηση “τύπου” και αξιοπλοϊμότητας αεροσκάφους [11,12]

Καθώς η τεχνολογία μείωσης θορύβου ωριμάζει, η Ομοσπονδιακή Υπηρεσία Αεροπορίας (Federal Aviation Administration – FAA) συνεργάζεται με τη διεθνή κοινότητα για να καθορίσει εάν χρειάζονται αυστηρότερα πρότυπα περιορισμού του παραγόμενου θορύβου. Όταν αυτό συμβαίνει, η διεθνής κοινότητα, μέσω του Διεθνούς Οργανισμού Πολιτικής Αεροπορίας (ICAO), διεξάγει μια ολοκληρωμένη ανάλυση για να καθορίσει τα νέα πρότυπα.

Η FAA έχει θεσπίσει όρια στα επιτρεπόμενα επίπεδα εκπομπών θορύβου αεροσκαφών, με τον 14 CFR Part 36 κανονισμό. Τα αεροσκάφη οφείλουν να πληρούν τα θεσπισμένα πρότυπα για τη λήψη νέων ή αναθεωρημένων πιστοποιητικών “τύπου” ή αξιοπλοϊμότητας για λειτουργία τους εντός των Η.Π.Α.

Σημειώνεται ότι αυτή τη στιγμή η υπερηχητική πτήση πολιτικών αεροσκαφών απαγορεύεται πάνω από τα εδάφη των ΗΠΑ και σε απόσταση τέτοια που οποιοδήποτε sonic boom φτάσει στις ακτές των ΗΠΑ, χωρίς την έγκριση της FAA, συμφώνως του 14 CFR Part 91.817. Ωστόσο, η FAA έχει ηγετική θέση στη δημιουργία ομοσπονδιακών και διεθνών πολιτικών, κανονισμών και προτύπων για την πιστοποίηση, την ασφαλή και αποτελεσματική λειτουργία των SSTs.

SSTs νέα γενιάς

Η νέα γενιά SSTs θα είναι περιβαλλοντικά φιλική, οικονομικά βιώσιμη και τεχνολογικά υλοποιήσιμη. Οι τάσεις σχεδιασμού υποδεικνύουν την ανάπτυξη αεροσκαφών με χαμηλά επίπεδα παραγόμενου θορύβου και καυσαερίων και ταυτόχρονα ελαχιστοποιημένη κατανάλωση καυσίμου ανά επιβάτη ανά nmi. Σε επίπεδο βιομηχανίας, οι προσπάθειες ανάπτυξης υπερηχητικών πολιτικών αεροσκαφών επικεντρώνονται κυρίως στις εταιρείες Boom Supersonic [13], Spike Aerospace [14] και την Aerion Corporation, με την τελευταία να έχει αποσυρθεί το 2021 [15].

Sonic Booms και N-waves

Κατά την υπερηχητική πτήση παράγονται διάφορα κύματα κρούσης από το αεροσκάφος, τα οποία συνενώνονται και διαδίδονται προς το έδαφος. Προσεγγίζοντας το έδαφος, αυτές οι συγχωνεύσεις διαμορφώνουν ένα “N-wave”, το οποίο ονομάζεται έτσι λόγω του σχήματος της κατανομής της πίεσης του, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4. Συγκεκριμένα, ένα “N-wave” αποτελείται από ένα προπορευόμενο και ένα ακολουθούμενο κύμα κρούσης. Το προπορευόμενο κύμα κρούσης αυξάνει απότομα την πίεση, η οποία ακολουθείται από μια σχεδόν γραμμική εκτόνωση (recovery phase), και τελειώνει με μια απότομη αύξηση της πίεσης από το ακολουθούμενο κύμα κρούσης. Η ακουστική ενέργεια που θα φτάσει στο έδαφος θα γίνει αντιληπτή ως ένας ηχητικός κρότος, αποκαλούμενος ως “sonic boom”. Στη γενική περίπτωση, η ισχύς του sonic boom μειώνεται όσο μεγαλώνει η απόσταση που έχουν να διανύσουν τα κύματα κρούσης μέχρι το έδαφος. Προκύπτει άμεσα ότι το μεγάλο ύψος πτήσης επιδρά θετικά στον περιορισμό της ισχύος του sonic boom [16].

Προσέγγιση σχεδιασμού SSTs

Οι σύγχρονες προσεγγίσεις σχεδιασμού της νέας γενιάς SSTs, απομακρύνεται από την μεμονωμένη ανάπτυξη μερών του αεροσκάφους, του αεροκινητήρα και των συστημάτων τους, προσεγγίζοντας το σύνολο του αεροσκάφους ως ένα σύστημα με αλληλοεπιδρώντα μέρη. Συγκεκριμένα, αυτή η προσέγγιση σχεδιασμού, η οποία ονομάζεται “integrated design approach”, λαμβάνει υπόψιν τις αλληλεπιδράσεις του αεροσκάφους, του αεροκινητήρα και των συστημάτων τους, οι οποίες επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την συνολική απόδοση και λειτουργία του αεροσκάφους-κινητήρα-συστημάτων. Η υιοθέτηση της “integrated design approach” είναι κρίσιμης σημασίας για την ανάπτυξη της νέας γενιάς των SSTs, καθώς μέσω αυτής αναδεικνύονται σημαντικοί παράμετροι σχεδιασμού που οδηγούν σε λήψη κρίσιμων αποφάσεων σχεδιασμού από τα αρχικά του στάδια. Προκύπτει, επομένως, ότι η αυτή η προσέγγιση σχεδιασμού θα συμβάλει καθοριστικά στην ανάπτυξη των SSTs και στην επιτυχή εισαγωγή τους στην αγορά [17].

 

Σύγχρονα πεδία έρευνας στα SSTs

Ευρωπαϊκά προγράμματα

1. SENECA (LTO noiSe and EmissioNs of supErsoniC Aircraft)

Το project SENECA είναι μια συνεργατική προσπάθεια ακαδημαϊκών και βιομηχανικών αεροναυπηγικών/αεροδιαστημικών φορέων από όλη την Ευρώπη, η οποία στοχεύει στην αντιμετώπιση των προκλήσεων που θέτει η επικείμενη είσοδος στην αγορά μιας νέας γενιάς SSTs. Το project επικεντρώνεται στην ανάπτυξη βαθύτερης κατανόησης και λεπτομερούς μοντελοποίησης των εκπομπών ρύπων, του θορύβου LTO (Landing and Take-Off) και των παγκόσμιων περιβαλλοντικών επιπτώσεων των SSTs, αποσκοπώντας στην ανάπτυξη τεχνολογιών αιχμής για τη μείωση των περιβαλλοντικών τους επιπτώσεων. Το project SENECA στοχεύει να συνεισφέρει τα ευρήματά του στις συζητήσεις του Διεθνούς Οργανισμού Πολιτικής Αεροπορίας (ICAO) για να ενισχύσει την ευρωπαϊκή προοπτική σχετικά με τους απαραίτητους κανονισμούς για την νέα γενιά SSTs [4].

2. HiSAC (Environmentally friendly High-Speed Aircraft)

Το project HiSAC συνείσφερε στον προσδιορισμό των τεχνικών χαρακτηριστικών των SSTs και ιδιαίτερα των SSTs μικρού μεγέθους. Επιπλέον, ερευνήθηκαν τρόποι ποσοτικοποίησης των περιβαλλοντικών κριτηρίων, αναπτύχθηκαν διεπιστημονικές προσεγγίσεις σχεδιασμού, νέες τεχνολογίες αεροσκαφών και αεροκινητήρων και καθιερώθηκαν προδιαγραφές για την ανάπτυξη οικονομικών και περιβαλλοντικά φιλικών SSTs.

 

Μελέτες της NASA (National Aeronautics and Space Administration)

1. SCR (Supersonic Cruise Research)

Το project SCR εστίασε σε μελέτες σχετικές με διάφορες πτυχές που συνέβαλαν στην αναστολή ανάπτυξης SSTs στο παρελθόν. Αυτές αφορούν κατά βάση το προωθητικό σύστημα, την αεροδυναμική απόδοση, την ευστάθεια, τον έλεγχο, τα υλικά και τις επιπτώσεις των εκπομπών ρύπων των SSTs, δίδοντας σημαντικά σχεδιαστικά διδάγματα [18].

2. N+

Η NASA, επίσης, εκτέλεσε δύο μελέτες για δυο διακριτά χρονικά διαστήματα υποδοχής των SSTs σε ενεργεία. Αυτό έλαβε χώρα καθώς η επιλογή του χρόνου υποδοχής ενός αεροσκάφους στην αγορά επηρεάζει τη θεώρηση βελτιωμένων ή μη επιπέδων τεχνολογίας. Οι μελέτες αφορούσαν κυρίως τη θέσπιση απαιτήσεων και σχεδιαστικών στόχων για την ανάπτυξη των μελλοντικών SSTs. Το πρώτο διάστημα μελέτης (Ν+2) αφορά SSTs με υποδοχή (EIS – Entry Into Service) το 2020-2025 [19], ενώ το δεύτερο διάστημα μελέτης (Ν+3) αφορά SSTs με EIS το 2030-2035 [20].

3. QueSST (Quiet SuperSonic Technology)

Το project QueSST, στο οποίο ηγείται η NASA σε συνεργασία με κυβερνητικούς και βιομηχανικούς εταίρους, στοχεύει στη συλλογή δεδομένων που θα κάνουν δυνατή την υπερηχητική πτήση πάνω από τη έδαφος. Ο βασικότερος στόχος του project είναι ο σχεδιασμός και η κατασκευή του ερευνητικού αεροσκάφους Χ-59 με τεχνολογία που μειώνει την ένταση του sonic boom, παράγοντας ένα χαμηλού πλάτους – αθόρυβου sonic boom, αποκαλούμενο ως “sonic thump” [21].

Η πρώτη πτήση του X-59 αναμένεται να λάβει χώρα εντός του έτους 2023.

Μελέτες της JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency)

Η JAXA έχει εκτελέσει ποικιλία έρευνας στα πλαίσια της αθόρυβης υπερηχητικής πτήσης, αναπτύσσοντας τεχνολογίες περιορισμού των sonic booms (D-SEND project) και τεχνολογίες μείωσης της οπισθέλκουσας (NEXST-1 project). Οι τελευταίες έρευνες της JAXA στοχεύουν στον προηγμένο σχεδιασμό SSTs βελτιστοποιώντας τις αντικρουόμενες σχεδιαστικές απαιτήσεις τους, μειώνοντας τον LTO θόρυβο, περιορίζοντας τα sonic booms, βελτιώνοντας την αεροδυναμική τους απόδοση και μειώνοντας το συνολικό βάρος του αεροσκάφους [22].

 

Βιβλιογραφικές Αναφορές:

[1] https://boomsupersonic.com/flyby/post/the-supersonic-future-500-routes-flown-twice-as-fast

[2] M. L. Spearman, “Historical development of worldwide supersonic aircraft”, NASA TM 85637, Μάιος 1983.

[3] C. V. Muñoz, G. Bonavolontà, C. Lawson and A. Riaz, “Conceptual Design of a Next Generation Supersonic Airliner for Low Noise and Emissions”, AIAA SCITECH 2023 Forum, Ιανουάριος 2023.

[4] https://seneca-project.eu/

[5] B. Liebhardt, K. Lütjens, R. R. Tracy and A. O. Haas, “Exploring the Prospect of Small Supersonic Airliners – A Business Case Study Based on the Aerion AS2 Jet”, 17th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference, Ιούνιος 2017.

[6] International Civil Aviation Organisation (ICAO), Annex 16 to the Convention on International Civil Aviation. Environmental Protection, Eight Edit. International Standards and Recommended Practices, 2017.

[7] International Civil Aviation Organisation (ICAO), Annex 16 – Environmental Protection – Volume II – Aircraft Engine Emissions, 4th Edition.

[8] International Civil Aviation Organisation (ICAO), Annex 16 – Environmental Protection – Volume III – Aeroplane CO2 Emissions, 1st Edition.

[9] B. S. Henderson, D. L. Huff, and J. J. Berton, “Jet noise prediction comparisons with scale model tests and learjet flyover data,” 25th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Μάιος 2019.

[10] https://www.icao.int/environmental-protection/pages/Supersonic-Aircraft-Noise-Standards-Development.aspx

[11] Federal Aviation Administration, Part 36 – Noise Standards: Aircraft Type and Airworthiness Certification, 2022.

[12] https://www.faa.gov/newsroom/supersonic-flight

[13] https://boomsupersonic.com/

[14] www.spikeaerospace.com

[15] https://www.forbes.com/sites/danielreed/2021/06/02/the-collapse-of-aerion-supersonic-shows-that-aviation-advances-must-be-as-affordable-as-they-are-amazing/

[16] L. Ye, Z. Ye, K. Ye, J. Wu and S.Miao, “A low-boom and low-drag design method for supersonic aircraft and its applications on airfoils”, Advances in Aerodynamics, Σεπτέμβριος 2021.

[17] C. Mourouzidis, D. Del Gatto, S. Adamidis, C. V. Munoz, C. Lawson, B. M Corzo, P. Leyland, D. Marsh, L. Lim, B. Owen, E. Terrenoire, O. Atinault, I. LeGriffon, M. Huet, M. Schaefer, M. Plohr, S. Bake, P. Madden, “Preliminary design of next generation Mach 1.6 supersonic business jets to investigate landing & take-off (LTO) noise and emissions – SENECA.”, 12th EASN – Journal of Physics: Conference Series, Μάρτιος 2023.

[18] S. Hoffman and M. C. Varholic, “Contracts, Grants, and Funding Summary of Supersonic Cruise Research and Variable-Cycle Engine Technology Programs 1972-1982”, NASA TM 85650, Σεπτέμβριος 1983.

[19] H. R. Welge, J. Bonet, T. Magee, D. Chen, S. Hollowell, A. Kutzmann, A. Mortlock, J. Stengle, C. Nelson, E. Adamson, S. Baughcum, R. T. Britt, G. Miller and J. Tai, “N+2 Supersonic Concept Development and Systems Integration”, NASA/CR-2010-216842, Αύγουστος 2010.

[20] J. Morgenstern, N. Norstrud, M. Stelmack, and C. Skoch, “Final Report for the Advanced Concept Studies for Supersonic Commercial Transports Entering Service in the 2030 to 2035 Period, N+3 Supersonic Program”, NASA/CR-2010-216796.

[21] T.Jones, “NASA’s Quiet Supersonic Aircraft”, 2017 EAA Air Venture, Ιούλιος 2017.

[22] https://www.aero.jaxa.jp/eng/research/frontier/sst/