Кіріспе
Дыбыстан жылдам жолаушылар тасымалы (SST) немесе дыбыстан жылдам авиалайнер – жолаушыларды дыбыс жылдамдығынан жоғары жылдамдықпен тасымалдауға арналған азаматтық ұшақ. Бүгінгі күнге дейін тұрақты түрде пайдаланылған SST ұшақтары – «Конкорд» және Туполев Ту-144 ғана. Ту-144 ұшағының соңғы жолаушылар рейсі 1978 жылғы маусымда, ал 1999 жылы NASA оны соңғы рет ұшырды. «Конкордтың» соңғы коммерциялық рейсі 2003 жылғы қазан айында болды, ал 2003 жылғы 26 қарашадағы паромдық рейсі – оның соңғы әуе операциясы еді. «Конкорд» ұшуын тоқтатқаннан кейін коммерциялық қызметте ешқандай SST қалмады. Бірнеше компания үстіртолақ бизнес-джеттерді ұсынды, бұл дыбыстан жылдам тасымалды қайтадан қолдануға мүмкіндік береді. Дыбыстан жылдам авиалайнерлер – көптеген ағымдағы жобалау зерттеулерінің нысаны болып табылады. Кемшіліктері мен жобалаудағы қиындықтары: жоғары шу деңгейі (ұшып тұрғанда және дыбыстық соққылардың пайда болуынан), жоғары даму құны, қымбат құрылыс материалдары, жоғары отын тұтыну, өте жоғары эмиссиялар және субсониктік авиалайнерлерге қарағанда бір орынға келетін жоғары баға. Дегенмен, осындай қиындықтарға қарамастан, «Конкорд» пайдалы жұмыс істегенін мәлімдеді.
A supersonic transport (SST) or a supersonic airliner is a civilian supersonic aircraft designed to transport passengers at speeds greater than the speed of sound. To date, the only SSTs to see regular service have been Concorde and the Tupolev Tu 144. The last passenger flight of the Tu 144 was in June 1978 and it was last flown in 1999 by NASA. Concorde's last commercial flight was in October 2003, with a November 26, 2003 ferry flight being its last airborne operation. Following the permanent cessation of flying by Concorde, there are no remaining SSTs in commercial service. Several companies have each proposed a supersonic business jet, which may bring supersonic transport back again. Supersonic airliners have been the objects of numerous recent ongoing design studies. Drawbacks and design challenges are excessive noise generation (at takeoff and due to sonic booms during flight), high development costs, expensive construction materials, high fuel consumption, extremely high emissions, and an increased cost per seat over subsonic airliners. However, despite these challenges, Concorde claimed it operated profitably.
Жоспарлау
1950 жылдары SST техникалық тұрғыдан мүмкін болып көрінді, бірақ оны экономикалық тұрғыдан тиімді етуге болатыны белгісіз болды. Ұшу жылдамдығының өзгешелігіне байланысты, дыбыс жылдамдығынан жоғары ұшатын ұшақтардың көтеру-соққы қатынасы, дыбыс жылдамдығынан төмен ұшатын ұшақтардың шамамен жартысына тең. Бұл, кез келген қажетті көтеру үшін ұшаққа екі есе көп күш қажет екенін білдіреді, нәтижесінде отын тұтыну едәуір артады. Бұл эффект дыбыс жылдамдығына жақын жылдамдықтарда айқын байқалады, себебі ұшақ сол жылдамдықпен ұшу үшін екі есе күш жұмсауға мәжбүр. Ұшақ жылдамдығын арттырғанда бұл эффект азаяды. Отын тұтынудың осы артуын теңгеруге болатын нәрсе – ұшақтың ұшу жиілігін арттыру мүмкіндігі, әсіресе орта және ұзақ қашықтықтағы рейстерде, онда ұшақ көп уақытын круиздік режимде өткізеді. SST жобалары қолданыстағы субсоникалық ұшақтардан кем дегенде үш есе жылдам ұшуға қабілетті болды, сондықтан олар қызметтегі үш ұшақтың орнын баса алатын еді, осылайша еңбек және техникалық қызмет көрсету шығындарын төмендетуге болар еді. SST жобалары бойынша жұмыс 1950 жылдардың ортасында басталды, алғашқы ұрпақтың жоғары жылдамдықты ұшақтары пайдалануға түскен кезде. Ұлыбритания мен Францияда үкіметтік субсидиялық SST бағдарламалары көптеген зерттеулерде дельта қанатты ұшақтарға басымдық берді, мысалы Sud Aviation Super Caravelle және Bristol Type 223, бірақ Armstrong Whitworth 1.2 Мах қанатты радикалды дизайнды ұсынды. Avro Canada TWA компаниясына Mach 1.6 қос қанатты және Mach 1.2 дельта қанатты, бөлек құйрығы және қанат астындағы төрт қозғалтқышты конфигурациясы бар бірнеше жоба ұсынды. Avro командасы Ұлыбританияға көшіп, олардың дизайны Hawker Siddeley ұшақтарының негізін құрады. 1960 жылдардың басында жобалар өндіріске рұқсат беруге жетті, бірақ шығындар тым жоғары болғандықтан, Bristol Aeroplane Company және Sud Aviation 1962 жылы Concorde-ді жасау үшін күштерін біріктірді. 1960 жылдардың басында АҚШ аэроғарыш компанияларының басшылары АҚШ халқына және Конгреске SST-ны жасауға техникалық бөгеттер жоқ екенін мәлімдеді. 1960 жылдың сәуір айында Lockheed компаниясының вице-президенті Берт С. Монесмит түрлі журналдарға болаттан жасалған SST-ны 160 миллион долларға жасауға болатынын, ал 200 немесе одан да көп санда өндірісте 9 миллион долларға сатуға болатынын мәлімдеді. Бірақ ағылшын-француздық Concorde-тың жасалуы АҚШ өнеркәсібінде алапат үрей тудырды, себебі Concorde барлық басқа ұзақ қашықтықтағы ұшақтардың орнын басады деп есептелді, әсіресе Pan Am Concorde-ты сатып алу опциясын алғаннан кейін. Конгресс жақын арада SST жобалау жұмыстарын қаржыландырып, бұрынғы Lockheed L 2000 және Boeing 2707 жобаларын таңдады, одан да жетілдірілген, үлкен, жылдам және ұзақ қашықтықтағы ұшақты жасау үшін. Boeing 2707 жобасы одан әрі жұмыстарды жүргізу үшін таңдалды, жобалау мақсаты шамамен 300 жолаушыны тасымалдау және 3 Махқа жуық круиздік жылдамдыққа ие болу еді. КСРО өзінің Tu-144 ұшағын жасауға кірісті, батыс баспасөздері оны "Конкордский" деп атады.
Қоршаған ортаны қорғау
SST оның дыбыстық соққысы және қозғалтқыштан шығатын газдардың озон қабатына зиян келтіру мүмкіндігіне байланысты ерекше алаңдатушылық тудырды. Екі мәселе де заң шығарушылардың ой-өрісіне әсер етті, нәтижесінде Конгресс 1971 жылдың наурыз айында АҚШ-тың SST бағдарламасын қаржыландыруды тоқтатты және АҚШ аумағындағы барлық коммерциялық үстінқы жылдамдықпен ұшуларға тыйым салынды. Президенттік кеңесші Рассел Трен 500 SST ұшағының 65 000 фут (19 812 м) биіктікте бірнеше жыл бойы ұшуы стратосферадағы судың мөлшерін 50%-дан 100%-ға дейін арттыруы мүмкін екенін ескертті. Треннің сөзіне қарағанда, бұл жер бетіндегі температураның жоғарылауына және озон қабатының қалыптасуына кедергі келтіруі мүмкін. Стратосфералық су және оның жер бетіндегі температураны арттыру әлеуетіне қатысты, «су буының жақындағы төмендеуіне Конкорд себеп екенін атамаса да», 2010 жылы Ұлттық мұхит және атмосфера басқармасы 1980-ші және 1990-шы жылдардағы стратосфералық су буының деңгейі 2000-шы жылдардағыдан шамамен 10%-ға жоғары болғанын атап өтті. NOAA-ның Сьюзан Соломон бұл өзгерістің жаһандық жылыну салдарынан жер бетіндегі температураның өсу қарқынының баяулауына себеп болғанын есептеді. Кейіннен, азот оксидтерінің шығарындылары озон қабатына қосымша қауіп төндіретіні болжалды, бұл қауіп 1974 жылы АҚШ Көлік министрлігі тапсырған MIT тобымен расталды. Дегенмен, көптеген теориялық модельдер SST азот оксидтерінен (NOx) озонның көп мөлшерде жоғалу мүмкіндігін көрсеткенімен, «Азот оксидтері, ядролық қару сынақтары, Конкорд және стратосфералық озон» атты мақаладағы басқа ғалымдар тарихи озон мониторингі мен атмосфералық ядролық сынақтарға нұсқаулық және салыстыру құралы ретінде жүгінді. Олар 1962 жылы 213 мегатонна жарылғыш энергияның шығарылуынан озонның байқалатын жоғалуы болмағанын байқады, сондықтан «1047» Конкорд ұшағының «күніне 10 сағаттан» ұшуынан шығатын NOx мөлшері де беспрецедентті болмас еді. 1981 жылы модельдер мен байқаулар әлі де келіспеді. 1995 жылы Ұлттық мұхиттар және атмосфера басқармасының атмосфера ғалымы Дэвид Фейхи және басқалар жасаған компьютерлік модельдер 500 үстінқы жылдамдықпен ұшатын ұшақтар паркі жұмыс істесе, озонның төмендеуі ең көп дегенде 1-2% құрайтынын көрсетті. Фейхи бұл жоғары технологиялық SST әзірлеуіне өлімге әкелетін кедергі болмайды деп мәлімдеді, ал «ең үлкен ескерту – бұл жоғары технологиялық SST әзірлеуіне кедергі болмауы керек», өйткені «[Конкордтың] отынындағы күкіртті жою» негізінен 1-2% озонның жойылу реакциясының жолын жояды.
Конкорд
Озон мәселесіне байланысты модельдік бақылаулардың өзгешелігіне қарамастан, 1970 жылдардың ортасында, алғашқы үстінқы жылдамдықпен жасалған сынақ ұшуынан алты жыл өткен соң, «Конкорд» енді қызметке дайын болды. АҚШ-тың саяси наразылығы соншалық болды, Нью-Йорк қаласы бұл ұшақтың пайдалануын тоқтатты. Бұл ұшақтың экономикалық перспективаларына қауіп төндірді, өйткені ол Лондон–Нью-Йорк бағытын ескере отырып салынған болатын. Ұшақ Вашингтон қаласына (Вирджиния штатындағы Даллес әуежайында) ұшуға рұқсат алды, және бұл қызмет соншалықты танымал болды, көп ұзамай Нью-Йорк тұрғындары оны алмағанына шағымдана бастады. Көп ұзамай «Конкорд» JFK әуежайына да ұшып кірді. Саяси жағдайдың өзгеруімен қатар, әуе тасымалдаушылар теңіз арқылы жоғары жылдамдықпен ұшуға қызығушылық таныта берді. Бұл АҚШ-та «AST» (Advanced Supersonic Transport) деген атпен қосымша жобалау зерттеулерін бастауға себеп болды. Lockheed-тың SCV бұл санаттағы жаңа дизайн болды, ал Boeing 2707 үлгісі ретінде зерттеулерін жалғастырды. Осы кезде бұрынғы SST тұжырымдамаларының экономикалық тиімділігі күмәнді бола бастады. SST ұшақтары алғаш жобаланғанда Boeing 707 сияқты 80-100 жолаушыға арналған ұшақтармен бәсекелесуді көздеген, бірақ Boeing 747 сияқты жаңа ұшақтардың төрт есе көп жүк көлемін тасымалдауы, SST тұжырымдамасының жылдамдық және отын үнемдеу артықшылықтарын жойды. Тағы бір мәселе – SST жұмыс істейтін жылдамдықтардың кең диапазоны қозғалтқыштарды жақсартуды қиындатады. 1960 жылдары турбовентиляторлық қозғалтқыштардың енгізілуімен субсоникалық қозғалтқыштар тиімділігін арттырды, бірақ желдеткіш концепциясын үстінқы жылдамдықтарда қолдану қиын, себебі «оптималды» айналма коэффициенті шамамен 0,45-ке тең, ал субсоникалық дизайн үшін 2,0 немесе одан да жоғары. Осы екі себептің салдарынан SST жобалары жоғары операциялық шығындарға ұшырады, ал AST бағдарламалары 1980 жылдардың басында тоқтатылды.
Табыстылық
Конкорд тек Британдық әуе компаниясы мен Air France компаниясына сатылды, үкіметке пайданың 80 пайызын қайтару шартымен субсидияланды. Бірақ, келісімнің көп бөлігінде бөлісуге пайда болған жоқ. Конкорд жекешелендірілген соң, шығындарды қысқару шаралары (әсіресе, 2010 жылға дейін ұшақтың қауіпсіздігін растаған металлургиялық қанатты сынау орталығының жабылуы) және билет бағасының өсуі айтарлықтай пайдаға алып келді. Конкорд ұшуын тоқтатқаннан кейін, ұшақтың өмір бойы пайда әкелгені белгілі болды, кем дегенде Британдық әуе компаниясы үшін. Конкордтың шамамен 28 жыл бойы жұмыс істеу кезеңіндегі операциялық шығындары 1 миллиард фунт стерлингке жуық, ал кірісі 1,75 миллиард фунт стерлингті құрады.
Соңғы ұшулар
2000 жылдың 25 шілдесінде Air France 4590 рейсі ұшып көтерілгеннен кейін көп ұзамай апатқа ұшырады, нәтижесінде 109 жолаушы мен жерде болған төрт адам қаза тапты; бұл Конкорд тарихындағы жалғыз қазалық оқиға. Коммерциялық рейстер 2001 жылдың қараша айына дейін тоқтатылды, ал Конкорд ұшақтары 27 жылдық коммерциялық пайдаланудан кейін 2003 жылы қызметтен шығарылды. 2003 жылдың 24 қазанында, сағат 16:00-ден кейін Лондон Хитроу әуежайына соңғы рейс қонды: Нью-Йорктен келген 002 рейсі, Шотландияның Эдинбург қаласынан келген екінші рейс және Хитроуден Бискай шығанағына айналып келген үшінші рейс. 20 ғасырдың соңына қарай "Туполев Ту-244", "Туполев Ту-344", "SAI Quiet Supersonic Transport", "Сухой Gulfstream S-21", "Жоғары жылдамдықты азаматтық тасымал" және тағы да басқа жобалар іске аспады.
Аэродинамика
Барлық әуеде қозғалатын көліктер үшін соққы күші, соққы коэффициентіне (Cd), әуе жылдамдығының квадратына және ауа тығыздығына пропорционалды. Соққы жылдамдықпен бірге тез өсетіндіктен, үстінкүмдік ұшақтарды жобалаудың басты міндеті – соққы коэффициентін төмендету арқылы осы күшті барынша азайту. Бұл SST ұшақтарының өте аэродинамикалық пішіндеріне әкеледі. Біршама көлемде, үстінкүмдік ұшақтар ауа тығыздығы төмен болатын, субсоникалық ұшақтарға қарағанда биіктерде ұшу арқылы соққыны басқарады. Жылдамдықтар дыбыс жылдамдығына жақындағанда, толқындық соққының қосымша құбылысы пайда болады. Бұл трансоникалық жылдамдықтарда (шамамен Мах 0.88) басталатын күшті соққы түрі. Шамамен Мах 1 жылдамдығында, соққының ең жоғары коэффициенті субсоникалық соққыдан төрт есе артық. Трансоникалық диапазоннан жоғары, коэффициент қайтадан күрт төмендейді, бірақ Мах 2.5 жылдамдығында субсоникалық жылдамдыққа қарағанда 20% жоғары болып қалады. Үстінкүмдік ұшақтардың осы толқындық соққыны жеңу үшін субсоникалық ұшақтарға қарағанда едәуір көп қуатқа мұқтаж болады, ал трансоникалық жылдамдықтан жоғары ұшу тиімдірек болғанымен, ол субсоникалық ұшудан бұрынғыдан тиімділігі төмен. Үстінкүмдік ұшудағы тағы бір мәселе – қанаттардың көтерілу-соққы арақатынасы (L/D арақатынасы). Үстінкүмдік жылдамдықтарда аэродинамикалық профильдер көтерілуді субсоникалық жылдамдықтардағыдан мүлдем басқаша жолмен тудырады және әрқашан тиімділігі төмен болады. Осы себепті, тұрақты үстінкүмдік круиз үшін қанаттың геометриясын жобалауға көп зерттеулер жұмсалды. Шамамен Мах 2 жылдамдығында, әдеттегі қанаттың дизайны оның L/D арақатынасын екі есеге дейін азайтады (мысалы, Concorde 7.14 арақатынасына қол жеткізді, ал субсоникалық Boeing 747-нің L/D арақатынасы 17-ге тең). Ұшақтың конструкциясы өзінің салмағын жеңу үшін жеткілікті көтерілуді қамтамасыз етуі керек болғандықтан, үстінкүмдік жылдамдықтардағы оның L/D арақатынасының төмендеуі әуе жылдамдығы мен биіктігін сақтау үшін қосымша итеру күшіне талап етеді.
Қозғалтқыштар
Ұшқыш қозғалтқышының конструкциясы дыбыс жылдамдығынан асып түсетін және төмендейтін ұшақтар арасында айтарлықтай өзгереді. Ұшқыш қозғалтқыштар, жалпы алғанда, жоғары жылдамдықтарда арнайы отын тұтынуы жоғары болғанымен, отын тиімділігін арттыра алады. Жердегі жылдамдықтары жоғары болғандықтан, тиімділік төмендеуі жылдамдыққа пропорционалды емес, Мах 2-ден асып кеткенше, ал бірлік қашықтыққа жұмсалатын шығын төмен болады. Конкордты Aérospatiale–BAC жобалаған кезде, жоғары өткізу қабілеті бар реактивтік қозғалтқыштар ("турбофен" қозғалтқыштары) әлі дыбыс төмен ұшақтарда қолданылмаған еді. Егер Конкорд Боинг 707 немесе де Хавилланд Комет сияқты ертерек үлгілерге қарсы пайдалануға берілген болса, ол әлдеқайда бәсекеге қабілетті болар еді, бірақ 707 және DC 8 әлі де көбірек жолаушыларды тасымалдайтын. 1960 жылдары коммерциялық қолданысқа енген бұл жоғары өткізу қабілеті бар реактивтік қозғалтқыштар, дыбыс төмен реактивтік қозғалтқыштарды бірден әлдеқайда тиімді етті, олардың тиімділігі дыбыс жоғары жылдамдықтағы турбореактивтік қозғалтқыштарға жақындады. SST-ның маңызды бір артықшылығы жойылды. Турбофен қозғалтқыштары тиімділікті арттыру үшін, олар үдетіп жіберетін салқын, төмен қысымды ауа мөлшерін арттырады, бұл классикалық байпасссыз турбореактивтік қозғалтқышта ыстық ауаны үдетуге жұмсалатын энергияның бір бөлігін пайдаланады. Бұл конструкцияның ең толыққанды көрінісі – турбовинт, онда реактивтік қозғалтқыштың барлық күші өте үлкен желдеткішті – қанатты итеруге жұмсалады. Желдеткіш конструкциясының тиімділік қисығы, жалпы қозғалтқыштың тиімділігін арттыратын байпасс мөлшері алға жылдамдыққа байланысты екенін көрсетеді, ол қанаттардан желдеткіштерге және жылдамдық артаған сайын байпасс болмауына дейін төмендейді. Сонымен қатар, қозғалтқыштың алдыңғы жағындағы төмен қысымды желдеткіштің үлкен майданшасы, әсіресе дыбыс жоғары жылдамдықтарда, кедергіні арттырады және байпасс коэффициенттері дыбыс төмен ұшақтардағыдан әлдеқайда шектеулі болады. Мысалы, ертедегі Tu 144S төмен байпасты турбофен қозғалтқышымен жабдықталған, ол дыбыс жоғары ұшуда Конкордтың турбореактивтік қозғалтқыштарына қарағанда әлдеқайда тиімсіз болды. Кейінгі TU 144D турбореактивтік қозғалтқыштармен жабдықталған, олардың тиімділігі салыстырмалы түрде жоғары болды. Бұл шектеулер SST конструкцияларына жоғары өткізу қабілеті бар қозғалтқыштардың дыбыс төмен нарықта қамтамасыз еткен отын экономиясының айқын жетістіктерін пайдалануға мүмкіндік бермеді, бірақ олар өздерінің дыбыс төмен турбофендік әріптестерінен әлдеқайда тиімді болды.
Құрылымы
Үндеуден жоғары жылдамдықты көліктердің жылдамдығы қанаттары мен фюзеляждардың тар дизайнын талап етеді және олар үлкен кернеу мен температураға ұшырайды. Бұл аэроэластикалық проблемаларға алып келеді, олардың шешімі үшін қажетсіз иілуді азайту үшін ауыр конструкциялар қажет. Сонымен қатар, SST-лерге де мықтырақ (демек, ауыррақ) конструкция қажет, өйткені олардың фюзеляжы дыбыстан жоғары ұшу үшін қажетті биіктікте ұшпайтын субсоникалық ұшақтарға қарағанда үлкен қысым айырмасына төтеп беруі керек. Осы факторлардың салдарынан Concorde ұшағының бір орынға шаққандағы бос салмағы Boeing 747 ұшағынан үш еседен астам. Concorde және ТУ-144 екі ұшағы да дәстүрлі алюминийден жасалған: Concorde – гидуминийден, ал ТУ-144 – дуралюминнен. Дегенмен, көміртек талшығы және Кевлар сияқты қазіргі заманғы материалдар салмағына шаққанда кернеуге төзуде әлдеқайда мықты (қысымды басқару үшін маңызды), сондай-ақ олар қатаң. SST конструкциясында конструкцияның бір орынға шаққандағы салмағы жоғары болғандықтан, кез келген жақсарту субсоникалық ұшақтағы осындай өзгерістерге қарағанда үлкен пайыздық жақсартуға әкеледі.
Құны
+Конкордтың отын тиімділігін салыстыру Ұшақ Конкорд Боинг 747 400 Жолаушылар милясы/империялды галлон 17 109 Жолаушылар милясы/АҚШ галлон 14 91 Литр/жолаушы 100 км 16.6 3.1 Аэродинамикалық талаптарға байланысты тар фюзеляж отын шығындарын жоғарылатып, жолаушылар сыйымдылығын төмендетуі салдарынан, үстінкү дыбыстық жылдамдықтағы ұшақтар (SST) коммерциялық азаматтық тасымалдаудың қымбат түріне айналды. Мысалы, Боинг 747 Конкордқа қарағанда үш еседен астам жолаушыны тасымалдай алады, ал отын тұтыну мөлшері шамамен бірдей. Дегенмен, отын шығындары көптеген дыбыстан төмен ұшатын ұшақтардың билет бағасының басым бөлігін құрамайды. SST ұшақтары пайдаланылған трансатлантикалық бизнес-сапарлар нарығында Конкорд өте табысты болды және билет бағасын жоғары ұстауға мүмкіндік берді. Қазір коммерциялық SST ұшақтарының рейстері тоқтатылғаннан кейін, Конкордтың British Airways үшін айтарлықтай пайда әкелгені анық болды. Сондықтан болашақ SST үшін өзгермелі циклды қозғалтқыш пайдалы болуы мүмкін, онда нақты итерме (және демек, реактивті жылдамдық және шу) ұшып көтерілгенде төмен, ал үстінкү дыбыстық жылдамдықпен ұшу кезінде жоғары болады. Екі режим арасындағы ауысу көтерілу кезінде және төмен түсу кезінде (жақындағанда шуды азайту үшін) белгілі бір сәтте жүзеге асырылады. 1960 жылдардың ортасында жүргізілген Оклахома-Ситидегі соны бум сынақтары және USAF Солтүстік Америка XB 70 Valkyrie ұшағының зерттеулері көрсеткендей, соны бумның биіктігіне байланысты емес екені анықталды (Сондық бум § Азайту қараңыз). 1964 жылға қарай, азаматтық үстінкү дыбыстық ұшақтарға лицензия беру мәселесі шешілмеді. Соны бумның ыңғайсыздығынан аулақ болу үшін ұшақ су үстінде жоғары биіктікке жеткен соң ғана үстінкү дыбыстық жылдамдыққа көшуге болады; осы әдісті Конкорд қолданды. Алайда, бұл халық тығыз қоныстанған аймақтарда үстінкү дыбыстық жылдамдықпен ұшуға мүмкіндік бермейді. Дыбыстан төмен жылдамдықтағы үстінкү дыбыстық ұшақтардың көтергіштік-сүйреу коэффициенті, өзгермелі қанаттар сияқты технологиялар қолданылмаса, дыбыстан төмен ұшатын ұшақтармен салыстырғанда нашар, сондықтан олар көбірек отын тұтынады, бұл олардың мұндай бағыттарда экономикалық тиімсіздігіне әкеледі. Конкордтың қысымы (133 дБА SPL) құрады. (131 дБА SPL) жоғары қысым көбінесе шағымдарға себеп болады. Егер соны бумның қарқындылығын төмендетуге болады, онда тіпті өте үлкен үстінкү дыбыстық ұшақтардың конструкцияларын да жер үстінен ұшуға рұхсат етуге болады. Зерттеулер мұрын және құйрықтың пішінін өзгерту соны бумның қарқындылығын шағымдануға жеткілікті деңгейден төмендетуге мүмкіндік беретінін көрсетеді. 1960 жылдардағы SST жұмыстары кезінде ұшақтың фюзеляжының мұқият пішіні соны бумның жерге жететін шок толқындарының қарқындылығын азайтуға көмектеседі деп болжанды. Бір конструкция шок толқындарының бір-бірімен араласуына мүмкіндік берді, бұл соны бумды айтарлықтай азайтады. Бұл сол кезде сынау қиын болды, бірақ компьютерлік дизайнның күшейуі оны айтарлықтай жеңілдетті. 2003 жылы Shaped Sonic Boom Demonstration ұшағы сынақтан өтіп, конструкцияның дұрыстығын және бумды шамамен жартысына дейін азайту мүмкіндігін көрсетті. Көліктің ұзындығын арттыру (салмақты едәуір арттырмай) соны бумның қарқындылығын азайтатындай көрінеді (Сондық бум § Азайту қараңыз). Мемлекеттік саясатқа келгенде, мысалы, FAA АҚШ-тың құқығындағы жер үстінде үстінкү дыбыстық жылдамдықпен коммерциялық ұшақтардың ұшуына тыйым салады, себебі соны бумның төмендегі адамдар мен жануарлар популяциясына тигізетін кері әсері бар.
Higher fuel costs and lower passenger capacities due to the aerodynamic requirement for a narrow fuselage make SSTs an expensive form of commercial civil transportation compared with subsonic aircraft. For example, the Boeing 747 can carry more than three times as many passengers as Concorde while using approximately the same amount of fuel. Nevertheless, fuel costs are not the bulk of the price for most subsonic aircraft passenger tickets. For the transatlantic business market that SST aircraft were utilized for, Concorde was actually very successful, and was able to sustain a higher ticket price. Now that commercial SST aircraft have stopped flying, it has become clearer that Concorde made substantial profit for British Airways. Therefore, a future SST might well benefit from a variable cycle engine, where the specific thrust (and therefore jet velocity and noise) is low at take off, but is forced high during supersonic cruise. Transition between the two modes would occur at some point during the climb and back again during the descent (to minimize jet noise upon approach). The difficulty is devising a variable cycle engine configuration that meets the requirement for a low cross sectional area during supersonic cruise. The sonic boom was not thought to be a serious issue due to the high altitudes at which the planes flew, but experiments in the mid 1960s such as the controversial Oklahoma City sonic boom tests and studies of the USAF's North American XB 70 Valkyrie proved otherwise (see Sonic boom § Abatement). By 1964, whether civilian supersonic aircraft would be licensed was unclear, because of the problem. The annoyance of a sonic boom can be avoided by waiting until the aircraft is at high altitude over water before reaching supersonic speeds; this was the technique used by Concorde. However, it precludes supersonic flight over populated areas. Supersonic aircraft have poor lift/drag ratios at subsonic speeds as compared to subsonic aircraft (unless technologies such as variable sweep wings are employed), and hence burn more fuel, which results in their use being economically disadvantageous on such flight paths. Concorde had an overpressure of (133 dBA SPL). Overpressures over (131 dBA SPL) often cause complaints. If the intensity of the boom can be reduced, then this may make even very large designs of supersonic aircraft acceptable for overland flight. Research suggests that changes to the nose cone and tail can reduce the intensity of the sonic boom below that needed to cause complaints. During the original SST efforts in the 1960s, it was suggested that careful shaping of the fuselage of the aircraft could reduce the intensity of the sonic boom's shock waves that reach the ground. One design caused the shock waves to interfere with each other, greatly reducing the sonic boom. This was difficult to test at the time, but the increasing power of computer aided design has since made this considerably easier. In 2003, a Shaped Sonic Boom Demonstration aircraft was flown which proved the soundness of the design and demonstrated the capability of reducing the boom by about half. Even lengthening the vehicle (without significantly increasing the weight) would seem to reduce the boom intensity (see Sonic boom § Abatement). When it comes to public policy, for example, the FAA prohibits commercial airplanes from flying at supersonic speeds above sovereign land governed by the United States because of the negative impact the sonic boom brings to humans and animal populations below.
Өзгермелі жылдамдықтар
Супердыбыстық ұшақтың аэродинамикалық конструкциясы оңтайлы өнімділік үшін жылдамдығына қарай өзгеруі керек. Сондықтан, SST идеалды жағдайда, дыбыстан төмен және супердыбыстық жылдамдықтарда оңтайлы өнімділікті сақтау үшін ұшу кезінде пішінін өзгертуі тиіс. Мұндай конструкция күрделілікті күшейтеді, бұл техникалық қызмет көрсету қажеттілігін, пайдалану шығындарын және қауіпсіздік туралы алаңдаушылықты арттырады. Іс жүзінде барлық супердыбыстық көліктер дыбыстан төмен және супердыбыстық ұшу үшін дерлік бірдей пішінде қолданылды, ал өнімділікте компромисс жасалды, көбінесе төмен жылдамдықтағы ұшудың нашарлауына әкелді. Мысалы, Concorde баяу жылдамдықта өте жоғары қарсылыққа (соқтығысу қатынасы шамамен 4) ие болды, бірақ ұшудың көп бөлігін жоғары жылдамдықта жүзеге асырды. Concorde конструкторлары 5000 сағат бойы жел тоннеліндегі сынақтарда ұшу жоспарының жалпы өнімділігін барынша арттыру үшін ұшақтың пішінін оңтайландырды. Boeing 2707 төмен жылдамдықтарда тиімділікті арттыру үшін айналмалы қанаттармен жабдықталған, бірақ мұндай мүмкіндік үшін қажетті кеңістіктің артуы сыйымдылық мәселелерін тудырды, оларды еңсеру мүмкін болмады. North American Aviation бұл мәселеге XB 70 Valkyrie арқылы ерекше көзқарас танытты. Қанаттың сыртқы панельдерін жоғары Мах жылдамдықтарында төмендету арқылы, олар ұшақтың астындағы қысымдық көтерудің артықшылықтарын пайдалана алды. Бұл L/D қатынасын шамамен 30%-ға жақсартты.
Тері температурасы
Үс жылдамдықпен ұшатын ұшақ алдындағы ауаны адиабатикалық түрде қысымға ұшыратады. Ауа температурасының артуы ұшақты қыздырады. Дауыс астындағы ұшақтар көбінесе алюминийден жасалады. Дегенмен, алюминий жеңіл және берік болғанымен, 127 °C-тан аспайтын температураға ғана төтеп бере алады; 127 °C-тан жоғары температурада алюминий жасымен қатайтылған қасиеттерін біртіндеп жоғалта бастайды. 3 Мах жылдамдығымен ұшатын ұшақтар үшін тот баспайтын болат (XB 70 Valkyrie, MiG 25) немесе титан (SR 71, Sukhoi T 4) сияқты материалдар қолданылды, бұл материалдардың қасиеттері ұшақтың жасалуын едәуір қиындатады. 2017 жылы 5 Мах немесе одан да жоғары температураға төтеп бере алатын жаңа карбидтік керамикалық қаптама материалы ашылды, бұл температура 3000 °C-қа дейін жетеді.
Ауқым
Транссондық ұшақтардың қашықтығын Брейге қашықтық теңдеуі арқылы есептеуге болады. Жолаушыға шаққандағы үлкен ұшу салмағы отынның жеткілікті мөлшерін алуды қиындатады. Бұл мәселе, сондай-ақ, транссондық көтерілу/сүйреу коэффициенттерінің қиындығы, транссондық тасымалдаудың қашықтығын күрт шектейді. Ұзақ қашықтыққа арналған бағыттар тиімді болмағандықтан, әуе компаниялары бұл ұшақтарды сатып алуға құлшынбады.
Коммерциялық тиімділік
Авиакомпаниялар өте жылдам ұшақтарды бағалайды, себебі ол ұшақтарға күніне көбірек рейстер жасауға мүмкіндік береді, бұл инвестицияларға жоғары кіріс әкеледі. Сонымен қатар, жолаушылар көбінесе жылдам, қысқа сапарларды баяу, ұзақ сапарлардан артық көреді, сондықтан жылдам ұшақтарды пайдалану авиакомпанияға бәсекелестік артықшылық бере алады, тіпті көптеген клиенттер уақытты үнемдеу және/немесе ертерек жетіп алу үшін жоғары баға төлеуге дайын. Дегенмен, Concorde әуежай маңындағы жоғары шу деңгейі, уақыт белдеуі мәселелері және жеткіліксіз жылдамдық күніне тек бір рет қана оралуға мүмкіндік берді, сондықтан қосымша жылдамдық авиакомпания үшін клиенттерге сату мүмкіндігінен басқа ешқандай артықшылық бермеді. Американдық SST ұшақтарының Mach 3 жылдамдығында ұшуы осы себеппен жоспарланған. Алайда, жылдамдану және баяулау уақытын ескергенде, Mach 3 SST Атлантика арқылы Mach 1 ұшақтан үш еседей ғана жылдам ұшар еді. SST ұшақтары дыбыстан жоғары жылдамдықпен дыбыстық соққы тудыратындықтан, құрлық үстінде дыбыстан жоғары жылдамдықпен ұшуға көбінесе рұқсат берілмейді және теңіз үстінде ғана ұшуға тиіс. Олар дыбыстан төмен жылдамдықта, дыбыстан төмен ұшақтармен салыстырғанда тиімсіз болғандықтан, ұшу қашықтығы төмендейді және ұшақ тоқтаусыз ұша алатын бағыттар саны азаяды. Бұл сондай-ақ көптеген авиакомпаниялар үшін мұндай ұшақтардың тартымдылығын төмендетеді. Дыбыстан жоғары ұшақтардың жолаушыға шаққандағы жанармай шығыны дыбыстан төмен ұшақтарға қарағанда жоғары; бұл билет бағасын міндетті түрде жоғарылатады, басқа факторлар тең болған жағдайда, сондай-ақ бұл бағаны мұнай бағасына сезімтал етеді. (Бұл сонымен қатар дыбыстан жоғары ұшуларды қоршаған ортаға және тұрақтылыққа жағымсыз етеді, бұл екі мәселе жалпы жұртшылықты, соның ішінде әуе жолаушыларын да алаңдатады.) Жаңа SST жобалау үшін ғылыми-зерттеу және әзірлеу жұмыстарына инвестиция салуды әуе көлігінің жылдамдық шегін арттыруға бағытталған күш-жігер деп қарастыруға болады. Жалпы алғанда, жаңа технологиялық жетістіктерге ұмтылыстан басқа, мұндай күш-жігердің басты қозғаушы күші басқа көлік түрлерінің бәсекелестік қысымы болып табылады. Көлік түріндегі әртүрлі қызмет провайдерлері арасындағы бәсекелестік әдетте жылдамдықты арттыру үшін мұндай технологиялық инвестицияларға әкелмейді. Керісінше, қызмет провайдерлері қызмет сапасы және баға бойынша бәсекелесуді жөн көреді. Бұл құбылыстың мысалы – жоғары жылдамдықты темір жол. Темір жол көлігінің жылдамдығы жол және әуе көлігімен тиімді бәсекелесу үшін осы деңгейге жеткізілді. Бірақ бұл жетістік түрлі темір жол операторларының өзара бәсекелесуі үшін жасалмаған. Бұл құбылыс SST ұшақтарының авиакомпаниялар үшін тартымдылығын да төмендетеді, өйткені өте ұзақ қашықтықтағы (бірнеше мың шақырым) тасымалдау үшін әртүрлі көлік түрлері арасындағы бәсекелестік бір ат жарысына ұқсас: әуе көлігінің маңызды бәсекелесі жоқ. Бәсекелестік тек авиакомпаниялар арасында ғана болады, және олар жылдамдықты арттыру үшін көп төлеудің орнына, шығындарды азайту және қызмет сапасын арттыру үшін аз төлеуді жөн көреді. Сонымен қатар, пайда табуға бағытталған компаниялар көбінесе айтарлықтай пайда табу мүмкіндігі жоғары, төмен тәуекелді бизнес жоспарларын ұсынады, бірақ қымбат, инновациялық технологиялық зерттеулер мен әзірлеу бағдарламасы – жоғары тәуекелді кәсіпорын, өйткені бағдарлама күтпеген техникалық себептерге байланысты сәтсіз аяқталуы мүмкін немесе қаржылық ресурстардың шектеулі болуына байланысты компанияны нарыққа шығарылатын SST технологиясын алуға үлкермей тұрып, күш-жігерін тоқтатуға мәжбүрлеуі мүмкін, бұл барлық инвестициялардың жоғалуына әкелуі мүмкін.
Қоршаған ортаға әсері
Халықаралық таза көлік кеңесі (ICCT) бағалауынша, SST бір жолаушыға 5-7 есе көп отын жұмсайды. ICCT мәліметтері бойынша, Нью-Йорк пен Лондон арасындағы үстін қозғалмайтын ұшу, жолаушыға шаққандағы отын тұтынуы, субұрқақ бизнес-класқа қарағанда екі есе көп, экономика класына қарағанда алты есе көп, ал Лос-Анджелестен Сиднейге дейінгі субұрқақ бизнес-класқа қарағанда үш есе көп. Жобалаушылар қазіргі экологиялық стандарттарды озық технологиялармен сақтауға немесе SST үшін жаңа стандарттарды енгізу үшін саясаткерлерге ықпал етуге тырыса алады. Егер 2035 жылы 2000 SST болса, 160 әуежайда күніне 5000 рейс орындалады және SST паркі жылына шамамен 96 миллион тонна CO₂ шығарады (2017 жылы American, Delta және Southwest компанияларының шығарылымдарының жиынтығындай), ал 25 жылдық қызмет мерзімінде 1,6-2,4 гигатонна CO₂ шығарылады – бұл авиация өзінің эмиссиялық үлесін сақтай отырып, 1,5°C климаттық траекторияны ұстаса, халықаралық авиацияның көміртегі бюджетінің бес бөлігіне тең. Әуежайлар маңындағы шуға ұшыраған аумақ, бірдей өлшемдегі субұрқақ ұшақтармен салыстырғанда екі есеге дейін ұлғаюы мүмкін, Дубай мен Лондон Хитроу әуежайларында күніне 300-ден астам рейстер, ал Лос-Анджелес, Сингапур, Сан-Франциско, Нью-Йорк JFK, Франкфурт және Бангкокта 100-ден астам рейстер орындалады. Сониктік дүмпуілдер Канада, Германия, Ирак, Ирландия, Израиль, Румыния, Түркия және АҚШ-тың кейбір аймақтарында күніне 150-200 рет немесе әр бес минут сайын естілуі мүмкін.
Аяқталған жобалар
1961 жылы 21 тамызда «Дуглас DC-8-43» (тіркеу нөмірі N9604Z) Эдвардс әуе базасындағы сынақ ұшуы барысында бақыланатын түсіру кезінде дыбыс жылдамдығын (Мах 1) асып түсті. Ұшу экипажында Уильям Магрудер (ұшқыш), Пол Паттен (орынбасар ұшқыш), Джозеф Томич (ұшу инженері) және Ричард Х. Эдвардс (ұшу сынақ инженері) болды. Бұл – азаматтық авиация тарихындағы алғашқы дыбыс жылдамдығынан асып түскен ұшу. «Конкордты» пайдаланудан шығарғаннан бері бірнеше жаңа идеялар пайда болды. «Aviation Week» журналының хабарлауынша, құны 200 миллион доллар болатын суперсоникалық авиалайнерлерге 10 жыл ішінде 1300-ге дейін сұраныс болуы мүмкін, бұл 260 миллиард долларлық нарыққа айналады. Оның әзірленуі мен сертификациялануы шамамен 4 миллиард долларға бағаланады.
Бұрынғы тұжырымдамалар
2003 жылдың қарашасында Airbus компаниясының бас компаниясы EADS Concorde-ті алмастыратын үлкен және жылдам ұшақ жасау үшін жапондық компаниялармен жұмыс істеуді қарастырып жатқанын мәлімдеді. 2005 жылдың қазан айында Жапония ғарыш зерттеу агенттігі JAXA, 300 жолаушыны 2 Мах жылдамдығында тасымалдауға арналған әуе кемесінің масштабты моделін аэродинамикалық сынақтан өткізді (Next Generation Supersonic Transport, NEXST, кейін Zero Emission Hyper Sonic Transport). Егер коммерциялық мақсатта пайдалануға берілсе, ол 2020-25 жылдары пайдалануға түсуі күтілуде. 2008 жылдың мамыр айында Aerion Corporation компаниясының Aerion SBJ суперсондық бизнес-джетіне 3 миллиард долларлық алдын ала тапсырыс болғандығы хабарланды. 2010 жылдың соңында жобаның бөлігі қанаттың бөлігінің сынақ ұшуымен жалғасты. Aerion AS2 12 орындық триджет ретінде ұсынылды, оның ұшу диапазоны су үстінде 1,4 Мах немесе құрлық үстінде 0,95 Мах құрайды, бірақ «жарылыссыз» 1,1 Мах жылдамдығында ұшу мүмкін екені де айтылды. Airbus қолдауымен және Flexjet-тен 20 ұшыру тапсырысымен, 2017 жылдың мамырында GE Aviation бірлескен қозғалтқыш зерттеуіне таңдалғаннан кейін алғашқы жеткізілімдер 2023 жылдан екі жылға кейінге жылдырылды. 2021 жылдың мамырында компания капитал тартудағы қиындықтарға байланысты қызметін тоқтату туралы хабарлады. SAI Quiet Supersonic Transport – Lockheed Martin компаниясының 12 жолаушыға арналған жобасы, ол 1,6 Мах жылдамдығымен ұшуға және Concorde-тің тудырған жарылысынан 1% ғана күшті дыбыстық соққы жасауға арналған. Сонымен қатар, Tupolev Tu-444 немесе Gulfstream X-54 ұшақтары да ұсынылды.
2016 жылдан қазіргі уақытқа дейін
2016 жылдың наурызында Boom Technology компаниясы 40 жолаушысы бар, 1,7 Мах жылдамдығымен ұшуға қабілетті үндік жылдамдықтан асып түсетін ұшақты жасау кезеңінде екенін мәлімдеді. Жобалау симуляциясы көрсеткендей, ол Concorde-ден гөрі тыныш әрі 30% тиімді болады, сондай-ақ Лос-Анджелестен Сиднейге 6 сағатта ұшуға мүмкіндік береді. 2029 жылы қызметке енгізу жоспарлануда. Оның экономикалық тиімділігін қамтамасыз ету үшін 2006 жылдан бері NASA зерттеулері жер үстіндегі дыбыстық соққыны азайтуға бағытталған. Жобалық топты Lockheed Martin Aeronautics басқарады. TsAGI 2017 жылы Мәскеуде өткен MAKS авиасалонында үндік жылдамдықтан асып түсетін бизнес-джеті / коммерциялық ұшағының масштабты моделін көрсетті, ол жер үстіндегі үндік жылдамдықпен ұшуға мүмкіндік беретін төмен дыбыстық соққыны тудырады және круиздік қасиеттері мен ұшу қашықтығы бойынша оңтайландырылған. Пішінді соққы дизайны; интеграцияланған төмен шулы двигательдер; қанаттың үстінен өтетін үндік жылдамдықпен табиғи ламинарлық ағын; және кабинаның сыртқы көрініс жүйесі (XVS) төмендеу аэропорт шуы мен дыбыстық соққыға мүмкіндік береді. Ұзындығы 68,58 метр болатын конструкция Concorde-ден әлдеқайда ұзын, ал мұрының ұзындығы 21,34 метр, кабинасы 23,77 метрді құрайды. Дыбыстық жылдамдықпен ұшуға арналған қанаттың ені 22,25 метр, бұл Concorde-ден сәл тар. 2019 жылы Exosonic, Inc компаниясы құрылды, оның мақсаты 70 жолаушысы бар, 1,8 Мах жылдамдығымен ұшуға қабілетті үндік жылдамдықтан асып түсетін ұшақты жасау болып табылады. Компания 2030 жылдары коммерциялық ұшақты енгізуді көздеп отыр. 2021 жылдың сәуірінде Exosonic компаниясы Air Force One ретінде пайдаланылуы мүмкін үндік жылдамдықтан асып түсетін ұшақты жасау бойынша келісімшарт алды. 2020 жылдың тамызында Virgin Galactic компаниясы Rolls Royce компаниясымен бірлесіп, 19 жолаушыға дейін тасымалдай алатын Mach 3 жылдамдығына ие екі двигательді дельта қанатты ұшақтың тұжырымдамасын ұсынды. NASA Boeing және Northrop Grumman компаниялары жетекшілік ететін екі командамен бірлесіп Mach 4 жылдамдығындағы ұшақтың концепциясын әзірлеуде. 2024 жылдың сәуірінде Boom компаниясы Калифорния штатының Мохаве қаласындағы Black Mountain үндік жылдамдықпен ұшу жолағында XB 1 ұшағының Mach 1 және одан жоғары жылдамдықтағы сынақтарын жүргізуге FAA лицензиясын алды.
Гипердыбыстық тасымалдау
Әдеттегі турбо және рамжет қозғалтқыштары 5,5 Махқа дейін тиімді жұмыс істей алады, бірақ кейде әлемнің кез келген нүктесіне саяхат уақытын бір-екі сағатқа дейін қысқарту мақсатымен 6 Махтан жоғары жылдамдықпен ұшу мүмкіндіктері де талқыланады. Мұндай көлік құралдарының ұсыныстары көбінесе ракеталық немесе скрамжет қозғалтқыштарын пайдаланады, сондай-ақ импульстік детонациялық қозғалтқыштар да ұсынылған. Мұндай ұшулармен байланысты көптеген техникалық және экономикалық қиындықтар бар. Ракеталық қозғалтқыштармен жабдықталған көліктер (баллистикалық немесе қанатты жартылай баллистикалық көліктер ретінде) техникалық тұрғыдан мүмкін болғанымен, өте көп мөлшерде отынды пайдаланады және шамамен 8 Мах пен орбиталық жылдамдық аралығында ең жақсы жұмыс істейді. Ракеталар ұзақ қашықтықтағы рейстерде ауамен тыныстайтын реактивтік қозғалтқыштармен шығындар бойынша бәсекелесе алады, алайда тіпті антиподальді сапарлар үшін де шығындар орбитаға шығарудан айтарлықтай төмен болмайды. 2011 жылғы маусымдағы Париж әуешолуында EADS компаниясы ZEHST концепциясын таныстырды, ол жапондық тараптың қызығушылығын тудырды. Неміс SpaceLiner – әзірлеме кезеңіндегі суборбитальды гипердыбысты қанатты жолаушылар ғарыш ұшағы жобасы. Алдын ала салқындатылған реактивтік қозғалтқыштар – ауаны өте жоғары жылдамдықтарда салқындататын жылу алмастырғышы бар реактивтік қозғалтқыштар. Бұл қозғалтқыштар шамамен 5,5 Мах жылдамдығында тиімді және практикалық болуы мүмкін, және бұл Еуропа мен Жапониядағы зерттеулердің маңызды бағыты. Британдық Reaction Engines Limited компаниясы Еуроодақтың 50% қаржысымен LAPCAT зерттеу бағдарламасын жүргізіп келеді, ол 300 жолаушыны тасымалдайтын, сутегімен жұмыс істейтін A2 ұшағының жобасын қарастырады, ол Брюссельден Сиднейге 4,6 сағатта 5 Махтан жоғары жылдамдықпен ұша алады. LAPCAT II зерттеу жұмысы 2008 жылы басталды және төрт жылға жоспарланған. STRATOFLY MR3 – Еуроодақтың (Германияның Ғарыш агенттігі, ONERA және университеттер) 30 км биіктікте 10 000 км/сағ (Мах 8) жылдамдықпен ұша алатын криогендік отынмен жұмыс істейтін 300 жолаушыға арналған ұшақты әзірлеуге бағытталған зерттеу бағдарламасы. Destinus, Hermeus және Venus Aerospace гипердыбысты жолаушылар ұшақтарын жасап жатыр. Boeing компаниясы AIAA 2018 конференциясында жаңа жолаушылар ұшағын таныстырды. Круиздік биіктіктегі қысымның төмендеуі қауіпті жағдайға алып келуі мүмкін.