Szuperszonikus repülés

A szuperszonikus repülés a hangsebességnél gyorsabb repülés. Ilyenkor az objektum sebessége nagyobb, mint abban a közegben az aktuális hangsebesség. Egyik kísérőjelensége a földön hallható hangrobbanás. A hangrobbanás a hirtelen nyomásváltozástól lép fel, és magában a repülőgépben nem észlelhető, hiszen a gép a hangsebességnél gyorsabban repül. A hangrobbanás folyamatosan keletkezik, nem csak abban a pillanatban, amikor a repülőgép átlépi a hangsebességet. A hangsebesség tengerszinten kb. 1200 km/h, ami a magassággal csökken, 15 000 méteren már csak 1060  km/h. Ezért az aktuális hangsebesség jelzésére a Mach-szám megnevezést vezették be, amihez hozzátartozik az elérési magasság.

Története

Kármán Tódor a szuperszonikus repülés elméletéhez 1932-ben azzal járult hozzá, hogy a háromdimenziós Navier-Stokes áramlási egyenleteket egyetlen egyenletre egyszerűsítette és az áramlás útjába helyezett akadályok különböző pontjai közelében mért fizikai adatok tanulmányozásával arra megoldást javasolt. Ezt a szuperszonikus repülés feladataira alkalmas Kármán-Moore elméletnek nevezett megoldást ma is széles körben használják.

Már a második világháború (1939-1945) alatt is tapasztalták egyes pilóták, hogy a gépük zuhanás közben irányíthatatlanná válik (ez a szárnyaktól kiinduló lökéshullám következménye volt, amiről akkoriban még nem tudtak).

Az 1940-es években, ahogy a katonai repülőgépek sebessége fokozatosan növekedett és kezdte elérni a hangsebességet, a pilóták arról számoltak be, hogy az általuk vezetett repülőgép furcsán viselkedik: erős rázkódások lépnek fel és a gép nem gyorsítható tovább.

Az első szuperszonikus repülési kísérletek 1947-ben kezdődtek.

Az orosz MiG–19 volt az első vadászgép, ami tartósan képes volt vízszintes szuperszonikus repülésre. Ezt hamarosan követte a Republic XP-91, és a North American F–100 Super Sabre. Ezek a gépek alkalmazták elsőként az ún. utánégetés technikáját, ami abból áll, hogy üzemanyagot fecskendeznek a turbina utáni égéstérbe, és ezzel extra meghajtást érnek el. (bővebben lásd: utánégető)

Az első szuperszonikus bombázó az amerikai Convair B–58 Hustler, ami 1956-ban lépett szolgálatba. 1963-ra a rakétameghajtású X–15 képessé vált a Mach 6 sebesség elérésére, a felszín felett 108 km-es magasságban.

Az 1970-es évekre az Egyesült Államok (SR-71) és a Szovjetunió (MiG-25, „Foxbat”) is rendelkezett olyan katonai repülőgépekkel, amik már képesek voltak a hangsebesség háromszorosával repülni.

Kereskedelmi repülőgépek

A személyszállításra szánt repülőgépek (elsősorban a gyakorlatban is használt Concorde) a megfelelő kényelem biztosítása mellett nem tudtak száz utasnál többet szállítani (bizonyos kompromisszumokkal 144-et). A repülőjegyek csak 20%-kal voltak drágábbak az egyéb repülőgépek áraihoz képest, a repülőút viszont lényegesen rövidebb volt. Azonban ezek az árak nem fedezték a működési költségeket. A Concorde háromszor annyi karbantartást igényelt, mint egy Boeing 747, amiben 400 utas utazhatott. A Concorde ráadásul 50%-kal több üzemanyagot fogyasztott.

Az Egyesült Államok 1966 decemberében megbízta a Boeing repülőgépgyárat egy kereskedelmi repülőgép kifejlesztésével, aminek képesnek kellett lennie 300 utas szállítására Mach 2,7 sebességgel. 1971 elejéig a projektre 425 millió dollárt költöttek. 1971 márciusában az amerikai kongresszus nem szavazta meg a projekt további finanszírozását.

A Szovjetunió a szuperszonikus repüléssel foglalkozó többi három nemzet előtt járt az utasokat szállító szuperszonikus repülőgép kifejlesztésében. 1965 júniusában a Párizsi Légibemutatón megjelent a Tupoljev-144, bár a Mach 1 sebességet csak 1969-ben érte el. 1970-ben már Mach 2 sebességgel repült. 1971-ben halálos balesetet szenvedett a Párizsi Légibemutatón, ennek ellenére 1975-ben teher- és postai gépként járt Moszkva és Kazahsztán között. A rendszeres személyszállító járatok 1977-ben kezdődtek és 1978 júniusáig tartottak. Eközben a repülőgépet több ízben módosították. Az útvonalat 1979-ben újra megnyitották, de az Aeroflot 1984-ben megszüntette.

Műszaki kívánalmak

• A nagy súrlódás következtében fellépő melegedés miatt az addig általánosan alkalmazott alumínium helyett a repülőgép egyes részein titánt használtak
• Az üzemanyagtartály hőszigetelést igényel, hogy a mozgás okozta hő ne melegítse túlságosan
• A változtatható szárnyállású szárny a szuperszonikus sebesség közelében a törzshöz lapul, hogy csökkentse a légellenállást (kisebb sebességen vagy leszálláskor kinyílik)
• A gépnek irányíthatónak kell maradnia a hangsebesség átlépése után is
• A súrlódás csökkentése érdekében a gépnek nagy magasságban (20 km fölött) célszerű repülnie

A szuperszonikus repülés hatása az ózonrétegre

Paul Crutzen az 1970-es évekre felismerte, hogy a szuperszonikus repülés veszélyt jelent az ózonrétegre. A repülés során a repülőgép hajtóműve nitrogén-oxidot bocsát ki, ami közvetlenül az ózonrétegbe kerül. Harold Johnston amerikai kémikus (University of California at Berkeley) tanulmányozta ezt a jelenséget. Ennek nyomán több komoly tanulmány született a témában, és korlátozást vezettek be, a szuperszonikus repülőgépek gyártási számát tíz darabban maximálták.

Kísérleti repülőgépek

• 1947: X–1, a gép rakétameghajtású volt, ami 2,5 perces működtetést tett lehetővé, ezért egy B-29-ről indították
• 1948-1953: X-4, faroknélküli sugárhajtású repülőgép
• 1952-1955: X-3, titánszerkezet alkalmazása
• 1948-1956: D-558-II, a hangsebesség kétszeresének első átlépése (Mach-szám 2)
• 1948-1953: XF-92A, az első deltaszárnyas, sugárhajtású repülőgép
• 1955-1956: X-2, a Mach 3 átlépése
• 1951-1955: X-4, az első változtatható szárny-nyilazású repülőgép
• 1960: XB-70 (nem került gyártásba)

Kapcsolódó szócikkek

• 1947 a légi közlekedésben
• Tu–144 - a világ leggyorsabb utasszállító repülőgépe, melyet a Tupoljev tervezőiroda fejlesztett ki és az Aeroflot üzemeltetett
• Concorde - az Air France és a British Airways által üzemeltetett szuperszonikus utasszállító repülőgép
• X–29 - szuperszonikus kísérleti repülőgép
• Szárnyprofil
• Szu–7 - szovjet egyhajtóműves vadászbombázó repülőgép
• F–102 Delta Dagger - amerikai elfogó vadászgép, melyet az USA légiereje számára gyártottak az 1950-es évek végén

Források

• Tracy Irons-Georges (szerk.): Encyclopedia of Flight, Salem Press, Inc., 2002
• NASA: Aeronautics: An Educator’s Guide with Activities in Science, Mathematics, and Technology Education

További információk

• Reithmaier, L. H.: Mach 1 and Beyond: The Illustrated Guide to High-Speed Flight. New York: McGraw-Hill, 1994