Jak technologia lotów hipersonicznych przenosi się z laboratorium do nieba

Wyobraź sobie, że możesz przelecieć z jednego końca świata do drugiego w godzinę, zamiast całego dnia. Czy to nie ekscytujące? 

Choć może się to wydawać myśleniem życzeniowym, w niedalekiej przyszłości stanie się to możliwe, ponieważ nowe badania przybliżają loty hipersoniczne o kolejny ważny krok w kierunku realizacji.

Opublikowane w czasopiśmie Nature Communications badanie szczegółowo opisuje a przełom w zrozumieniu turbulencji hipersonicznych¹ że może całkowicie zmienić podróże długodystansowe. 

Jeśli chodzi o naddźwiękowy loty, dotychczasowy design samolotu jest krytyczny jego sukces. Aby zaprojektować tak szybki pojazd, ważne jest dokładne przewidzenie oporu aerodynamicznego i wymiany ciepła, a to wymaga fizycznego zrozumienia turbulencji przy tak ekstremalnych prędkościach.

Aby to zrozumieć, naukowcy z prywatnego uniwersytetu badawczego Stevens Institute of Technology przeprowadzili testy w celu sprawdzenia tego zjawiska i ich eksperymenty z kryptonem opartym na laserze wykazały, że turbulencje przy prędkościach hipersonicznych zachowują się bardziej jak wolniejszy przepływ powietrza, niż oczekiwano. 

Wyniki pokazują, że turbulencje przy ekstremalnych prędkościach mogą niewiele różnić się od tych przy niższych prędkościach może to uprościć i usprawnić projektowanie pojazdów hipersonicznych i przyspieszyć postępy w kierunku urzeczywistnienia ultraszybkich podróży.

A jeśli rzeczywiście przekroczymy granice science fiction i wkroczymy w rzeczywistość, loty hipersoniczne mogą całkowicie odmienić globalny transport. Trasy długodystansowe, na których obecnie trwa od 10 do 20 godzin lotu, mogą przemienić się krótkie dojazdy, które może zajmie tylko godzinę. 

„To naprawdę zmniejsza planetę” – powiedział współautor badania, Nicholaus Parziale z Wydział Inżynierii Mechanicznej, Stevens Institute of Technology, Hoboken, NJ, USA. „Dzięki temu podróżowanie stanie się szybsze, łatwiejsze i przyjemniejsze”.

Badania Parziale'a koncentrują się na urzeczywistnieniu lotów hipersonicznych. Oznacza to lot przez atmosferę poniżej wysokości około 90 km (56 mil) z prędkością ponad pięciokrotnie przekraczającą prędkość dźwięku, co jest skierowany do Mach 5.

Mach 1 to po prostu prędkość dźwięku, tj. 761 mil na godzinę. Naukowcy próbują stworzyć samoloty latający at jak Mach 10 aby drastycznie skrócić czasale oczywiście przy tak dużych prędkościach powietrze wokół samolotu nie zachowuje się tak samo, jak przy niskich prędkościach.

Z naukowego punktu widzenia, przy niskich prędkościach, poniżej 1 Macha, występuje przepływ nieściśliwy. Ten oznacza, że ​​gęstość powietrza pozostaje niemal stała, a konstrukcja samolotu jest prosta.

Jednak sytuacja zmienia się przy wyższych prędkościach, w których występuje przepływ ściśliwy, ponieważ gaz może się ściskać. Co to znaczy is że ze względu na zmiany ciśnienia i temperatury, dotychczasowy Gęstość powietrza ulega znacznym zmianom, a sprężanie wpływa na sposób lotu samolotu.

„Ściśliwość ma wpływ na sposób, w jaki powietrze opływa kadłub, co może zmieniać takie parametry, jak siła nośna, opór i ciąg niezbędny do startu lub utrzymania się w powietrzu”, a wszystkie te czynniki są kluczowe przy projektowaniu samolotu.

Przy „niskich liczbach Macha” inżynierowie dobrze rozumieją, jak ten przepływ powietrza działa na samoloty i jak na nie wpływa. Ale nie tak dobrze przy wyższych liczbach Macha.

Istnieje jednak hipoteza Morkovina. Hipoteza ta stanowi fundament naszej wiedzy na temat naddźwiękowych i hipersonicznych turbulencji ściśliwych. Zgodnie z hipotezą „możemy z pewnością oczekiwać, że zasadnicza dynamika tych naddźwiękowych przepływów ścinających będzie zgodna z modelem nieściśliwych”.

Hipoteza, sformułowana ponad pół wieku temu przez Marka Morkovina, sugeruje, że przy prędkościach Mach 5 lub 6 zachowanie turbulencji nie różni się znacząco od tego przy niższych prędkościach. Chociaż gęstość i temperatura powietrza zmieniają się bardziej w szybszych przepływach, hipoteza głosi, że podstawowy „nierówny” ruch turbulencji w większości pozostaje taki sam. 

Zasadniczo hipoteza Morkovina oznacza, że ​​sposób, w jaki turbulentne powietrze porusza się przy niskich i wysokich prędkościach, nie różni się aż tak bardzo. Jeśli hipoteza jest prawidłowa, oznacza to, że nie potrzebujemy zupełnie nowego sposobu rozumienia turbulencji przy tych wyższych prędkościach. Możemy wykorzystać te same koncepcje, które… „używaj do wolniejszych przepływów.” 

- Częściowy

Ten oznacza również brak konieczności stosowania znacząco odmiennych podejść projektowych, co upraszcza samoloty hipersoniczne.

Jak dotąd jednak nie ma wystarczających dowodów eksperymentalnych potwierdzających tę hipotezę. W związku z tym Parziale i jego zespół podjęli wyzwanie i poświęcili ponad dekadę na zbudowanie systemu. za to samo.

W swoim badaniu zatytułowanym „Hipersoniczne turbulentne ilości wspierające hipotezę Morkovina” jego zespół wykorzystał krypton – bezbarwny, bezsmakowy, bezwonny i najlżejszy gaz szlachetny, który występuje w atmosferze jedynie w śladowych ilościach.

Zespół Parziale'a po raz pierwszy zjonizował krypton za pomocą laserów. Gaz został wprowadzony do strumienia powietrza wewnątrz tunelu aerodynamicznego, co spowodowało chwilowe rozbicie jego atomów. tworzą świecącą linię. Początkowo prosta, fluorescencyjna linia kryptonu wyginała się i skręcała, przemieszczając się w powietrzu tunelu aerodynamicznego. Zespół użył kamer o ultrawysokiej rozdzielczości, aby uchwycić jej ruch.

„Gdy ta linia porusza się wraz z gazem, widać zagięcia i struktury w przepływie, a dzięki temu możemy dowiedzieć się wiele o turbulencjach” – powiedział Parziale. „Odkryliśmy, że przy prędkości 6 Machów zachowanie turbulencji jest dość zbliżone do przepływu nieściśliwego”.

Zgodnie z wynikami badania, dane eksperymentalne potwierdzają hipotezę Morkovina, która jest podstawą naszego zrozumienia hipersonicznych i naddźwiękowych turbulencji ściśliwych.

Choć hipoteza Morkovina nie została w pełni potwierdzona, jest to osiągnięcie. Sugerując, że samoloty nie potrzebują zupełnie nowego podejścia konstrukcyjnego, aby latać z prędkością hipersoniczną, upraszcza ona sprawę i przybliża nas o krok do lotu hipersonicznego.

„Dziś musimy używać komputerów do projektowania samolotów, a zasoby obliczeniowe potrzebne do zaprojektowania samolotu, który będzie latał z prędkością 6 Machów, symulując wszystkie drobne, drobne szczegóły, byłyby niemożliwe” – powiedział Parziale. „Hipoteza Morkovina pozwala nam na przyjęcie uproszczonych założeń, dzięki czemu wymagania obliczeniowe związane z projektowaniem pojazdów hipersonicznych stają się bardziej wykonalne”.

Według Parziale, który ma otrzymał Prezydencką Nagrodę za Wczesną Karierę dla Naukowców i Inżynierów za Jego badania nad mechaniką płynów wpływającą na loty z dużą prędkością mogą pomóc w transformacji transportu kosmicznego. Powiedział:

„Jeśli uda nam się zbudować samoloty latające z prędkością hipersoniczną, będziemy mogli również wysyłać je w kosmos, zamiast wystrzeliwać rakiety, co ułatwi transport na niską orbitę okołoziemską i z powrotem. To będzie przełom w transporcie nie tylko na Ziemi, ale także na niskiej orbicie”.

Wyścig o odblokowanie lotów hipersonicznych, mobilności i obrony

Choć loty hipersoniczne jeszcze nie istnieją, pierwszy naddźwiękowy samolot pasażerski odbył swój pierwszy komercyjny lot w 1976 roku. Concorde, wspólny projekt Wielkiej Brytanii i Francji, był naddźwiękowym samolotem pasażerskim, który mógł latać szybciej niż dźwięk. Słynął z luksusu i szybkości, obsługując połączenia transatlantyckie i skracając czas lotu o połowę. 

Jednak zaledwie po 50 000 lotów, w 2003 roku, samolot został wycofany z eksploatacji z powodu śmiertelnej katastrofy, niskiej liczby pasażerów i wysokich kosztów utrzymania. Ten wczesny rozdział w historii lotnictwa dużych prędkości wyznaczył zarówno potencjał, jak i ograniczenia dla przyszłych przedsięwzięć.

Chociaż Concorde zawiódł, pokazał że możliwe było przepłynięcie Atlantyku w ciągu kilku godzin, a teraz organizacje skupiają się na wzrastający wydajność paliwowa i projektowanie samolotów który może osiągnąć duże prędkości. Nowa generacja samolotów odrzutowych również pracuje nad spełnieniem obietnicy lotów hipersonicznych.

Podczas gdy samoloty komercyjne jest jeszcze do osiągać ekstremalne prędkości, samoloty wojskowe latają już z prędkością około trzykrotnie przekraczającą prędkość dźwięku, aka Macha 3. W międzyczasie przetestowano wiele lotów hipersonicznych, z prędkością znacznie wyższy niż Mach 5 or nawet Mach 10.

Kamienie milowe te sięgają czasów, gdy najwcześniejsze obiekty były zdolne do ruchu hipersonicznego. Pierwszy jeden wyprodukowany dla lotem hipersonicznym była rakieta Bumper, która z powrotem w 1949 roku osiągnął prędkość około Mach 6. Jednak nie przetrwał powrotu do atmosfery.

Aby utrzymać i kontrolować takie prędkości w samolotach, niezbędne stały się nowe rozwiązania napędowe.

Kluczową technologią dla lotów hipersonicznych jest silnik strumieniowy. Silnik strumieniowy o spalaniu naddźwiękowym, zwany też naddźwiękowym, to odmiana silnika strumieniowego z funkcją spalania powietrza, która spala powietrze w naddźwiękowym strumieniu powietrza, dzięki czemu jest bardziej wydajna w lotach hipersonicznych niż tradycyjny silnik strumieniowy.

Silnik odrzutowy typu scramjet to zaawansowany typ silnika odrzutowego, który osiąga prędkość Mach 5 i więcej. Nie posiada ruchomych części i wykorzystuje ruch samolotu do przodu do sprężania powietrza do spalania.  

Przed pojawieniem się silników naddźwiękowych silniki strumieniowe ramstream oferowały najefektywniejszą drogę do Mach 3–Mach 5, pełniąc funkcję dolnego stopnia wielu systemów hipersonicznych. Między ramjet oraz odrzutowiec są to silniki strumieniowe o podwójnym trybie pracy, które umożliwiają lot z prędkością od Mach 3 do Mach 8 w jednym silnik.

Istnieją również silniki z turbodoładowaniem i cyklem mieszanym (TBCC), które stanowią hybrydę tradycyjnego silnika turboodrzutowego i silnika strumieniowego/nadstrumieniowego. Silniki turboodrzutowe mogą osiągać prędkości od około 2 do 3 Machów, ale przy wyższych prędkościach przechodzą w tryb strumieniowy/nadstrumieniowy.

Inne rodzaje silników obejmują silniki rakietowe turbopowietrzne (ATR), które spalają paliwo za pomocą tlenu atmosferycznego, silniki z wirującą falą detonacyjną (RDE), które do spalania wykorzystują ciągłą wirującą falę detonacyjną, oraz silniki o cyklu kombinowanym firmy Reaction Engines (SABRE), które są hybrydami silników powietrznych i rakietowych z chłodnicą wstępną, schładzającą wlatujące powietrze hipersoniczne do temperatury otoczenia.
Przesuń, aby przewijać →

Innowacje te otworzyły drogę ambitnym koncepcjom komercyjnym. Na przykład A-HyM Hypersonic Air Master zakłada samolot komercyjny o prędkości Mach 7.3. Ta futurystyczna koncepcja odrzutowca jest zaprojektowany dla samolotu pasażerskiego, który umożliwiłby podróż z Londynu do Los Angeles być ukończone w zaledwie 90 minut. Szacuje się, że będzie mógł pomieścić około 170 pasażerów.

Jego system napędowy łączyłby technologie silnika o spalaniu skośnym (ODE), silnika strumieniowego i turboodrzutowego w konfiguracji z cyklem mieszanym. Ponadto być zasilanym przez silnik wodorowy. Ponadto A-HyM miałby tytan i strukturę z włókna węglowego, a aby rozwiązać problem hałasu, zostanie wyposażony w system redukcji hałasu.

Grzmot dźwiękowy to grzmiący dźwięk wywoływany przez obiekt Poruszając się szybciej niż prędkość dźwięku. To nie tylko pojedynczy „huk”, ale raczej ciągła emisja dźwięku.d pod warunkiem, że obiekt leci z prędkością naddźwiękową. 

Następnie mamy koncepcję wielokrotnego użytku hipersonicznego samolotu kosmicznego o nazwie Stargazer, zaproponowaną przez Venus Aerospace, który ma osiągać prędkość około Mach 9, zasięg rzędu 5,000 mil i wysokość przelotową znacznie powyżej 100 000 stóp, co czyni go ultraszybką platformą do podróży po świecie.

Ostatnio, Lockheed Martin (LMT ) Ventures nabyło strategiczne udziały w startupie zajmującym się napędem rakietowym w obliczu rosnącej konkurencji mającej na celu przyspieszenie prac nad rozwojem pocisków hipersonicznych.

Firma Venus Aerospace opracowała system napędowy – silnik rakietowy z wirującą detonacją (RDRE), który wykorzystuje stale wirującą falę uderzeniową do generowania ciągu. Na początku tego roku zakończyła test w locie silnika RDRE o ciągu 2,000 funtów (ok. 900 kg). Nieujawnione finansowanie pomoże firmie w „zwiększeniu możliwości realizacji projektów na dużą skalę i wdrożeniu silnika”.

Prywatne firmy zajmujące się lotnictwem i kosmonautyką przyspieszają w kierunku wielokrotnego użytku hipersonicznego platformy, ale nie są osamotnione; agencje rządowe na całym świecie również inwestowanie w zaawansowane badania hipersoniczne.

Inżynierowie z NASA współpracują z Laboratorium Badawczym Sił Powietrznych (AFRL) i australijską Organizacją Nauki i Technologii Obronnych (DSTO) nad programem eksperymentalnych badań lotów hipersonicznych (HIFiRE), w ramach którego testowany będzie dwutrybowy silnik strumieniowy/naddźwiękowy o docelowej prędkości Mach 8. 

Rząd Australii niedawno zobowiązał się do zainwestowania kapitału własnego w wysokości 10 milionów dolarów najnowszych lokalna firma lotniczo-kosmiczna Hypersonix Launch Systems (HLS), która opracowuje samolot, który by latać z prędkością ponad Mach 12 i będzie być zasilanym paliwem wodorowym. Ich opatentowany silnik strumieniowy is nazywany „SPARTAN” i to nadaje się do ponownego użycia i jest drukowany w technologii 3D.

W zeszłym miesiącu, GE Aerospace (GE ) przeprowadzono testy w locie demonstracyjnego systemu ATLAS napędzanego nowym silnikiem strumieniowym na paliwo stałe w ramach programu Defense Production Act Title III Departamentu Obrony USA.

Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) również uruchomiła program badawczy o nazwie INVICTUS będzie rozwijać własne technologie lotów hipersonicznych. Będzie to demonstracja kluczowych technologii umożliwiających długotrwały lot hipersoniczny. Będzie to w pełni wielokrotnego użytku pojazd zdolny do osiągania prędkości Mach 5.

Inwestowanie w technologię lotów hipersonicznych

Lockheed Martin Corporation to firma z branży lotnictwa i bezpieczeństwa, która projektuje, produkuje, integruje i wspiera zaawansowane systemy technologiczne. Działa poprzez:

• Aeronautyka
• Rakiety i kontrola ognia (MFC)
• Systemy obrotowe i misyjne (RMS)
• Segmenty kosmiczne

Firma zajmuje się głównie rozwojem samoloty wojskowe, systemy obrony przeciwrakietowej bazujące na powietrzu, morzu i lądzie, śmigłowce wojskowe i komercyjne, załogowe i bezzałogowy pojazdy naziemne, satelity, systemy transportu kosmicznego i rozwiązania z zakresu zarządzania energią.

We współpracy z NASA firma Lockheed Martin opracowała X-59 aby konkretnie zająć się problemem gromu dźwiękowego.

Konstrukcja X-59, charakteryzująca się wydłużonym kadłubem, ma na celu redystrybucję fali uderzeniowej podczas przełamywania bariery dźwięku. Zmniejszyła ona odczuwalny hałas na ziemi do około 75 decybeli, generując jedynie „uderzenie” dźwiękowe, „mniej więcej głośne jak zamykanie drzwi samochodu”.

Pod koniec ubiegłego miesiąca X-59 odbył swój pierwszy lot z ośrodka Skunk Works w Palmdale do Centrum Badawczego Lotów im. Armstronga NASA, co firma Lockheed Martin określa jako „moment” dowodzący, że „przyszłość lotnictwa może być szybsza i cichsza niż kiedykolwiek wcześniej”.

Ma mniej niż 30 metrów długości, rozpiętość skrzydeł około 9 metrów i około 4,2 metra wysokości. Porusza się na wysokości około 16 000 metrów i może osiągnąć prędkość Macha 14. prędkości 925 mil na godzinę.

"X-59 będzie wykorzystywany do zbierania danych o reakcji społeczności na temat akceptowalności cichego huku dźwiękowego generowanego przez unikalną konstrukcję samolotu. Dane te pomogą NASA dostarczyć organom regulacyjnym informacje potrzebne do ustanowienia akceptowalnego standardu hałasu naddźwiękowego w celach komercyjnych, aby znieść zakaz komercyjnych lotów naddźwiękowych nad lądem.„mówi firma.To przełomowe odkrycie otworzyłoby drzwi do zupełnie nowego globalnego rynku dla producentów samolotów, umożliwiając pasażerom podróżowanie w dowolne miejsce na świecie w czasie o połowę krótszym niż obecnie."

Nie tylko opracowała X-59 we współpracy z NASA, ale pracuje również nad SR-72, którego docelowa prędkość operacyjna wynosi około Mach 6. Choć niewiele jest znana o tym koncepcyjnym następcy samolotu SR-71 Blackbird, SR-72 jest przeznaczony do celów wywiadowczych, obserwacyjnych i rozpoznawczych jest powszechnie określany jako „Syn Kosa”.

Ten jest ustawiony jako samolot hipersoniczny, który mógłby wejść do służby w latach trzydziestych XXI wieku.

Przy kapitalizacji rynkowej wynoszącej 109 miliardów dolarów akcje Lockheed Martin są obecnie notowane po 470.78 dolarów, jego Zakres 52-tygodniowy który jest $410.11 oraz $ 546.00. Zysk na akcję (TTM) wynosi 17.95, a wskaźnik P/E (TTM) 26.22.

Lockheed kraj ma stopa dywidendy of % 2.93. Na początku zeszłego miesiąca zatwierdzono wypłatę dywidendy za czwarty kwartał płatność w wysokości 3.45 USD za akcję, co stanowi wzrost o 5% w porównaniu z poprzednim rokiem kwartalnie dywidenda płatność. W trzecim kwartale 2024 r. spółka zwróciła również swoim udziałowcom 1.8 mld dolarów w gotówce poprzez dywidendy i skup akcji, co zwiększyło kwotę o 2 mld dolarów do łącznej kwoty 9 mld dolarów.

W tym okresie firma odnotowała sprzedaż na poziomie 18.6 miliarda dolarów i zysk netto w wysokości 1.6 miliarda dolarów, czyli 6.95 dolara na akcję. Przepływy pieniężne z działalności operacyjnej wyniosły 3.7 miliarda dolarów, a wolne przepływy pieniężne 3.3 miliarda dolarów. 

Firma Lockheed odnotowała również rekordowe zaległości w wysokości 179 miliardów dolarów, co – jak powiedział prezes Jim Taiclet – „podkreśla zaufanie, jakim darzą nas klienci, i stanowi podstawę długoterminowych perspektyw rozwoju naszej firmy”. Zauważył również, że w wyniku „bezprecedensowego popytu znacząco zwiększamy moce produkcyjne w szerokim zakresie naszych linii biznesowych”.

Najświeższe Lockheed Martin Corporation (LMT) Wiadomości giełdowe

Wniosek

Loty hipersoniczne nie są już odległą granicą, lecz wyzwaniem inżynieryjnym, które można przetestować, który dostaje bliżej do coraz rzeczywistość dzięki przełomom w systemach napędowych, globalnym inwestycjom w wielokrotnego użytku pojazdy o dużej prędkości i nowym eksperymentom potwierdzającym hipotezy sprzed dziesięcioleci.

Referencje

1. Segall, BA, Keenoy, TC, Kokinakos, JC, Langhorn, JD, Hameed, A., Shekhtman, D. i Parziale, NJ „Hipersoniczne wielkości turbulentne wspierające hipotezę Morkovina”. Nature Communications 16, Artykuł 9584 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65398-4