Як гіперзвукова технологія польотів переходить з лабораторії в небо

Уявіть, що ви можете перелетіти з однієї частини світу в іншу за годину, замість того, щоб витрачати на це цілий день. Хіба це не захоплююче? 

Хоча це може здаватися мрією, це майже можливо в недалекому майбутньому, оскільки нове дослідження наближає гіперзвукові польоти на ще один важливий крок до реальності.

Опубліковано в Nature Communications, деталі дослідження a прорив у розумінні гіперзвукової турбулентності¹ Що може змінити подорожі на далекі відстані. 

Коли справа доходить до надзвуковий рейси, дизайн літака має вирішальне значення для його успіх. Для проектування такого високошвидкісного транспортного засобу важливо точно передбачити аеродинамічний опір і теплопередачу, що вимагає фізичного розуміння турбулентності на цих екстремальних швидкостях.

Щоб отримати це розуміння, дослідники з приватного дослідницького університету Технологічного інституту Стівенса провели те саме випробування, і їхні лазерні експерименти з криптоном показали, що турбулентність на гіперзвукових швидкостях поводиться більше як повільніший повітряний потік, ніж очікувалося. 

З огляду на результати, які показують, що турбулентність на екстремальних швидкостях може не сильно відрізнятися від на нижчих швидкостях це може спростити та оптимізувати конструкцію гіперзвукових апаратів та прискорити прогрес у втіленні надшвидких подорожей у реальність.

І якщо це вийде за межі наукової фантастики та стане реальністю, гіперзвукові польоти можуть повністю змінити світові подорожі. Далекомагістральні маршрути, які зараз займають від 10 до 20 годин польоту, можуть перетворюватися короткі поїздки на роботу, що може займе лише годину. 

«Це справді зменшує планету», — сказав співавтор дослідження Ніколаус Парзіале з Кафедра машинобудування, Технологічний інститут Стівенса, Хобокен, Нью-Джерсі, США. «Це зробить подорожі швидшими, легшими та приємнішими».

Основна увага в дослідженні Парзіале приділяється втіленню гіперзвукового польоту в реальність. Це означає політ крізь атмосферу на висоті нижче приблизно 56 миль (близько 90 км) зі швидкістю, що в п'ять разів перевищує швидкість звуку, що... посилається до Маха 5.

Мах 1 — це просто швидкість звуку, тобто 761 миля на годину. Дослідники намагаються створити літаки політ at скільки Мах 10 різко скоротити час, але, звичайно, на таких високих швидкостях повітря навколо літака поводиться не так, як на низьких швидкостях.

З наукової точки зору, на низьких швидкостях, нижче 1 Маха, існує нестисливий потік. Цей означає, що щільність повітря залишається майже постійною, а конструкція літака проста.

Але це змінюється на вищих швидкостях, де виникає стисливий потік, і це тому, що газ може стискатися. Що це засоби is що через коливання тиску та температури, Щільність повітря значно змінюється, і це стиснення впливає на те, як політає літак.

«Стисливість впливає на те, як повітряний потік обтікає корпус, і це може змінити такі речі, як підіймальна сила, опір і тяга, необхідні для зльоту або утримання в повітрі», – усі ці фактори є ключовими для конструкції літака.

За «низьких чисел Маха» інженери добре розуміють, як цей повітряний потік працює з літаками та впливає на них. Але не так добре за вищих чисел Маха.

Однак є гіпотеза Морковіна. Ця гіпотеза є основоположною для нашого розуміння надзвукової та гіперзвукової стисливої ​​турбулентності. Згідно з гіпотезою, «ми можемо з упевненістю очікувати, що основна динаміка цих надзвукових зсувних потоків буде слідувати нестисливій схемі».

Гіпотеза, складена понад півстоліття тому Марком Морковіним, припускає, що при швидкості 5 або 6 Махів турбулентність не сильно відрізняється від поведінки на нижчих швидкостях. Хоча щільність повітря та температура змінюються більше в швидших потоках, гіпотеза стверджує, що основний «нерівномірний» рух турбулентності здебільшого залишається тим самим. 

«По суті, гіпотеза Морковіна означає, що спосіб руху турбулентного повітря на низьких і високих швидкостях не так вже й відрізняється. Якщо гіпотеза правильна, це означає, що нам не потрібен абсолютно новий спосіб розуміння турбулентності на цих вищих швидкостях. Ми можемо використовувати ті ж концепції, що й раніше». використовувати для повільніших потоків». 

- Частковий

Цей також означає відсутність потреби в суттєво різних підходах до проектування, що спрощує гіперзвукові літаки.

Однак досі не було достатніх експериментальних доказів для підтвердження цієї гіпотези. Тому Парзіале та його команда прийняли виклик і витратили понад десять років на створення установки. за те ж саме.

У своєму дослідженні під назвою «Гіперзвукові турбулентні величини на підтримку гіпотези Морковіна» його команда використовувала криптон, безбарвний, без смаку, без запаху та найлегший благородний газ, який зустрічається в атмосфері лише в слідових кількостях.

Використовуючи лазери, команда Парзіале вперше іонізувала криптон. Газ був засіяний у повітряний потік всередині аеродинамічної труби, що тимчасово змушувало його атоми... утворюють світну лінію. Спочатку лінія флуоресцентного криптону була прямою, але вона згиналася та скручувалася під час руху в повітрі аеродинамічної труби. Команда використовувала камери надвисокої роздільної здатності, щоб зафіксувати її рух.

«Коли ця лінія рухається разом з газом, можна побачити зморшки та структуру в потоці, і з цього ми можемо багато чого дізнатися про турбулентність», – сказав Парзіале. «І ми виявили, що при Маху 6 поведінка турбулентності досить близька до нестисливого потоку».

Згідно з дослідженням, їхні експериментальні дані підтверджують гіпотезу Морковіна, яка є фундаментальною для нашого розуміння гіперзвукової та надзвукової стисливої ​​турбулентності.

Хоча гіпотеза Морковіна не повністю підтверджена, вона є досягненням. Припускаючи, що літакам не потрібен абсолютно новий підхід до проектування для польотів на гіперзвукових швидкостях, вона спрощує речі та робить нас значним кроком ближче до гіперзвукового польоту.

«Сьогодні ми повинні використовувати комп’ютери для проектування літака, а обчислювальні ресурси для проектування літака, який літатиме зі швидкістю 6 Махів, імітація всіх крихітних, дрібних деталей була б неможливою», – сказав Парзіале. «Гіпотеза Морковіна дозволяє нам робити спрощені припущення, завдяки чому обчислювальні вимоги для проектування гіперзвукових апаратів можуть стати більш досяжними».

За словами Парзіале, який має отримав Президентську премію за молоду кар'єру для вчених та інженерів за Його дослідження механіки рідини, яка впливає на високошвидкісний політ, показало, що результати дослідження можуть допомогти трансформувати космічний транспорт. Він сказав:

«Якщо ми зможемо побудувати літаки, що літають з гіперзвуковою швидкістю, ми також зможемо запускати їх у космос, замість того, щоб запускати ракети, що спростить транспортування на низьку навколоземну орбіту та з неї. Це змінить правила гри не лише на Землі, але й на низькій орбіті».

Гонка за розкриття можливостей гіперзвукового польоту, мобільності та оборони

Хоча гіперзвукових польотів ще немає, перший надзвуковий пасажирський реактивний літак здійснив свій перший комерційний політ у 1976 році. «Конкорд», спільний проєкт Великої Британії та Франції, був надзвуковим комерційним авіалайнером, який міг літати швидше за швидкість звуку. Він був відомий своєю розкішшю та швидкістю, обслуговував трансатлантичні маршрути та скорочував час польоту вдвічі. 

Але одразу після 50 000 польотів, його було знято з експлуатації у 2003 році через смертельну аварію, низьку кількість пасажирів та високі витрати на технічне обслуговування. Цей ранній розділ у розвитку високошвидкісної авіації встановив як потенціал, так і обмеження для майбутніх зусиль.

Хоча Конкорд зазнав невдачі показав що перетнути Атлантику можна було за кілька годин, і тепер організації зосереджені на цьому зростаючий паливна ефективність та проектування літаків що може досягти високі швидкості. Нове покоління реактивних літаків також працює над реалізацією обіцяного гіперзвукового польоту.

Поки комерційні літаки він має поки що досягати надзвичайно швидкі, військові літаки вже літають приблизно втричі швидше за швидкість звуку, ака 3 Маха. Тим часом було випробувано багато гіперзвукових польотів, на швидкості набагато вище ніж Мах 5 or навіть 10 Махів.

Ці віхи простежуються ще до найдавніших об'єктів, здатних до гіперзвукового руху. Перший один виготовлений для гіперзвуковий політ здійснювала ракета-носій «Бампер», яка, назад у 1949 році досяг швидкість приблизно 6 Махів. Однак воно не пережило повторного входження в атмосферу.

Для підтримки та контролю таких швидкостей у літаках необхідні були нові рішення для силових установок.

Ключовою технологією для гіперзвукового польоту був скремреактивний двигун. Надзвуковий прямоточний реактивний двигун згоряння, або ГПВРД, — це варіант прямоточного повітряно-реактивного двигуна, який здійснює згоряння в надзвуковому потоці повітря, що робить його ефективнішим для гіперзвукового польоту, ніж традиційний прямоточний повітряно-реактивний двигун.

ГПВРД — це вдосконалений тип реактивного двигуна з повітряною форсункою, який працює на швидкості 5 Махів і вище. Він не має рухомих частин і використовує рух літака вперед для стиснення повітря для згоряння.  

До появи ГПВРД, прямоточні реактивні двигуни (ППРД) пропонували найефективніший шлях до розвитку швидкості від 3 до 5 Махів, служачи нижчим ступенем багатьох гіперзвукових систем. між прямоточного повітряного струменя та ГПВРД є дворежимними прямоточними реактивними двигунами, що дозволяють виконувати польоти зі швидкістю від 3 до 8 Махів в одному двигун.

Також існують турбокомбіновані двигуни (TBCC), які є гібридом традиційного турбореактивного двигуна та прямоточно-повітряно-реактивного двигуна/гіперповітряно-повітряно-повітряного двигуна. Хоча турбореактивні двигуни можуть працювати приблизно до 2-3 Махів, для вищих швидкостей вони переходять у режим прямоточно-повітряно-повітряно-повітряного двигуна.

Інші види двигунів включають повітряно-турборакетні двигуни (ATR), які використовують атмосферний кисень для спалювання палива, обертові детонаційні двигуни (RDE), які використовують безперервну обертову детонаційну хвилю для згоряння, та двигуни комбінованого циклу від Reaction Engines (SABRE), які є гібридом повітряно-ракетного двигуна з попереднім охолоджувачем, який охолоджує вхідне гіперзвукове повітря до навколишнього середовища.
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Ці інновації проклали шлях для амбітних комерційних концепцій. Наприклад, A-HyM Hypersonic Air Master передбачає комерційний літак, що працює зі швидкістю 7.3 Маха. Цей футуристичний концепт реактивного літака розроблений для комерційного авіалайнера, який би дозволив переліт з Лондона до Лос-Анджелеса бути завершеним всього за 90 хвилин. За оцінками, він матиме місткість близько 170 пасажирів.

Його двигун поєднуватиме технології двигуна з косою детонацією (ODE), прямоточного повітряно-реактивного двигуна та турбореактивного двигуна в конфігурації комбінованого циклу. Крім того, він буде бути живими по водневий двигунБільше того, A-HyM мав би титан і карбонову конструкцію, а для вирішення проблем із шумом вона буде оснащена системою зменшення звукового удару.

Звуковий удар – це оглушливий шум, спричинений якимось об'єктом рухається швидше за швидкість звуку. Це не просто одиничний «гуркіт», а безперервне випромінювання звукуd, поки об'єкт летить із надзвуковою швидкістю. 

Також існує концепція багаторазового гіперзвукового космічного літака під назвою Stargazer, запропонована компанією Venus Aerospace, яка орієнтована на швидкість близько 9 Махів, дальність польоту близько 5,000 миль та крейсерську висоту значно понад 100 000 футів, що позиціонує її як надшвидку платформу для подорожей по всьому світу.

В останній час Lockheed Martin (LMT ) Ventures придбала стратегічну частку в стартапі з ракетних двигунів на тлі зростаючої конкуренції за прискорення розробки гіперзвукових ракет.

Компанія Venus Aerospace розробила рушійну систему – обертовий детонаційний ракетний двигун (RDRE), який використовує безперервно обертову детонаційну ударну хвилю для створення тяги, та завершила льотні випробування RDRE з тягою 2,000 фунтів на початку цього року. Нерозкрите фінансування допоможе компанії розширити свої «можливості щодо масштабного виробництва та розгортання двигуна».

Отже, приватні аерокосмічні компанії прискорюються до багаторазового гіперзвукового платформи, але вони не самотні; урядові установи по всьому світу також інвестування в передові гіперзвукові дослідження.

Інженери NASA співпрацюють з Науково-дослідною лабораторією ВПС (AFRL) та Австралійською організацією оборонної науки і технологій (DSTO) над програмою Міжнародної програми дослідницьких польотів гіперзвуку (HIFiRE), яка передбачає випробування дворежимного прямоточного/гіперреактивного двигуна для досягнення цільової швидкості 8 Махів. 

Уряд Австралії нещодавно виділив акціонерний капітал у розмірі 10 мільйонів доларів. в місцева аерокосмічна фірма Hypersonix Launch Systems (HLS), яка розробляє літак, що б літати зі швидкістю понад 12 Махів і волі бути живими на водневому паливі. Їхній власний двигун ГППР is під назвою «СПАРТАНЕЦЬ», і це можна використовувати багаторазово та друкувати на 3D-принтері.

Минулого місяця, GE Aerospace (GE ) пройшов льотні випробування ATLAS, демонстраційного літака з новим твердопаливним прямоточним повітряно-реактивним двигуном компанії, в рамках програми Міністерства оборони США «Закон про оборонне виробництво», розділ III.

Європейське космічне агентство (ЄКА) також розпочало дослідницьку програму званий INVICTUS розроблятиме власні технології гіперзвукових польотів. Він продемонструє ключові технології для тривалого гіперзвукового польоту та буде повністю багаторазовим апаратом, здатним літати зі швидкістю 5 Махів.

Інвестування в гіперзвукові авіаційні технології

Корпорація Lockheed Martin — це аерокосмічна та безпекова компанія, яка проектує, виробляє, інтегрує та підтримує передові технологічні системи. Вона працює через:

• повітроплавання
• Ракети та управління вогнем (MFC)
• Ротарі та місійні системи (RMS)
• Космічні сегменти

компанія займається переважно розробкою військові літаки, повітряні, морські та наземні системи протиракетної оборони, військові та комерційні гелікоптери, пілотовані та безпілотний наземні транспортні засоби, супутники, космічні транспортні системи та рішення для управління енергією.

У партнерстві з NASA компанія Lockheed Martin розробила X-59 спеціально для вирішення проблеми звукового удару.

Завдяки видовженому фюзеляжу, конструкція X-59 спрямована на перерозподіл ударної хвилі при подоланні звукового бар'єру. Це зменшило сприйнятий шум на землі приблизно до 75 децибел, створюючи лише звуковий «тупіт», який «приблизно такий же гучний, як зачинення дверей автомобіля».

Наприкінці минулого місяця X-59 вперше здійснив політ з об'єкта Skunk Works у Палмдейлі до Науково-дослідного центру польотів Армстронга NASA, що Lockheed Martin описує як «імпульс», що доводить, що «майбутнє польотів може бути швидшим і тихішим, ніж будь-коли раніше».

Його довжина менше 30 метрів, розмах крил близько 9 метрів, а висота близько 4,3 метра. Він летить на висоті близько 17 000 метрів і може розвивати швидкість 14 Маха. швидкості 925 миль / год.

"X-59 буде використано для збору даних про реакцію громади щодо прийнятності тихого звукового удару, що генерується унікальною конструкцією літака. Ці дані допоможуть NASA надати регуляторним органам інформацію, необхідну для встановлення прийнятного стандарту комерційного надзвукового шуму, щоб зняти заборону на комерційні надзвукові перевезення над землею.« каже компанія.»Цей прорив відкриє двері до абсолютно нового світового ринку для виробників літаків, дозволивши пасажирам подорожувати будь-де у світі вдвічі швидше, ніж сьогодні."

Вона не лише розробила X-59 разом з NASA, але й працює над SR-72 з оперативною цільовою швидкістю близько 6 Махів. Хоча це й не так багато... відомий Щодо цього концептуального наступника SR-71 Blackbird, SR-72 призначений для розвідки, спостереження та рекогносцювання. зазвичай називають називати «Сином Чорного Птаха».

Ось цей позиціонується як гіперзвуковий літальний апарат, який може вступити на озброєння у 2030-х роках.

З ринковою капіталізацією в 109 мільярдів доларів, акції Lockheed Martin зараз торгуються на рівні 470.78 долара. його 52-тижневий діапазон буття $410.11 та $ 546.00. Його прибуток на акцію (TTM) становить 17.95, а коефіцієнт P/E (TTM) – 26.22.

Lockheed країна має дивідендна дохідність of 2.93%. На початку минулого місяця компанія затвердила дивіденди за четвертий квартал. оплата 3.45 долара за акцію, що на 5% більше, ніж попереднього року. щоквартальний дивіденд оплата. Компанія також повернула своїм акціонерам 1.8 мільярда доларів готівкою у третьому кварталі 2024 року через дивіденди та викуп акцій, які збільшилися на 2 мільярди доларів до загальної суми 9 мільярдів доларів.

За цей період обсяг продажів склав 18.6 мільярда доларів, а чистий прибуток — 1.6 мільярда доларів, або 6.95 долара на акцію. Його грошові кошти від операційної діяльності склали 3.7 мільярда доларів, а вільний грошовий потік — 3.3 мільярда доларів. 

Lockheed також повідомила про рекордне заборгованість у розмірі 179 мільярдів доларів, що, за словами генерального директора Джима Тейклета, «підкреслює довіру, яку наші клієнти нам надають, і підтримує довгострокові перспективи зростання нашої компанії». Він також зазначив, що в результаті «безпрецедентного попиту ми значно збільшуємо виробничі потужності в широкому спектрі наших напрямків бізнесу».

Останні Корпорація Lockheed Martin (LMT) Новини акцій

Висновок

Гіперзвуковий політ — це вже не далека досяжність, а випробуваний інженерний виклик. який отримує ближче до ставши a реальність завдяки проривам у системах руху, глобальним інвестиціям у багаторазові високошвидкісні транспортні засоби та новим експериментам, що підтверджують гіпотези, що існували десятиліттями.

Посилання

1. Сегалл, Б.А., Кіной, Т.К., Кокінакос, Дж.К., Лангхорн, Дж.Д., Хамід, А., Шехтман, Д. та Парзіале, Нью-Джерсі «Гіперзвукові турбулентні величини на підтвердження гіпотези Морковіна». Природа зв'язку 16, Стаття 9584 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65398-4