スーパーソニックが帰ってきた (静かに)

鳴り物入りで、ソニックブームを抑えたマッハ2.0のプライベートジェットの製造競争が始まっている。

2000 年 7 月 25 日にパリからニューヨークに向かうコンコルド機が墜落し、乗客乗員 109 名全員が死亡しました。 地上に4人でいたとき、この出来事は単なる悲劇ではなく、超音速空気の悲惨な状態の比喩のように見えました。 旅行。

1976 年の華やかなデビュー以来、コンコルドは富と権力の象徴であり続けましたが、テクノロジーの恐竜になりました。 民間航空機の中で音速を超える唯一の飛行機ですが、燃料を大量に消費します。 1960 年代の複雑なテクノロジーは非常に多くのメンテナンスを必要とするため、運賃が異常に高く、ニューヨークから往復で 12,750 ドルです。 ロンドン。 そして、最大の欠点があります。それは、コンコルドのソニックブームです。雷のような二重爆発が起こり、下の建物の窓が割れる可能性があります。 これにより、コンコルドの航行は水上に制限されることになった。

しかし最近、超音速飛行が復活しつつあります。 ガルフストリームは、有名人や企業幹部を運転手として空を飛び越えさせる飛行機の製造で最もよく知られている企業だが、ひそかにNASAやロッキード・マーティンから航空専門家を雇用している。 同社は、空気が空気を吸おうとしたときに起こる奇妙な現象を理解している専門家に特に興味を持っています。 超音速飛行機の周りを流れ、三角形のデルタ翼や耐熱の経験がある方 材料。 要するに、ソニックブームを消す方法を知っているかもしれない人々です。 ガルフストリームの目標は、音の壁を打ち破り、いつでもどこでも飛行できるほど静かな富裕層向けの旅客機を作ることです。 ニューヨークを午前7時に出発し、2時間の会議のためにモスクワに飛び、夕食に間に合うように帰宅することを想像してみてください。 あるいは、ロサンゼルスからニューヨークまで、現在は 5 時間半かかるところを 2 時間で移動できると想像してみてください。

ガルフストリームの取り組みは、次世代超音速機の開発に対する米軍の新たな関心と一致している。 冷戦終結以来、米国および連合国の飛行場から遠く離れた地域で軍事交戦が行われることが増えており、迅速にそこに到着することがより緊急の課題となっている。 湾岸戦争中、B-52爆撃機がインド洋のディエゴ・ガルシア島の米軍基地から離陸した。 彼らはイラクに到着するのに7時間かかった。 飛行時間を半分に短縮できれば、戦略的に大きな価値があるだろう。 それを念頭に置いて、米国国防高等研究計画局は昨年、3,500万ドル近い契約を締結しました。 米国の航空大手 3 社(ボーイング、ロッキード・マーティン、ノースロップ・グラマン)が超音速機に参入するのは 1 年前です。 研究。 DARPAが議会からより多くの資金を獲得できれば、最新技術を披露するために、低ブームの超音速飛行機(いわゆるXプレーン)のプロトタイプを製造する3社のうち1社を選択することになる。

これまでの多くの試みが失敗に終わったことを考えると、超音速飛行に対する現在の関心はある意味驚くべきものである。 米国、ロシア、フランス、英国は 1950 年代から超音速飛行機を製造してきましたが、これまでのところ、健全な商業的意味をなす超音速飛行機を製造した人はいません。 ごく最近では、1999 年に NASA とボーイングは、商業的に実行可能な 300 席の超音速旅客機を製造するという 10 年間の 10 億ドルの共同プロジェクトを放棄しました。 技術的な成功にもかかわらず、ボーイングは最終的にこのプロジェクトは財政的に非現実的であると判断し、撤退した。 エアバス A380 のような比較的単純なプロジェクトを立ち上げることがいかに難しいかを考えると、 二階建てジャンボ機と同じくらい危険で過激なものを航空会社に売り込むことに、ボーイング社の経営陣は躊躇した。 超音速ジェット。

それにもかかわらず、超音速研究者たちは今日、新たな楽観主義を放っている。 ノースロップ・グラマン社の空気力学者は、目標は「可能性とほんのわずかしかないことを探求することだ」と語る。 不可能。"

ブームを下げる

過去にさまざまなスタートとストップがあったにもかかわらず、なぜガルフストリームは超音速の夢を追い始めることにしたのでしょうか? お金があると決まっているからです。 ガルフストリームの顧客である世界の富裕層は、すでにガルフストリーム V のような従来型プライベートジェットに 4,500 万ドルを投じる意思を持っている。 G-Five は、同社の大陸間ビジネス ジェットです。 比較的短い(6,000フィート)滑走路に着陸するように設計されており、旅行者の最終目的地に近い小規模で混雑していない空港間を飛行することでその価格を正当化します。 しかし、ボーイング 747 と同じ速度で飛行します。

時は金なりであるため、ガルフストリーム社は、G-Fives を購入するのと同じ人は、2 倍の速度を実現するために喜んで 8,000 万ドルを支払うだろうと推測しています。 世界最大のビジネスジェット運航会社エグゼクティブ・ジェットの会長兼最高経営責任者(CEO)リチャード・サントゥリ氏がWiredとThe Newに語った。 ヨーク・タイムズは昨年、彼の会社が低ブームの超音速ビジネスジェット機の大規模な飛行隊を購入する予定であると報じた。 利用可能。

しかし、ガルフストリームは依然としてブームという大きなハードルを乗り越える必要がある。 最近まで、ほとんどの人はブームは超音速飛行の避けられない結果であると考えていました。 なぜ? 通常の亜音速ジェット機、たとえば 747 は時速約 550 マイルで飛行します。 これは、海面で時速 760 マイルの音速よりも遅く、ジェット機が巡航する高度では時速 660 マイルに近い速度です (空気が薄いと音の伝わり方が遅くなります)。 ジェットが排出する空気は、通常、川が岩の周りを流れるのと同じように、飛行機の周りを流れます。 しかし、飛行機が音速を超えると、空気は簡単に流れ出すことができなくなります。 その代わりに、飛行機は通過するときに空気を圧縮します。 衝撃により、大気中に圧力パルスが伝わります。

圧力パルスの強度は、飛行機から遠ざかるにつれて減少します。 しかし同時に、パルスの形状が変化し、合体して N 字型の波になります。 N 波内では、圧力が急激に上昇し、徐々に低下し、その後通常の大気圧に戻ります。 その間、飛行機の速度で移動する圧縮空気の壁が波から広がります。 空気の壁が地面の上を通過すると、ソニックブームとして聞こえ、感じられます。 人間の耳は、N 波の前後で圧力が増加することを感知するため、ブームがダブルバンとして聞こえることがよくあります。

低ブーム研究における大きなニュースは、飛行機の形状を変えるだけでブームの強度を下げることが可能であると思われることです。 1 つは、小型飛行機の方が騒音が少ないということです。 それは、ソニックブームの問題が空気の変位によって引き起こされるためです。飛行機は圧縮空気の柱の上に置かれており、飛行機が軽いほど圧力は低くなります。

形状はサイズと同じくらい重要です。 飛行機がその重量に比例して長い場合、N 波はより長い距離に広がり、ピーク圧力は低くなります。 さらに、翼が従来の飛行機のように中央に集中せず、胴体に沿って広がると、圧力パルスの膨らみが少なくなり、ブームも小さくなります。 ガルフストリーム飛行機は長さ約140フィートだが、乗客は8人から14人だけだ。

ガルフストリームのプログラム担当シニアバイスプレジデントであるプレス・ヘンネ氏は、腕を組んでこれらのコンセプトを実証しています。 「ここにスイートスポットがあるよ」と彼は腕を組む場所を示した。 飛行機が比較的薄く、適切な高度で飛行している場合、N 波が形成されず、地上レベルのピーク エネルギー (ブーム) が弱くなる点が存在します。

疑問は残ります。どれだけ静かであれば十分なのでしょうか? 確かなことは誰も知りません。 しかし研究者らは、それを解明することはそれほど重要ではないと判断した。 許容可能な騒音の閾値がどこにあるのかを決定しようとするのではなく、彼らはステップをスキップし、単にブームノイズの徹底的に低い目標を設定することにしました。 コンコルドの N 字型ブームの前部の圧力は 1 平方フィートあたり 2.1 ポンド上昇しますが、新しい設計はブームの最大圧力上昇が 1 平方フィートあたりわずか 0.3 ポンドになることを目指しています。 これは海面での気圧のわずか 7,000 分の 1 です。エレベーターで 3 階に乗ると、より大きな変化を感じます。

ジェットセットのためのより速いジェット

ガルフストリームが建造を計画している静かな超音速飛行機は、マッハ 1.6 (音速の 1.6 倍、またはわずかに速い速度の 1.6 倍) の間で巡航します。 時速1,100マイル未満)およびマッハ2(時速1,320マイル)で、給油のために停止する必要があるまでに少なくとも4,600マイルを走行することができます。 ガルフストリーム社は、この飛行機、いわゆる静かな超音速ジェット機(QSJ)の製造を2006年までに開始する計画だ。

ブームを克服する以上に、最大の障害の 1 つは、耐久性に優れた手頃な価格のエンジンを構築することです。 空港の近隣住民に最前列のメタリカ デシベルの騒音を与える (ここで話しているのは通常の騒音のことであり、音波ではありません) ブーム)。 今日のジェット旅客機のエンジンは、前部に推力を生み出す大きなファンのおかげで静かですが、エンジンは作動しません。 超音速飛行機は、超高速ではファンを通る空気の流れが十分に速くないため、 突っ込み。

解決策は何ですか? 最も単純な種類の超音速エンジンは、できるだけ少ない量の空気を吸入してそれを吹き飛ばすエンジンです。 できるだけ早くテールパイプから排出しますが、残念ながらその設計では騒音は解決されません 問題。 NASAが3年前に開発を中止した超音速飛行機にはこのタイプのジェットエンジンが搭載されており、モーターホームほどの大きさの騒音抑制装置が必要でした。

ゼネラル・エレクトリックは、内部バルブと可動ブレードにより 3 つのモードで動作できる可変サイクル エンジンを設計しました。 離陸時と着陸時、つまり騒音が最も気になる時間帯ですが、このエンジンは今日のジェットエンジンとよく似た静かなエンジンです。 マッハ 1 までの加速中は、シンプルだが騒々しい超音速エンジンのように動作します。 クルージングではその中間のセッティングを採用します。

一方、ロールスロイスは、離陸騒音要件をかろうじて満たし、追加の可動部品を一切使用しない妥協のエンジン設計を提案した。 同社は、ボーイング 777 用に製造された推力 95,000 ポンドの巨大エンジン、トレント 800 エンジンを採用する予定です。 旅客機では、推力の大部分を生み出すファンを取り外し、より小型で高圧のものに置き換えます。 ファン。

エンジンの開発は決して安くはありません。 しかし、ロールス・ロイスとゼネラル・エレクトリックの両社は、高温高圧のコアが最も高温になる超音速エンジンの製造を提案している。 高価な部品 - より大型の従来型商用エンジンのコアと同じであり、より大きなエンジンに投資を分散する動きとなる 市場。
高高度で大量の窒素酸化物を排出するコンコルドには、環境に関する苦情がつきまとっている。 オゾン層(地球上の生命を太陽の光から守る自然​​の大気フィルター)にダメージを与える 紫外線。 こうした有害な影響が、米国が 1971 年に当初の超音速ジェット計画を中止した理由の 1 つでした。 しかし、そうした懸念は後退しつつある。 NASA の超音速プロジェクトに携わる研究者は、窒素酸化物の生成が少ない燃焼器 (燃料が燃焼されるエンジンの部分) を設計しました。 その技術の一部はすでに亜音速エンジンに使用されており、大きな成功を収めています。

しかし、たとえ技術的なハードルが克服されたとしても、政治的なハードルは依然として残ります。 ガルフストリーム当局者らは、DARPAが超音速計画の構築を開始するまでは、超音速計画に本格的に投資するつもりはないと述べている。 デモ機と連邦航空局は、陸上での超音速飛行禁止を見直すことで対応することを示している ルール。 低騒音飛行機は飛行許可がなければ無価値です。

デザイン戦略

ガルフストリームの静かな超音速ジェット機の設計は、T テールや胴体後部の高い位置にあるエンジンなど、同社の既存の航空機といくつかの特徴を共有していますが、より細身です。 圧力波を伸ばすための長い機首と、鋭く後退した矢の形をした大きな翼を持っています。 翼はエンジンの吸気口からの衝撃波を覆い、衝撃波が地面に到達するのを防ぎます。 ガルフストリームの静かな超音速ジェット機は燃料効率が良くないが、ヘン氏はそれを問題とは考えていない。 「この市場の機械は、座席あたりの稼働コストを最小限に抑えるように設計されていません」と彼は控えめに言います。 言い換えれば、ガルフストリームを買う余裕があるなら、数トンのひどい燃料を心配する必要はありません。

DARPA に提案された 3 つの設計は、外観がガルフストリーム ジェットよりも少しエキゾチックなものからかなりエキゾチックなものまで多岐にわたりますが、それには十分な理由があります。 DARPA の目標はかなり高いものです。 同庁は、2万ポンド相当の爆弾やその他のペイロードを7,000ポンドで搭載できる飛行機を製造したいと考えている。 給油なしでマイルを走行 - 亜音速飛行機としては立派な仕事である - 少なくとも 1,600 の速度で 時速マイル 「それは非常に厳しいことです」とノースロップ・グラマンのプログラムマネージャー、チャールズ・ボッカドーロは言う。 「自分のできることを少し超えた目標を設定しました。」 しかし、「私たちはDARPAの目標に非常に近い技術を特定しました」と彼は付け加えた。

軍はビジネスジェットメーカーほどソニックブームの減少を心配する必要はない。 米空軍と海軍のパイロットは、陸上飛行が免除されている水上や南西部の砂漠地帯で超音速飛行の訓練を受けることができる。 さらに、騒音は戦略上の欠点ではありません。敵が飛行機の後ろからドーンという音を聞く頃には手遅れです。 しかしボッカドーロ氏は、将来の超音速飛行機は長距離を最高速度で飛行するようになるため、軍事試験場の外で訓練できれば役立つだろうと指摘する。 それだけでなく、DARPA の使命は、軍事だけでなく民間でも使用できる可能性のある技術を開発することであるため、静かな超音速飛行の開発にも関与しています。

数値流体力学 (CFD) は、ブーム研究において不可欠なツールとして浮上しています。 電子風洞と同様に、CFD はコンピューター ハードウェアとソフトウェアを使用して、飛行機の周りの空気の流れをモデル化します。 このメソッドはますます強力になっています。 1990 年代には、「CFD を使用して本体自体にかかる音圧をモデル化することができた」とボッカドーロ氏は言いますが、それはエンジニアたちにブームがどのように発展するかについてほとんど伝えませんでした。 現在、ボッカドーロ氏は、「爆発的なパワーとメモリにより、体長 4 倍までの流れを高い忠実度で計算できるようになりました」と述べています。

設計者がこれを行うことができれば、飛行機から数百体長離れたところでブームがどのように共振し、最終的に地面に衝突するかを正確に予測することができます。

この夏の終わりに、ノースロップ・グラマンは、より長い機首と再輪郭を付けた機体を備えた改良型F-5Eタイガー戦闘機で同社のCFDベースの設計コンセプトをテストする予定です。 F-5Eは一連のマイクの上を最高時速1,000マイルで飛行します。 技術者たちが知りたいのは、遠方界効果 (地上で測定されたブーム) が予測と一致するかどうかです。 もしそうなら、ボッカドーロのチームや他のチームは、未来の低ブーム超音速ジェット機の設計に向けて順調に進んでいることになる。

コンコルドディスコード

1976 年のデビュー時に技術的な勝利を収めたコンコルドは、現在でも唯一の商用超音速旅客機です。 しかし、耳をつんざくほどのソニックブームのため、陸上飛行は禁止されており、主にニューヨークとパリ、ロンドンを往復することで稼いでおり、その移動距離は 4 時間です。

飛行機は音速の2倍、時速約1,350マイルで飛行します。 座席数は 100 ですが、運営が非常に非効率でコストがかかるため、往復航空券の価格は約 12,000 ドルで、これはホンダの新車シビックの価格です。 (革張りのシートと無料のシャンパンは、おそらく衝撃を和らげるために何らかの役割を果たしている。)コンコルドの艦隊は、墜落後に16か月間運航を停止していたが、昨年末に運航を再開した。

英国とフランスの政府は1962年に、どんなにコストが上がってもどちらの側も手を引かないという条約に基づいてこの飛行機を製造することに合意した。 ほとんどの航空会社は1973年までに注文をキャンセルした。 注目すべきことに、ルフトハンザのテクニカルディレクター、ラインハルト・アブラハムは、もし聖ニコラスがコンコルドを自分の木の下に置いてくれたら、自分はコンコルドを運用しないだろうと発言した。 事実上、それが製造された 16 機の量産機に起こったことです。 最後の5機はブリティッシュ・エアウェイズとエールフランスに1機あたり1フランスフランで販売された。

夜の森

MT ST. ヘレンズ

噴火で山の雪が溶けた。 この溶けた水が灰や土と混ざり合うと、破壊的なほど大量の泥流が形成されました。 そのような「ラハル」の1つは、110マイル離れたコロンビア川に到達し、数百万立方ヤードの堆積物で輸送路を塞ぎました。
溶岩

キラウエア

溶岩は冷えた地殻を突き破って新しい支流の形成を続けます。 キラウエアを含むほとんどの楯状火山は、低シリコン玄武岩を噴出させ、その結果、より流動的な溶岩が生成されます。
山

MT ST. ヘレンズ

溶岩洞

キラウエア

溶岩洞。10 ~ 100 ヤードの溶岩流が繰り返し発生し、壁を築き、最終的に形成されます。 流れの上に屋根があり、川の三角州のように機能し、溶けた岩石がすぐに流れに到達できるようにします。 海。
火山の山

MT ST. ヘレンズ

以前はモミやツガの木が火山の麓を覆っていました。 爆発により230平方マイルの森林が平らになった。 ここに示されているのは、ジョンストンリッジから見た前後の画像です。
煙のある火山山

MT ST. ヘレンズ

火山山の煙

MT ST. ヘレンズ

1980年5月18日のセントヘレンズ山の噴火による火山灰は、少なくとも高さ19マイルまで移動し、最終的には時速90マイルで東に移動し、ワシントン東部とアイダホ州を層にしました。
溶岩の粉塵

キラウエア

夕暮れ時に太平洋に突入する溶岩。
火山塵

MT ST. ヘレンズ

溶岩が水に触れる

キラウエア

溶岩は水の蒸発による水蒸気の渦となって海面に侵入します。 冷却された溶岩の地殻だけが尾根に残り、後の噴火を支えます。
小さな爆発がセントヘレンズ山を揺るがした

MT ST. ヘレンズ

今年の3月8日、セントヘレンズ山で小さな爆発が起きた。 飛行機のパイロットは、発生した煙と灰が高度 36,000 フィートに到達したことを確認しました。
道路上の溶岩

キラウエア

キラウエアの活発な東部地溝帯、森林、高速道路を通って、溶けた岩が海に向かって激しく移動するのを妨げるものは何もありません。

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