Αεροδυναμική

Το 1947 αποτελεί έτος-ορόσημο για την αεροπορία: ο Chuk Yeager έσπασε για πρώτη φορά το φράγμα του ήχου, πετώντας με το αεροσκάφος του, το Bell X-1, στην αεροπορική βάση Edwards της Καλιφόρνιας ―ανέπτυξε ταχύτητα 1.127 χιλιομέτρων ανά ώρα (1,06 Mach) σε ύψος 43.000 ποδιών (13.000 μέτρων). Η επιτυχία αυτή, όμως, ανέδειξε και ένα ενοχλητικό πρόβλημα: την ηχητική έκρηξη στο έδαφος, η οποία κάνει τα παράθυρα των σπιτιών (αλλά και τα ανθρώπινα νεύρα, εν γένει) να τρέμουν. Σήμερα, οι μηχανικοί αεροσκαφών στην ίδια αεροπορική βάση δηλώνουν ότι, αν και δεν έχουν τιθασεύσει την ηχητική έκρηξη, έχουν τουλάχιστον κάνει ένα μεγάλο βήμα στην κατεύθυνση περιορισμού της.

Η ηχητική έκρηξη που παράγεται από ένα υπερηχητικό αεριωθούμενο σε ευθεία πτήση αποτελείται στην πραγματικότητα από δύο εκρήξεις. Το αεροπλάνο σχηματίζει ένα κύριο κρουστικό κύμα στο ρύγχος του και άλλο ένα στο ουραίο τμήμα του. Η πίεση στην μπροστινή όψη της εν λόγω περιοχής υπερβαίνει απότομα (περί τα 100 πασκάλ) την ατμοσφαιρική πίεση του περιβάλλοντος χώρου, κατόπιν γίνεται χαμηλότερη από αυτή κατά ίσο ποσό, και τέλος εξισώνεται μαζί της. Η γραφική παράσταση της πίεσης συναρτήσει του χρόνου θυμίζει το γράμμα Ν της αλφαβήτου.

«Δεν μπορούμε να αλλάξουμε την ενέργεια του ιπτάμενου αεροσκάφους» δηλώνει ο A. Haering, βασικός ερευνητής του προγράμματος Shaped Sonic Boom Demonstration του Ερευνητικού Κέντρου Dryden. «Ωστόσο μπορούμε να την ανακατανείμουμε, ώστε να μειωθούν οι μεταβολές της πίεσης.» Στα τέλη του περασμένου καλοκαιριού, μηχανικοί της εταιρείας Northrop Grumman πέτυχαν ανακατανομή της ενέργειας ενός τροποποιημένου μαχητικού F-5. Εφάρμοσαν στο ρύγχος του ένα «γάντι» κατασκευασμένο από κράματα αλουμινίου και συνθετικά υλικά, δίνοντάς του μορφή παρόμοια με το ράμφος του πελεκάνου. Το γάντι επιμηκύνει και αμβλύνει το ρύγχος του αεροσκάφους, εμποδίζοντας τα δευτερεύοντα κρουστικά κύματα από την πλευρά της εισαγωγής αέρα στον κινητήρα και την πτέρυγα να διαδοθούν προς τα εμπρός και να ενωθούν με το κύριο κρουστικό κύμα που δημιουργείται από το πρόσθιο τμήμα. Οι δοκιμές έδειξαν ότι η γραφική παράσταση της πίεσης για το τροποποιημένο F-5 ήταν πια ένα ψαλιδισμένο Ν, επιτεύχθηκε δηλαδή ελάττωση της πίεσης του κρουστικού κύματος από 55 σε 40 περίπου πασκάλ, γεγονός που προκάλεσε πιο αθόρυβη ηχητική έκρηξη.

Το παραπάνω πείραμα επιβεβαιώνει τη θεωρία που προτάθηκε 30 χρόνια πριν από τους καθηγητές αεροδιαστημικής Richard Seebass και Albert George του Πανεπιστημίου Cornell, οι οποίοι είχαν διατυπώσει την άποψη ότι ένα αμβλύτερο ρύγχος θα αύξανε απότομα την πίεση στην μπροστινή όψη του κρουστικού κύματος, οπότε θα αυξανόταν η θερμοκρασία του αέρα και κατά συνέπεια η ταχύτητα του ήχου, γεγονός το οποίο με τη σειρά του θα προκαλούσε διασπορά του κρουστικού κύματος, οδηγώντας τελικά στην απόσβεσή του.

Αλλά ο Seebass είχε διατυπώσει και μια άλλη θεωρία. «Η αύξηση του μήκους του αεροσκάφους μπορεί να μειώσει την ένταση της ηχητικής έκρηξης» εξηγεί ο Brian Argow, καθηγητής αεροδιαστημικής στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, στο Μπόουλντερ, ο οποίος είχε συνεργαστεί με τον Seebass πριν το θάνατό του (Νοέμβριος του 2000). «Μιλάμε για ένα αεροσκάφος μήκους 45 ώς 60 μέτρων και βάρους λιγότερου των 45 τόνων», το οποίο θεωρείται ελαφρύ για τέτοιο μέγεθος. «Αν κατασκευαστεί αρκετά λεπτό, μπορεί πράγματι να αναπτύξει υπερηχητικές ταχύτητες χωρίς να προκαλέσει ηχητική έκρηξη» υποστηρίζει ο Argow. Όμως ο Ed Haering, ερευνητής του Κέντρου Dryden, αμφισβητεί τη δυνατότητα υπερηχητικών πτήσεων που δεν θα συνοδεύονται από ηχητική έκρηξη. «Το να σχίζεις τον αέρα και να τον σπρώχνεις πιο γρήγορα απ’ ό,τι μπορεί να “φύγει από τη μέση” είναι μια διαδικασία που αναπόφευκτα θα καταλήξει σε κρουστικό κύμα και ηχητική έκρηξη.»

Ίσως είναι δυνατόν να ελαττωθεί η ένταση της ηχητικής έκρηξης χωρίς την τροποποίηση του αεροσκάφους. Τη δεκαετία του 1970, ρώσοι ερευνητές πρότειναν να παράγεται ένα ηλεκτρικό πεδίο στο ρύγχος του σκάφους, ώστε κατ’ αυτό τον τρόπο να δημιουργείται πλάσμα, το οποίο, θερμαίνοντας τον περιβάλλοντα αέρα, πιθανόν θα προκαλεί περιστολή του κρουστικού κύματος.

Οι μηχανικοί δεν έχουν εξαντλήσει ακόμα όσα άμεσα και πρακτικά τεχνάσματα έχουν μηχανευτεί. Όπως εξηγεί ο Haering, προτίθενται να επικεντρώσουν την προσοχή τους στην εύρεση της σωστής θέσης της πτέρυγας, του ουραίου τμήματος και των κινητήρων καθώς και του σχήματος της ατράκτου. Σύμφωνα με τον Charles Boccadoro, διευθυντή προγράμματος της Northrop Grumman, μια πιθανή λύση είναι η διαμαντοειδής πτέρυγα, η οποία δεν έχει μεγάλα εξογκώματα ή απότομες κλίσεις στην επιφάνειά της. Πιθανόν μέσα στα επόμενα 10 χρόνια οι κατασκευαστές θα είναι σε θέση να παρουσιάσουν πιο αθόρυβα υπερηχητικά αεροσκάφη, κάνοντας τον Chuk Yeager υπερήφανο.

Επιστημονικά Νέα - Φεβρουάριος, 2004