Πιο κοντά στα υπερηχητικά ταξίδια: Νέα μελέτη «απλοποιεί» τον δρόμο προς τα Mach 10

Το ενδεχόμενο ενός υπερηχητικού ταξιδιού που θα μπορούσε να σε μεταφέρει από το Σίδνεϊ στο Λος Άντζελες σε μόλις μία ώρα (σήμερα απαιτεί περίπου δεκαπέντε) ίσως βρίσκεται πιο κοντά από ό,τι θα πίστευε κανείς. Μια ερευνητική ομάδα από το Stevens Institute of Technology, υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Nicholaus Partiale, παρουσίασε ένα πείραμα που θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζονται τα αεροσκάφη, ούτως ώστε να ξεπεράσουν το φράγμα των Mach 10, δηλαδή ταχύτητες άνω των 11.000 χιλιομέτρων την ώρα.

Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, προσφέρει την πρώτη πειραματική επιβεβαίωση μιας θεωρίας που απασχολεί τους μηχανικούς αεροδυναμικής για περισσότερες από έξι δεκαετίες, της υπόθεσης του Morkovin. Αν αυτή η θεωρία αποδειχθεί πλήρως ορθή, θα μπορούσε να απλοποιήσει σημαντικά τη σχεδίαση υπερηχητικών αεροσκαφών και να μειώσει δραστικά το κόστος ανάπτυξης, ανοίγοντας τον δρόμο για ένα νέο κεφάλαιο στις αερομεταφορές και στην τεχνολογία πυραυλοκίνησης.

Για να κατανοήσουμε το μέγεθος του επιτεύγματος, πρέπει πρώτα να θυμηθούμε τι συμβαίνει όταν ένα αεροσκάφος υπερβαίνει το όριο του ήχου. Μέχρι περίπου τα Mach 1–2, ο αέρας συμπεριφέρεται σχετικά «ήρεμα». Όμως όταν φτάνουμε στο σημείο όπου η ταχύτητα αγγίζει πέντε φορές την ταχύτητα του ήχου, δηλαδή τα Mach 5, το παιχνίδι αλλάζει. Η πυκνότητα του αέρα δεν παραμένει πλέον σταθερή, αλλά «συμπιέζεται» βίαια, αλλάζοντας τη ροή γύρω από το αεροσκάφος και μεταβάλλοντας τη λειτουργία των κινητήρων και την αντοχή των υλικών.

Αυτός ο συνδυασμός ταχύτητας και θερμότητας καθιστά την αεροδυναμική σχεδίαση εξαιρετικά περίπλοκη. Για δεκαετίες, οι μηχανικοί προσπάθησαν να προβλέψουν τη συμπεριφορά του αέρα σε αυτές τις συνθήκες χρησιμοποιώντας περίπλοκα μαθηματικά μοντέλα και προσομοιώσεις. Όμως τα δεδομένα ήταν περιορισμένα και κανείς δεν είχε καταφέρει να παρατηρήσει με ακρίβεια το πώς «σπάει» η ροή σε τέτοια επίπεδα ταχύτητας.

Από τη δεκαετία του 1950, η υπόθεση του Morkovin υποστήριζε ότι, παρά τη συμπιεστότητα του αέρα και τις διαφορές πίεσης και θερμοκρασίας στις υπερηχητικές ταχύτητες, η βασική δομή της τύρβης (της χαοτικής ροής του αέρα γύρω από το αεροσκάφος) δεν αλλάζει δραματικά. Με άλλα λόγια, το χάος παραμένει ίδιο, απλώς πιο έντονο.

Αν η θεωρία ήταν αληθινή, αυτό θα σήμαινε ότι οι μηχανικοί δεν χρειάζεται να εφεύρουν εξ ολοκλήρου νέα μοντέλα για να σχεδιάσουν υπερηχητικά οχήματα, αλλά θα μπορούσαν να βασιστούν σε όσα ήδη γνωρίζουν από τα υποηχητικά και υπερηχητικά αεροσκάφη. Παρ’ όλα αυτά, για δεκαετίες δεν υπήρχαν τα κατάλληλα εργαλεία για να αποδειχθεί αυτή η υπόθεση πειραματικά.

Η ομάδα του Partiale πέρασε σχεδόν έντεκα χρόνια κατασκευάζοντας μια μοναδική πειραματική διάταξη για να μελετήσει τη ροή του αέρα σε ταχύτητες Mach 6 μέσα σε μια ειδικά τροποποιημένη αεροσήραγγα. Εκεί, οι ερευνητές εισήγαγαν αέριο κρυπτόν στο ρεύμα αέρα, το οποίο στη συνέχεια ιονίστηκε μέσω laser. Το αποτέλεσμα ήταν μια φωτεινή γραμμή από άτομα που «παραμορφώνονταν» καθώς κινούνταν μέσα στη ροή, επιτρέποντας την παρατήρηση της δομής της τύρβης με πρωτοφανή λεπτομέρεια.

Ειδικές κάμερες υψηλής ευκρίνειας κατέγραψαν τις ελάχιστες κινήσεις του αερίου, επιτρέποντας στους ερευνητές να χαρτογραφήσουν τις μεταβολές στην πυκνότητα και στη ροή του αέρα. Το αποτέλεσμα; Οι δίνες και τα μοτίβα της τύρβης που εμφανίστηκαν στα Mach 6 ήταν σχεδόν ταυτόσημα με αυτά των ροών σε χαμηλότερες ταχύτητες, μια εντυπωσιακή επιβεβαίωση της υπόθεσης του Morkovin.

Η επιβεβαίωση αυτή δεν σημαίνει ότι έχουμε λύσει όλα τα προβλήματα των υπερηχητικών πτήσεων, αλλά ανοίγει σημαντικά τον δρόμο προς τη σωστή κατεύθυνση. Αν οι μηχανικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν υπάρχοντα μοντέλα ροής για να περιγράψουν την αεροδυναμική στα Mach 10, τότε η ανάπτυξη τέτοιων οχημάτων μπορεί να γίνει πολύ πιο γρήγορα, με μικρότερο κόστος και μεγαλύτερη αξιοπιστία.

Η πρόοδος αυτή δεν αφορά μόνο την επιβατική αεροπορία. Οι ίδιες αρχές μπορούν να εφαρμοστούν σε οχήματα που στοχεύουν να φτάσουν την τροχιά της Γης μέσω οριζόντιας απογείωσης, παρακάμπτοντας τα παραδοσιακά κάθετα συστήματα εκτόξευσης. Μια τέτοια τεχνολογία θα μπορούσε να μειώσει δραματικά το κόστος πρόσβασης στο Διάστημα και να αλλάξει τον τρόπο που σκεφτόμαστε την αεροδιαστημική μετακίνηση.

Φυσικά, για να γίνει πραγματικότητα ένα τέτοιο σενάριο, υπάρχουν ακόμα πολλά εμπόδια: νέα κράματα μετάλλων ικανά να αντέξουν θερμοκρασίες άνω των 2000 βαθμών Κελσίου, κινητήρες που μπορούν να λειτουργούν σε τόσο ακραίες συνθήκες, αλλά και συστήματα θερμικής διαχείρισης που θα προστατεύουν τόσο το σκάφος όσο και τους επιβάτες.