Érkeznek a hiperszonikus utasszállító repülőgépek – méghozzá magyar segítséggel!

Március közepén a londoni Heathrow repülőtéren, egy elektromos állomáson keletkezett tűzeset több mint 1300 repülő­járat 300 ezer utasának a terveit borította fel. A műszaki hiba ilyen nagy tömegeket érintő hatása ismét ráirányította a figyelmet a világ légi közlekedésének sérülékenységére, a levegőben húzódó útvonalak és a repülőterek zsúfoltságára. A hasonló balesetek idején felmerül a kérdés: miként lehet a légi forgalom hatékonyságát növelni, például az átszállások számát csökkenteni vagy a jelenleginél is nagyobb távolságokat minél gyorsabban áthidalni? A lehetséges megoldásként felmerülő hiperszonikus, vagyis messze hangsebesség feletti repülést a budapesti Műegyetem közlekedéstudományi kutatói is vizsgálják.

Az első sugárhajtású utasszállító repülőgép 1949-es bemutatkozása után rohamos tempóban egyre hatékonyabb gépeket fejlesztettek. A mai modern hajtóművek képesek a több száz tonnás gépeket óránként 950 kilométeres vagy akár még nagyobb sebességgel repíteni, akár tizenhárom kilométeres magasságban. „Ne gondoljuk azonban, hogy megállt a fejlődés” – szögezi le Sziroczák Dávid, a BME Közlekedésmérnöki és Járműmérnöki Karának kutatója. Az utasszállítók egyik lehetséges fejlesztési iránya az, ahol a cél a sebességnövelés.

A hiperszonikus kifejezés alapja a latin sonus, azaz a hang, amely véges sebességgel képes terjedni. Tengerszinten a levegőben másodpercenként 340 méter a hangsebesség értéke, azaz nagyjából 1240 kilométer óránként. A magasság növekedésével a hangsebesség csökken a légkörben – magyarázza a BME Repüléstudományi és Hajózási Tanszékének szakembere az egyetem, a Pro Progressio Alapítvány, valamint az Élet és Tudomány közös kutatásismertető felhívására készített tanulmánya kapcsán. A hang sebessége a repülésben fontos viszonyítási pont. Milyenek lehetnek a jövő hiperszonikus utasszállító repülőgépei? 

A terület két repülőgéposztályt foglal magában: az úgy­nevezett űrkilövőket és a szállítógépeket. Az űrkilövők vastag felületekkel, lekerekített, gömbölyded formákkal bírnak. A szállítógépek ezzel szemben tűhegyes, éles vonalakkal készülnek. Egy űreszköznek ugyanis el kell viselnie a légkörbe visszatérés terheléseit, egy szállítónak pedig a légellenállást kell minimalizálnia.

Az űrkilövők alapvető célja a világűr elérése, a hasznos teher kijuttatása, majd a visszatérés a légkörbe és a biztonságos leszállás – ismerteti Sziroczák Dávid. Fontos kérdés e feladathoz az űr definíciója. A legszélesebb körben el­fogadott meghatározás a világhírű magyar tudósról, Kármán Tódorról elnevezett Kármán-vonal, amely a világűr határát 100 kilométeres tengerszint feletti magasságban állapítja meg. E vonal jelentősége az, hogy felette egy repülőgép nem képes elég felhajtóerőt létrehozni aerodinamikai úton, mielőtt elérné a Föld körüli pályára álláshoz szükséges sebességet. Vagyis e vonal elválasztja a repülőgépeket az űreszközöktől. Az űrkilövők belátható technológiai határai az úgynevezett alacsony Föld körüli pályák, vagyis sajnos a sci-fikben látható „polgári” űrhajók még nagyon messze vannak a megvalósulástól.

A szállítógépek feladata egyszerűbb: a hasznos terhet a lehető leggyorsabban juttassák el a világ bármely pontjára. Űrbeli társaiktól eltérően ezek a járművek végig a légkörben közlekedhetnek, 

Egy Tokió–Los Angeles út 110 perc alatt megvalósíthatóvá válhat, szemben a mostani több mint 10 órával. Bár a fapados légitársaságok nem fogják alkalmazni ezt a technológiát, de mindig lesz olyan, akinek az ideje elég drága, hogy megfizessen egy ilyen utat. Még hasznosabb alkalmazás, ha természeti katasztrófák, járványok, válságok idején néhány óra alatt megérkezik a segítség. 

A mai technológiával elvben már megalkothatók ezek a járművek, viszont a megvalósítás még fejlesztést igényel. A legnagyobb kihívás a hajtásrendszer. Két meghajtástípusban gondolkodhat a tudomány: a mai sugárhajtóművekhez hasonló, „lélegző” hajtóművekben, illetve rakétahajtóművekben. A rakéták hatalmas tolóerőre képesek, és a légkörön kívül is működnek, nem véletlen, hogy most is rakétát használnak az űreszközök indítására. Azonban ehhez a tolóerőhöz rossz hatékonyság társul, mert az égéshez szükséges oxigént a rakétának magával kell vinnie. 

Az űrrakétákkal ellentétben a lélegző hajtóműveknek nem kell oxidálószert hordozniuk, mert a légkörből szabadon felvehetik. Amikor azonban a magasság emelkedésével ritkul a légkör, már nincs elegendő oxigén a hajtóművet működtetni. Ráadásul amikor a hajtómű beszívja a levegőt, össze kell sűrítenie az égéshez. A sűrítés a levegő melegedésével jár, minél gyorsabb a repülőgép, annál inkább. A forró levegővel pedig kevesebb tüzelőanyagot lehet elégetni, mint a hideggel, mert a hajtómű anyagai csak egy bizonyos hőmérsékletet képesek elviselni. Ezért a sebesség növelésével a levegőt használó hajtóművek tolóereje előbb-utóbb elfogy. 

Tehát a rakéták mindig működnek, csak nagy fogyasztással; ha pedig a levegőből veszünk fel oxigént, akkor az hatékony, de csak bizonyos magasságig és sebességig. A probléma feloldására három út van. Egyrészt lehet többfokozatú járműveket készíteni, ahol egy hordozójármű a hatékony lélegző hajtóműveivel feljut egy adott magasságra, ahol a felső fokozat(ok) leválnak, és rakétahajtóművel folytatják útjukat. Másrészt lehet egy járművet többféle hajtóművel is felszerelni, ennek nyilvánvaló hátránya a többletsúly, amit emiatt hordoznia kell. Harmadrészt megoldás az úgynevezett hibrid és kombinált ciklusú hajtóművek használata, amelyek képesek sugárhajtóműként működni, nagy magasságokon pedig folyékony oxigént használnak, azaz rakétaüzemmódra váltanak.

Hogy a három lehetséges megoldás közül melyik lesz a befutó, azt nemcsak a szűken vett műszaki szempontok fogják eldönteni, hanem az anyagi, gazdaságossági, közlekedésszervezési – és talán környezetvédelmi – megfontolások együttesen.

Nyitókép: A Concorde egykor a repülés csúcsterméke volt: feléledhet a szuperszonikusok világa?
Fotó: Shutterstock