Zkrocení zvukového třesku: Jak se nadzvukové letadlo NASA X-59 vyhýbá zvukovému BOOMu?

Foto: NASA/Steve Freeman

X-59 bude létat koncem tohoto roku, což potenciálně změní budoucnost letectví

Nadzvuková letecká doprava je příslibem rychlejšího cestování po světě, ale má velkou a hlasitou nevýhodu: Zvukový třesk. Nadzvuková letadla nesmějí létat nad pevninou, protože jejich zvuk je hlučný a rušivý. NASA již desítky let pracuje na návrhu letadla, které by se tomuto jevu vyhnulo a přitom stále letělo neuvěřitelnou rychlostí. Výsledkem je X-59.

NASA doufá, že zákaz komerčních nadzvukových letů nad pevninou může být zrušen nahrazením hlasitého zvukového třesku jemnějším zvukovým „bušením“. Sonický třesk nastane, když se rázové vlny z předmětu, který se pohybuje vzduchem rychleji, než je rychlost zvuku, spojí, než se dostanou k zemi. Sonické třesky generují obrovské množství zvukové energie, asi 110 decibelů, jako zvuk exploze nebo bouřky.

Očekává se, že experimentální letoun, vyvinutý ve spolupráci s Lockheed Martin, dosáhne 1,4násobku rychlosti zvuku ve vzduchu, neboli asi 1490 kilometrů (925 mil) za hodinu – a to při zachování velmi tichého provozu. Byl odhalen minulý pátek a bude testován ve skutečném letu koncem tohoto roku.

Co je to Sonic Boom a jak se vytváří?

Sonický třesk je zvuk podobný hromu, který vydává objekt pohybující se vzduchem (v tomto případě) rychleji než rychlost zvuku. Je to velké uvolnění zvukové energie az tohoto důvodu je hlasité. 

Nejsou to jen speciální letadla, která mohou jednoho rozbít. Charakteristický práskání biče je příkladem zvukového třesku. Jen malý, protože špička biče nemá stejný moment jako proud.

Jakýkoli objekt pohybující se tekutinou by vytvořil tlakové vlny před sebou a za sebou. Vlny se šíří rychlostí zvuku. Jak se rychlost letadla zvyšuje, tyto vlny se stlačují dohromady, a když letadlo dosáhne rychlosti zvuku, spojí se do jediné rázové vlny. Výložník!

Jak se letadlo pohybuje rychleji, než je rychlost zvuku, neustále vytváří zvukové třesky, které uvolňují tyto tlakové vlny. Ale jak si dokážete představit, mohlo by to být dost hlasité a otravné, kdybyste žili pod dráhou nadzvukového letadla.

Jak se X-59 vyhýbá zvukovému třesku?

Vyhnout se sonickému třesku je věcí prolomení těchto tlakových vln. Něco, co se snadněji řekne, než udělá. K tomu je X-59 navržen. Letadlo má délku 30,3 metru (99,7 stop), ale jedna třetina z toho je pro jeho tenký zúžený nos. To je jeho tajemství. Nos je navržen tak, aby prolomil tlakové vlny a vytvořil vozidlo, které může létat rychleji než zvuk bez hlasitých třesků.

Toto experimentální letadlo není plánem pro budoucí osobní nadzvuková vozidla, ale takový design bude informovat nadzvukové letadlo budoucnosti, jako letadlo poháněné raketovým motorem Bell X-1 pro vývoj Concordu.

Prostřednictvím jedinečného designu letadla X-59 Quiet SuperSonic Technology (QueSST) se NASA snaží snížit akustický třesk, aby byl mnohem tišší.

Inženýři s agenturním projektem Commercial Supersonic Technology (CST) nedávno použili malý model X-59 v nadzvukovém větrném tunelu NASA Glenn o rozměrech 8 x 6 stop, aby vizualizovali technologii agentury snižující rozmach a ověřili její schopnosti předpovídat rozmach.

„Toto je příležitost týmu získat data při nízkých hladinách hluku produkovaných v tunelu,“ řekl Clayton Meyers, zástupce projektového manažera projektu CST. „Vše závisí na naší schopnosti měřit ránu.“

Foto: David Meade výzkumné centrum NASA Langley Research Center NASA

Malý model X-59 byl testován v nadzvukovém větrném tunelu NASA Glenn o rozměrech 8 x 6 stop. Model byl invertován s polem snímačů rázových vln namontovaným na stropě tunelu během testování.

Model – měřící asi stopu a půl na délku – byl podroben týdnům testování v tunelu a produkoval rázové vlny, které byly zachyceny speciálními kamerami namontovanými vně testovací sekce a unikátním polem senzorů uvnitř. Unikátní snímky schlieren z kamer poskytují inženýrům vizualizaci rázových vln a jejich polohy při průchodu vzduchu kolem modelu. Senzor poskytuje podrobné měření síly otřesů. Výsledky testů jsou povzbudivé, protože rázové vlny produkované modelem odpovídaly, jak polohou, tak silou, těm z dřívějších počítačových modelů pro tišší nadzvukový let.

Snímky Schlieren a měření tlaku jsou zásadní pro schopnost NASA porovnávat data z aerodynamického tunelu s počítačovým modelováním. Tyto schopnosti zlepšují schopnost týmu porozumět a předvídat skutečné zvukové údery během budoucích letů X-59. NASA také vyvinula s chlieren zobrazovací schopnosti pro let, které budou také použity během nadcházejících letových testů.

„S X-59 chceme demonstrovat, že dokážeme zredukovat nepříjemné zvukové třesky na něco mnohem tiššího, označovaného jako ‚zvukové rány‘,“ řekl John Wolter, vedoucí výzkumník testu X-59 v aerodynamickém tunelu. „Cílem je poskytnout regulačním orgánům údaje o hluku a reakci komunity, což by mohlo vést k novým pravidlům pro pozemní nadzvukové lety. Test prokázal, že nemáme jen tišší konstrukci letadla, ale že máme také přesné nástroje potřebné k předpovědi hluku budoucích letadel.“

Model poputuje v březnu do Tokia na další ověřovací testy v aerodynamickém tunelu s Japan Aerospace Exploration Agency a Boeing.

NASA a Lockheed Martin v současné době dokončují stavbu X-59 v zařízení Skunkworks v Kalifornii. Na konci roku 2022 zahájí NASA a Lockheed Martin první letové testy, aby prokázaly letovou způsobilost. Po letových testech pak NASA ověří, že tichá nadzvuková technologie letadla funguje za letu tak, jak byla navržena, před přechodem do fáze komunitního přeletu.