Samoloty zdolne do osiągania prędkości Mach 10, czyli 10 razy szybsze od prędkości dźwięku (1224 km/h), od dawna pozostawały w sferze marzeń konstruktorów. Dopiero teraz zespół ze Stevens Institute of Technology dostarczył pierwszych eksperymentalnych dowodów potwierdzających fundamentalną hipotezę, która może zrewolucjonizować projektowanie takich maszyn. To moment, kiedy fantastyka naukowa zaczyna nabierać realnych kształtów.
Kiedy osiągniemy Mach 10?
Główną przeszkodą w rozwoju ultraszybkich lotów są ekstremalne turbulencje i ogromne ilości ciepła generowane podczas przelotu. Przy niższych prędkościach, poniżej ok. Mach 0,3 (361 km/h), gęstość powietrza pozostaje niemal stała, co znacznie ułatwia proces projektowania. Choć współczesne maszyny wojskowe osiągają już prędkości Mach 2 czy Mach 3, to wciąż daleko im do Mach 10 potrzebnego do pokonania trasy między Los Angeles a Sydney w godzinę.
Czytaj też: Będzie niczym silnik obcych. Naukowcy USA odmienią nim loty hipersoniczne
Przekroczenie bariery dźwięku wprowadza zjawisko zwane przepływem ściśliwym, gdzie gaz ulega kompresji, radykalnie zmieniając sposób opływania konstrukcji. Wpływa to na wszystkie aspekty lotu – siłę nośną, opór aerodynamiczny i wymagany ciąg startowy. Przy prędkościach hipersonicznych, przekraczających Mach 5, fluktuacje ciśnienia i gęstości stają się tak intensywne, że mogą prowadzić do powstawania lokalnych fal uderzeniowych wokół turbulentnych wirów. Zrozumienie tych zjawisk przy prędkościach Mach 5-10 pozostawało dotąd nierozwiązaną zagadką.
W 1962 r. Mark Morkovin sformułował intrygującą hipotezę, sugerującą, że zachowanie turbulencji przy prędkościach Mach 5-6 nie różni się zasadniczo od obserwowanego przy niższych prędkościach. Gdyby ta teoria okazała się prawdziwa, inżynierowie mogliby stosować te same koncepcje i modele matematyczne, które sprawdzają się przy wolniejszych przepływach, bez konieczności opracowywania zupełnie nowych metod analizy.
Konsekwencje potwierdzenia tej hipotezy są nie do przecenienia. Współczesne komputery nie są w stanie symulować wszystkich drobnych szczegółów przepływu przy Mach 6 ze względu na astronomiczne wymagania obliczeniowe. Hipoteza Morkovina pozwala na przyjęcie upraszczających założeń, co czyni projektowanie pojazdów hipersonicznych technicznie wykonalnym. Przez ponad sześć dekad nikt jednak nie dostarczył wystarczających dowodów eksperymentalnych na jej poparcie.
Prof. Nicholaus Parziale ze Stevens Institute of Technology podjął się rozwiązania tej naukowej zagadki. Jego zespół opracował innowacyjną metodę zwaną Krypton Tagging Velocimetry (KTV), polegającą na użyciu laserów do jonizacji gazu kryptonowego wprowadzanego do tunelu aerodynamicznego. Powstająca fluorescencyjna linia porusza się wraz z przepływem powietrza, co pozwala na obserwację struktur turbulentnych za pomocą kamer rejestrujących obraz z częstotliwością 100 kHz. Budowa tej zaawansowanej aparatury zajęła Parziale’emu 11 lat.
Samoloty hipersoniczne wcale nie muszą powstawać od zera
Eksperymenty przeprowadzono w Stevens Shock Tunnel, tunelu zaprojektowanym do symulacji lotu z prędkością Mach 6 na wysokości 20 km. Pomiary wykonano przy liczbach Macha 6,4 i 6,0 w różnych warunkach termodynamicznych, co dało pierwsze w historii eksperymentalne pomiary fluktuacji prędkości prostopadłych do ściany w warunkach hipersonicznych.
Wcześniejsze metody pomiarowe, jak Particle-Image Velocimetry (PIV), miały fundamentalne ograniczenie – cząstki śledzące mogły ślizgać się wokół gazu z powodu efektów rozrzedzenia i inercji, nie odzwierciedlając wiernie rzeczywistego ruchu. Technika KTV rozwiązuje ten problem, ponieważ znakuje sam gaz naturalnie obecny w przepływie.
Wyniki opisane w Nature Communications badań są jednoznaczne – dane z KTV, zestawione z bezpośrednimi symulacjami numerycznymi, pokazują zgodność z danymi nieściśliwej anemometrii laserowo-dopplerowskiej po zastosowaniu skalowania Morkovina. Zgodność utrzymuje się aż do 10 proc. grubości warstwy przyściennej, co oznacza, że przy Mach 6 zachowanie turbulencji rzeczywiście przypomina przepływ nieściśliwy.
Choć hipoteza nie została jeszcze w pełni potwierdzona, badanie stanowi znaczący krok w kierunku realizacji lotów hipersonicznych. Sugeruje, że samoloty nie wymagają całkowicie nowej koncepcji projektowej do latania z tak ekstremalnymi prędkościami. Możliwość zastosowania upraszczających założeń sprawia, że wymagania obliczeniowe stają się bardziej realne do spełnienia, zmieniając perspektywę z niemożliwej na trudną, ale osiągalną.
Implikacje tego odkrycia wykraczają daleko poza transport pasażerski. Pojazdy zdolne do lotów hipersonicznych mogłyby teoretycznie osiągać przestrzeń kosmiczną bez konieczności startu rakietowego, co znacząco ułatwiłoby transport na niską orbitę okołoziemską i z powrotem. Przełom dotyczyłby więc nie tylko podróży na Ziemi, ale także dostępu do kosmosu.