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Dec 30, 2023

Werden wir jemals mit Überschall über Land fliegen?

Von Matthew Hutson Im Jahr 1947 wurde Chuck Yeager, der Testpilot der Air Force, der

Von Matthew Hutson

Im Jahr 1947 durchbrach Chuck Yeager, der Testpilot der Air Force, als erster Mensch die Schallmauer. Er tat es in einem winzigen, orangefarbenen Flugzeug namens Bell X-1 – im Wesentlichen ein Cockpit und zwei Flügel, die mit einem Raketentriebwerk verbunden waren. Wie alle Überschallflieger ließ Yeager einen Überschallknall hinter sich her. Das Prinzip des Booms ist einfach: Schall breitet sich in Form von Kompressionswellen durch die Luft aus, die so genannt werden, weil sie entstehen, wenn die Luft dichter und dünner wird; Während ein Flugzeug fliegt, breiten sich die Wellen mit Schallgeschwindigkeit in alle Richtungen aus. Aber wenn das Flugzeug selbst diese Geschwindigkeit überschreitet – etwa siebenhundertsiebzig Meilen pro Stunde auf Meereshöhe oder etwa sechshundertsechzig in Reiseflughöhe –, holt es die Wellen ein, die sich vor ihm ausbreiten. Sie beginnen sich aufzubauen, und diese einzelne, zusammengeführte Welle erreicht auf einmal den Boden und erzeugt einen Boom. Es folgt eine Zone mit niedrigem Druck – das Wellental – und dann kehrt der normale Luftdruck zurück und erzeugt seinen eigenen Klang. (Oft machen Überschallknalle einen Boom-Boom.) Es ist kein Zufall, dass Überschallknalle wie Donner klingen. Donner ist ein Überschallknall, der durch Stoßwellen verursacht wird, die sich um Blitze herum ausbreiten. Kugeln bewegen sich schnell genug, um Überschallknalle zu verursachen, ebenso wie die Schwänze von Peitschenhieben. Im Gegensatz zu dem, was Sie sich vorstellen können, verursacht ein Flugzeug einen Überschallknall nicht nur einmal, wenn es die Schallmauer durchbricht, sondern kontinuierlich während der gesamten Überschallzeit. Der Ausleger fegt über alles, was sich darunter befindet – eine Art Schallbesen, der pro tausend Fuß Flugzeughöhe etwa eine Meile breit ist.

Die Planungen für das Flugzeug, aus dem die Concorde werden sollte – das erste kommerzielle „Überschalltransportmittel“ (SST) – begannen in den 1950er-Jahren. Die NASA begann bei ihrer Gründung im Jahr 1958 mit der Arbeit an Überschalltransporten und entschied sich schließlich für einen Entwurf von Boeing. Diese Initiativen begannen jedoch, bevor Überschallknalle vollständig verstanden wurden. In einer technischen Zusammenfassung aus dem Jahr 1960 warnten NASA-Wissenschaftler, dass der „Schockwellen-Lärmdruck“ „von ausreichender Intensität sein könnte, um Teile von Gebäudestrukturen wie Fenster zu beschädigen und darüber hinaus Belästigungen zu verursachen“. Es würde jedoch eine Weile dauern, das volle Ausmaß dieser Verärgerung abzuschätzen. Über einen Zeitraum von zehn Monaten in den Jahren 1961 und 1962 führten die Luftwaffe und die Federal Aviation Administration (FAA) die Operation Bongo durch, bei der sie B-58-Bomber über St. Louis flogen und die Bürger nach den etwa hundertfünfzig Booms befragten, die die Flugzeuge erzeugten; Die Autoren kamen lediglich zu dem Schluss, dass nach wiederholten Booms „eine gewisse Reaktion zu erwarten ist“. („Der Überschallknall ist ein Problem der Öffentlichkeitsarbeit mit höchster Priorität“, sagte ein Air-Force-Major 1962 gegenüber dem New Yorker.) Ein klareres Bild zeichnete sich 1964 ab, als die Operation Bongo II mehr als tausend Überschallknalle über Oklahoma City auslöste. Die Menschen klagten über Unterbrechungen ihres Schlafs, ihrer Gespräche und ihres Seelenfriedens sowie über gelegentliche Risse im Putz oder Glas. Am Ende sagte etwa jeder Vierte, dass er nicht lernen könne, mit dem Lärm zu leben. Diese Studien sowie Zehntausende Klagen gegen die Luftwaffe wegen Sachbeschädigung – Pferde und Truthähne waren angeblich gestorben oder verrückt geworden – veranlassten die FAA 1973, zivile Überschallflüge über Land zu verbieten.

Es gibt viele Gründe, warum die Concorde, die 1969 zum ersten Mal flog, 2003 ihren Flugbetrieb einstellte. Einer davon ist die Tatsache, dass der Dienst nur über dem Ozean Überschallgeschwindigkeit erreichen durfte. Diesen Monat kündigte United Airlines Pläne zum Kauf von Flugzeugen von Boom Supersonic an, einem Start-up-Unternehmen aus Denver, das eine neue Generation von Überschall-Passagierflugzeugen produzieren will. Aber Booms Flugzeug, die Overture, wird immer noch boomen und daher zumindest bei Vollgas ein Übersee-Biest bleiben. Überlandüberschallflüge – von JFK nach SFO in etwa drei Stunden – hängen von der Erfindung eines leiseren Booms ab.

Erst in den letzten zwanzig Jahren ist mit verbesserten Computermodellen der Aerodynamik eine Art Schallschlag möglich geworden. „Die grundlegende Theorie für die Formung des Schallbooms existierte tatsächlich während der Entwicklung der Concorde, also in den 1960er-Jahren“, erzählte mir Michael Buonanno, Leiter für Luftfahrzeuge bei Lockheed Martin. Leider, so fuhr er fort, „waren die Computer damals nicht leistungsfähig genug, um die komplexen Simulationen auszuführen, die nötig waren, um wirklich die ideale Form zu erreichen.“ In den Jahren 2003 und 2004 flog die NASA mithilfe besserer Simulationen den Shaped Sonic Boom Demonstrator, eine Northrop Grumman F-5 mit Bugkorrektur; Forscher sparten Geld, indem sie einen abnehmbaren Teil auf die Unterseite eines bereits vorhandenen Jets pfropften und das resultierende Flugzeug wegen seines bauchigen Profils Pelikan nannten. In den Jahren 2006 und 2007 verfolgte die NASA in Zusammenarbeit mit Gulfstream eine ähnliche Idee und stattete eine McDonnell Douglas F-15 mit einem „Quiet Spike“ aus, der etwa sieben Meter aus der Nase herausragte.

In beiden Fällen bestand die Idee darin, den Höhepunkt der führenden Kompressionswelle abzurunden und so einen scharfkantigen Tsunami in einen allmählicheren Wellengang umzuwandeln. Flugzeuge mit ihren charakteristischen Formen verursachen tatsächlich viele unterschiedliche Wavelets; Wenn sich die Wellen dem Boden nähern, verschmelzen sie zu Bug- und Heckwellen, die die Knallgeräusche verursachen. Wenn Sie die Form des Flugzeugs so ändern können, dass sich die Wellen nicht vereinigen – indem Sie sie beispielsweise mithilfe einer besonders langen Nase ausbreiten –, werden die Überschallknalle von geringerer Intensität sein. In dieser Hinsicht waren der Pelican und der Quiet Spike bescheidene Erfolge; Ihr Knall war nicht ganz so donnernd. Im Jahr 2015 bestätigte JAXA, die Japan Aerospace Exploration Agency, die grundlegende Erkenntnis mit einem kleineren Projekt namens D-SEND. Die Agentur warf ein schlankes, sechs Meter langes, antriebsloses Segelflugzeug neunzehn Meilen über Schweden aus einem Ballon ab. Es erreichte Mach 1,39 – also das 1,39-fache der Schallgeschwindigkeit – und erzeugte eine relativ abgeflachte Welle.

Das aktuelle Projekt der NASA, das X-59 QueSST (für Quiet SuperSonic Technology), zielt sowohl darauf ab, Low-Boom-Technologie zu erforschen als auch die Reaktion der Gemeinschaft auf gedämpfte Booms zu untersuchen. „Das Flugzeug ist im Wesentlichen nur ein Knall oder, in diesem Fall, ein Knallgenerator“, sagte David Richwine, stellvertretender Projektmanager der NASA für Technologie bei QueSST. Akustiker haben viele Maßstäbe für die Lautstärke; Die NASA verwendet den wahrgenommenen Dezibelpegel oder PLdB. Der Knall der Concorde betrug rund 113 PLdB, ungefähr so ​​laut wie ein Donner in der Nähe oder das Zuschlagen einer Autotür, während man im Auto sitzt; 75 PLdB, das NASA-Ziel für QueSST, sind etwa ein Achtel so laut – das Äquivalent von entferntem Donner oder dem Zuschlagen einer Autotür in sechs Metern Entfernung. (Wie Dezibel oder Erdbeben werden PLdBs auf einer logarithmischen Skala gemessen.) Lockheed Martin baut derzeit das Flugzeug, das 2024 über amerikanische Städte fliegen wird. (Buonanno ist der Chefingenieur des Unternehmens bei dem Projekt.)

Mit seiner spitzen Nase und den Deltaflügeln ähnelt der einsitzige X-59 in mancher Hinsicht einer Mini-Concorde und unterscheidet sich in anderen davon. Es wird 100 Fuß lang sein, eine Flügelspannweite von 30 Fuß haben, einen auf dem Heck zentrierten Motor haben und mehr Flächen als notwendig erscheinen: horizontale Stabilisatoren sowohl an der Unterseite als auch an der Oberseite des Hecks und auch an der Nase. „Alle diese werden verwendet, um diese Stoßdämpfer abzustimmen“, sagte David Richardson, Programmdirektor der X-59 bei Lockheed Martin. Das Team hofft, die Spitze der Boomwelle von einer einzigen Millisekunde auf zwanzig oder dreißig auszudehnen. („Ich bin seit etwa dreißig Jahren bei Skunk Works und mache viele verschiedene Programme“, fügte Richardson hinzu. „Dies ist mein erstes nicht klassifiziertes Programm – daher ist es wirklich gut, nicht nur mit der Welt darüber sprechen zu können.“ sondern an meine Familie.")

Letztendlich hofft das X-59-Team durch die Durchführung einer Art Operation Bongo III, die FAA davon zu überzeugen, ihr Verbot von Überschalltransporten aus dem Jahr 1973 zu überdenken. Die Agentur könnte stattdessen zustimmen, Zertifizierungsstandards für kommerzielles SST herauszugeben. Das Flugzeug enthält andere Technologie, die sich in einem kommerziellen Design niederschlagen könnte. Ein vielversprechendes Feature ist das eXternal Vision System oder XVS. Die X-59 ist zu spitz für eine Cockpitkabine, deshalb hat das Team sie mit hochauflösenden Kameras und Monitoren ausgestattet; Piloten werden auf Bildschirme starren, die es ihnen ermöglichen, in einer Art erweiterter Realität „durch“ das Flugzeug zu schauen. Die Konstrukteure der Concorde, die ähnlich scharfsinnig war, erlaubten ihren Piloten mithilfe eines ausgeklügelten Mechanismus, die Nase des Flugzeugs vor der Landung nach unten zu beugen, den Blick auf die Landebahn – was zu einem erheblichen Mehrgewicht und höheren Kosten für ein ohnehin schon überteuertes Flugzeug führte. Lockheed Martin würde wahrscheinlich keine kommerzielle Version des Jets bauen, könnte aber mit anderen Firmen zusammenarbeiten; Das Unternehmen prognostiziert, dass eine Passagierversion der X-59 60 Meter lang sein würde, etwa so lang wie eine Boeing 777, und etwa fünfzig Personen befördern würde.

Einige Unternehmen verfolgen bereits die Entwicklung von Überschall-Passagierflugzeugen mit niedrigem Ausleger. Gulfstream hat in diesem Bereich Patente erhalten, und ein Unternehmen namens Spike Aerospace sagt, dass es die „Quiet Supersonic Flight Technology“ nutzt, um einen Geschäftsjet für achtzehn Passagiere mit einem Überschallknall von 75 PLdB zu entwickeln. (Keines der Unternehmen antwortete auf Anfragen.)

Exosonic, ein kalifornisches Startup, führt maßstabsgetreue Windkanaltests eines Überschallflugzeugs mit siebzig Sitzplätzen durch. Sein Ansatz ähnelt dem der NASA: „Wir ändern die Form der Schallknallwellenform in etwas, das weitaus weniger hörbar ist“, sagte mir John Morgenstern, der Leiter für Aerodynamik und Boom bei Exosonic. (Einer von Morgensterns Kollegen hat das Ziel von Exosonic als einen akustischen „Puff“ beschrieben.) Im vergangenen September erhielt das Unternehmen einen Millionen-Dollar-Militärauftrag, um die Möglichkeit zu prüfen, das Flugzeug als Air Force One einzusetzen. Morgenstern kam im April zu Exosonic, nachdem er bei Lockheed Martin als Designer für die X-59 gearbeitet hatte; In seiner neuen Rolle muss er verschiedene Variablen ausbalancieren. Das Flugzeug muss mehr als nur ein Knallgenerator sein – sein Design muss die Auslegerintensität, die Sicherheit der Passagiere, den Motorlärm bei Start und Landung sowie die Treibstoffeffizienz optimieren. (Der International Council on Clean Transportation schätzt, dass Überschallflugzeuge drei- bis neunmal so viel Treibstoff pro Passagier verbrauchen wie normale Flugzeuge – ein guter Grund, wie Bill McKibben Anfang des Monats schrieb, Zoom und nicht Boom auszuprobieren.) Exosonics Flugzeug wird mit Mach 1,8 fliegen, was eine ideale Geschwindigkeit für SSTs ist: Langsamere Flugzeuge verkürzen die Flugzeiten nur unzureichend, während schnellere Flugzeuge lautere Triebwerke erfordern. Ich fragte Morgenstern, ob es riskant sei, in ein kommerzielles Tiefauslegerflugzeug zu investieren, solange Überschallflüge über Land noch verboten seien. „Ich würde sagen, es ist weniger riskant, als mit einem Flugzeug dorthin zu fliegen, das nicht über diese Technologie verfügt“, sagte er. Er skizzierte ein Szenario, in dem sich die Vorschriften um 2028 ändern und Exosonic vier oder fünf Jahre später mit Testflügen beginnt.

Im Jahr 2016 veröffentlichte das Mercatus Center, eine libertäre Denkfabrik an der George Mason University, ein Weißbuch mit dem Titel „Make America Boom Again“, in dem es argumentierte, dass wir angesichts neuer Technologien den Überschalltransport wieder einführen sollten. Die Autoren der Zeitung, Eli Dourado und Samuel Hammond, beklagten „die Stagnation und den Rückschritt in der Überschallfliegerei“, die „einen Trend des schnellen Fortschritts“ im Flugverkehr gebrochen habe, der mit den Gebrüdern Wright begonnen hatte. Dennoch gibt es Gründe zu der Annahme, dass inländische Überschallflüge, selbst wenn sie erlaubt wären, nur begrenzte kommerzielle Vorteile hätten. Richwine von der NASA sagte mir, dass er glaubt, dass SST einige Flugzeiten halbieren könnte. Er sagte jedoch, dass Überschallflüge die gesamte Reisezeit nicht proportional verkürzen würden, bis wir unsere Infrastruktur repariert hätten: Wie viel besser wäre es, in zwei oder drei Stunden von LAX nach JFK zu fliegen, wenn man doppelt so viel Zeit auf Flughäfen und im Verkehr verbringt?

In den meisten Jahren, in denen die Concorde flog, konnte ein Reisender einen Flughafen betreten und direkt zum Gate gelangen. Im Jahr 2013 erinnerte sich Doug Robinson, ein Zeitungskolumnist aus Utah, an die Geschwindigkeit der Flughäfen vor dem 11. September: „In einer der größten sportlichen Leistungen meines Lebens kam ich einmal drei Minuten vor dem geplanten Flug am Rande des Flughafens an.“ Ich wollte gehen und sprintete die Treppe hinauf und die Halle hinunter zum Gate, wo ich es nur wenige Sekunden schaffte, bevor sie die Tür zum Flugzeug schlossen“, schrieb er. Heutzutage empfehlen Fluggesellschaften angesichts der erhöhten Sicherheit, dass Passagiere bei Inlandsflügen zwei Stunden früher und bei internationalen Flügen drei Stunden früher ankommen – ungefähr die Zeit, die Überschallgeschwindigkeit sparen könnte. Und so ist der Überschallflug in mehrfacher Hinsicht eine Rückkehr in die Vergangenheit. Mit der schicken Technologie der NASA werden wir wieder dort sein, wo wir vor zwanzig Jahren waren.