“Υπερ-υπερηχητικά” αεροσκάφη με επαναστατικούς κινητήρες

Οι καινοτόμοι, επαναχρησιμοποιήσιμοι πυραυλικοί κινητήρες που αναπτύσσονται αυτή τη στιγμή για διαστημικές χρήσεις είναι τόσο ισχυροί ώστε ίσως μια μέρα να μπορέσουν να «πετάξουν» ένα αεροπλάνο σε υποτροχιακή πτήση από το Λονδίνο ως το Σίδνεϊ μέσα σε μόλις 4 ώρες. Ενώ το Concorde ταξίδευε με 2 Μαχ – ταχύτητα διπλάσια από αυτήν του ήχου – οι νέες αυτές μηχανές στοχεύουν στα 5 Μαχ και ακόμη παραπέρα – σε μια ταχύτητα που ονομάζεται «hypersonic» ή, σε ελεύθερη μετάφραση, «υπερ-υπερηχητική».
Τα πυραυλοκίνητα αεροπλάνα μπορούν να επιτύχουν πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες από εκείνα με τους απλούς κινητήρες αεριώθησης. Είναι όμως υπερβολικά ακριβά επειδή πρέπει να είναι αρκετά ισχυρά ώστε να σηκώσουν το βάρος των καυσίμων υγρού υδρογόνου και υγρού οξυγόνου που χρειάζονται. Αν μπορούσαν να γίνουν ελαφρύτερα, θα ήταν λιγότερο δαπανηρά, πώς όμως να κόψεις βάρος; Η απάντηση είναι προφανής: ο αέρας μέσα από τον οποίο περνάει το αεροσκάφος είναι γεμάτος οξυγόνο. Αν μπορούσε να ρουφήξει αυτόν τον αέρα και να τον κάψει μαζί με υδρογόνο, η ποσότητα των οξειδωτικών που θα έπρεπε να μεταφέρει στις δεξαμενές του θα μειωνόταν άμεσα σε μόλις αυτήν που χρειάζεται για να προωθηθεί όταν βγει έξω από την ατμόσφαιρα.
Ο «cool» κινητήρας Sabre Αυτή είναι η ιδέα πίσω από τον Sabre, έναν κινητήρα υδρογόνου-αέρα που αναπτύσσεται και δοκιμάζεται από τη βρετανική εταιρεία Reaction Engines. Εχει σχεδιαστεί για να φθάνει σε τροχιά ένα μελλοντικό διαστημικό αεροσκάφος εκτόξευσης δορυφόρων ονόματι Skylon και μπορεί να χρησιμοποιηθεί υποτροχιακά σε ένα επιβατικό αεροπλάνο των 5 Μαχ.
Το κύριο πλεονέκτημα του Sabre είναι ότι θα μπορούσε να κινήσει ένα επαναχρησιμοποιήσιμο αεροπλάνο το οποίο θα μπορεί να απογειώνεται από έναν διάδρομο αεροδρομίου και να ανεβαίνει στο Διάστημα με έναν μόνο τύπο κινητήρα. Αυτό το τοποθετεί πολύ μπροστά από τους scramjets – κινητήρες χωρίς κινούμενα μέρη οι οποίοι χρησιμοποιούν την υπερταχεία κίνηση του αεροπλάνου για να συμπιέσουν τον αέρα σε καύσιμο. Οι scramjets αρχίζουν να δουλεύουν μόνο από τα περίπου 4 Μαχ και χρειάζονται ενίσχυση από έναν πύραυλο για να φθάσουν σε αυτή την ταχύτητα. «Αν χρειάζεσαι διαφορετικούς κινητήρες για διαφορετικά κομμάτια της διαδρομής, κουβαλάς ακριβό νεκρό βάρος» λέει ο Μπεν Γκάλαχερ, στέλεχος της Reaction Engines.
Το κλειδί της τεχνολογίας του Sabre είναι ένας «προψύκτης», ένα υπερταχύ, ελαφρό ψυγείο που επεξεργάζεται τον αέρα για να καεί με το υδρογόνο. «Ο αέρας που μπαίνει στον κινητήρα Sabre στην ταχύτητα των 5 Μαχ ξεπερνάει σε θερμοκρασία τους 1.000 βαθμούς Κελσίου. Αυτό θα έλιωνε έναν κανονικό κινητήρα πυραύλων» λέει ο κ. Γκάλαχερ. «Ο προψύκτης μας λοιπόν παγώνει αυτόν τον αέρα στους -150 βαθμούς Κελσίου μέσα σε ένα εκατοστό του δευτερολέπτου».
Ακρα μυστικότης…
Οι ακριβείς λεπτομέρειες σχετικά με το πώς λειτουργεί αυτός ο προψύκτης είναι μυστικές – τόσο ώστε η Reaction Engines δεν έχει καταθέσει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για αυτή την τεχνολογία. Το μόνο που ξέρουμε είναι ότι ο αέρας περνάει επάνω από πολύ λεπτούς σωλήνες οι οποίοι ψύχονται από ήλιο προσφέροντας μια μεγάλη επιφάνεια για την ψύξη.
Στη διεθνή αεροπορική έκθεση του Φάρνμπορο της Βρετανίας τον περασμένο Ιούλιο ο επικεφαλής της εταιρείας Αλαν Μποντ δήλωσε ότι στις πρόσφατες δοκιμές ο προψύκτης του Sabre λειτούργησε σταθερά, χωρίς δονήσεις, για περισσότερο από 6 λεπτά – χρόνος που απαιτείται για να φθάσει σε τροχιά ως μέρος ενός διαστημικού αεροπλάνου. Βεβαίως δεν είμαστε υποχρεωμένοι να πάρουμε τα λόγια του τοις μετρητοίς.
Ο Μαρκ Φορντ όμως, μηχανικός αεριώθησης στο ESTEC, το ερευνητικό κέντρο του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος στην Ολλανδία, παρευρέθη ως ανεξάρτητος μάρτυρας στις δοκιμές του Sabre. «Τα αρχικά αποτελέσματα είναι πολλά υποσχόμενα και έχουμε εντυπωσιαστεί ιδιαίτερα» λέει. «Ο προψύκτης πρόσφερε σταθερή ροή αέρα σε θερμοκρασία υπό το μηδέν στον κινητήρα». Πιο απαιτητικές δοκιμές επρόκειτο να διεξαχθούν μέσα στον Αύγουστο προκειμένου να διαπιστωθεί αν ο κινητήρας επιτυγχάνει τον στόχο του στο να προμηθεύει υπέρπυκνο αέρα των -150 βαθμών Κελσίου στους συμπιεστές.
Εμπνευση από τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο
Εν τω μεταξύ μια δεύτερη απόπειρα για την κατασκευή ενός κινητήρα διαστημικού αεροπλάνου των 5 Μαχ ανακοινώθηκε στην έκθεση του Φάρνμπορο, χάρη σε μια συνεργασία της MBDA Missile Systems, της ιδιοκτήτριας του Airbus EADS και του Ινστιτούτου Υδροδυναμικής Λαβρέντιεφ στο Νοβοροσίσκ της Ρωσίας. Οι συνεργάτες αποκάλυψαν ότι αναπτύσσουν μια – ως τώρα μη δοκιμασμένη – παραλλαγή της τεχνολογίας του κινητήρα αεριώθησης παλμικής λειτουργίας που κινούσε τη γερμανική ιπτάμενη βόμβα V-1 στον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο.
Ο κινητήρας αεριώθησης παλμικής λειτουργίας – ο χαρακτηριστικός ήχος που σκορπούσε τον τρόμο στον άμαχο πληθυσμό των Συμμάχων, ιδιαίτερα όταν περνούσε επάνω από τα κεφάλια τους – λειτουργούσε ψεκάζοντας μικρούς παλμούς καυσίμου και αέρα σε ένα κανάλι και ανάβοντας το εύφλεκτο μείγμα. Ταυτοχρόνως οι γρίλιες στο μπροστινό μέρος του έκλειναν για να κάνουν τα προϊόντα της καύσης να φεύγουν προς τα πίσω, κινώντας το όχημα. Ο κινητήρας παλμικής έκρηξης πάει ένα βήμα μπροστά, κάνοντας τα καύσιμα και τον αέρα να εκραγούν κατά τη διάρκεια της κίνησης σε υπερηχητικές ταχύτητες.
Οι συνεργάτες προσπαθούν να προχωρήσουν αυτή την ιδέα ακόμη πιο πέρα, στον υπερ-υπερηχητικό τομέα, με έναν κινητήρα «κύματος διαρκούς έκρηξης», όπως τον αποκαλούν. Ανεβάζουν την πίεση των ψεκασμών καυσίμου κατά αρκετές χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο για να δημιουργήσουν ανάφλεξη με τη μορφή μιας συνεχούς σειράς ωστικών κυμάτων, τα οποία καίνε το καύσιμο πιο αποτελεσματικά και μπορούν να παραγάγουν ώθηση για ταχύτητες ως και 5 Μαχ.
Μετατροπές για τα ευρωπαϊκά αεροδρόμια
Φυσικά οι υπεριλιγγιωδών ταχυτήτων υποτροχιακές αεροπορικές πτήσεις για απλούς επιβάτες αποτελούν ακόμη ένα αρκετά μακρινό ενδεχόμενο, όμως αυτές οι πρόσφατες επιτυχίες στις δοκιμές των απαιτούμενων κινητήρων έκαναν τον αρμόδιο για τις επιστήμες υπουργό της Βρετανίας Ντέιβιντ Γουίλετς να ζητήσει από την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Αεροπορικής Ασφάλειας (EASA) να διερευνήσει το ζήτημα της καταλληλότητας των αεροδρομίων της Ευρωπαϊκής Ενωσης για χρήση από διαστημικά αεροπλάνα. «Αυτό δεν σημαίνει ότι θεωρούμε ότι η EASA αντιμετωπίζει αρνητικά τα διαστημικά αεροπλάνα» δήλωσε ο βρετανός υπουργός στο «New Scientist». «Απλώς δεν έχει ρυθμιστικό καθεστώς για αυτά».