초음속 수송

Supersonic transport
콩코드 초음속 수송기는 오기발델타 날개와 가느다란 동체, 그리고 4개의 밑줄친 롤스로이스/스네크마 올림푸스 593개의 엔진을 가지고 있었다.
투폴레프 Tu-144는 SST가 최초로 서비스에 들어갔고, SST가 최초로 서비스를 떠난 것이다. 안전상의 문제로 운행이 종료되기 전 55편의 여객기만 운항했다. 은퇴 후 소수의 화물과 시험 비행도 실시되었다.

초음속 수송기(SST) 또는 초음속 여객기는 승객을 음속 이상의 속도로 수송하도록 설계된 민간 초음속 항공기다. 현재까지 정규 서비스를 보는 SST는 콩코드와 투폴레프 Tu-144뿐이었다. Tu-144의 마지막 여객기는 1978년 6월이었고 1999년 NASA에 의해 마지막으로 비행되었다. 콩코드의 마지막 상업 비행은 2003년 10월이었고, 2003년 11월 26일 페리 비행기가 마지막 공중 운항이었다. 콩코드에 의한 비행의 영구 중단 이후, 상용 서비스에는 SST가 남아 있지 않다. 몇몇 회사들은 초음속 비즈니스 제트기를 각각 제안했는데, 이 제트기는 초음속 운송수단을 다시 가져올 수도 있다.

초음속 여객기는 최근 진행 중인 수많은 설계 연구의 대상이었다. 단점과 설계 당면 과제는 과도한 소음 발생(이륙 시 및 비행 중 음속 폭음), 높은 개발 비용, 고가의 건설 자재, 높은 연료 소비량, 극도로 높은 배출량, 아음속 항공기에 비해 좌석당 비용 증가 등이다. 이러한 어려움에도 불구하고, 콩코드는 수익성 있게 운영된다고 주장되었다.[1]

2016년, NASA는 현대적인 저소음 SST 프로토타입 디자인 계약을 체결했다고 발표했다.[2] 디자인팀은 록히드마틴 항공이 이끌고 있다.[2]

역사

1950년대 내내 SST는 기술적 관점에서 가능해 보였지만, 그것이 경제적으로 실현될 수 있을지는 확실하지 않았다. 리프트 생성의 차이 때문에 초음속 비행기로 운항하는 항공기는 아음속 항공기의 리프트 대 드래그 비율이 약 1/2이다. 이는 필요한 양만큼의 양에 대해 항공기가 추력을 약 2배 공급해야 하며 이는 연료 사용량을 상당히 증가시킨다는 것을 의미한다. 이 효과는 항공기가 약 같은 속도로 이동하기 위해 두 배의 추력을 사용하기 때문에 음속과 가까운 속도에서 발음이 된다. 항공기가 더 빠른 속도로 가속하면 상대적 효과가 줄어든다. 이러한 연료 사용 증가를 상쇄하는 것은 적어도 항공기가 크루즈에서 상당한 시간을 보내는 중·장거리 비행에서 항공기의 분류 속도를 크게 높일 수 있는 잠재력이었다. SST 설계는 기존 아음속 전송 속도보다 최소 3배 이상 빨리 비행하므로 최대 3대의 항공기를 교체할 수 있으며, 따라서 인건비와 유지보수 측면에서 비용을 절감할 수 있을 것이다.

콩코드 착륙

SST 설계에 대한 진지한 작업은 1950년대 중반 1세대 초음속 전투기가 취항하던 시기에 시작되었다. 영국과 프랑스에서는 암스트롱 위트워스가 보다 급진적인 설계인 마하 1.2 M-윙을 제안했음에도 불구하고 수드 항공 슈퍼 캐러벨과 브리스톨 타입 223을 포함한 대부분의 연구에서 정부가 지원하는 SST 프로그램이 델타 윙에 빠르게 정착했다. 아브로 캐나다는 TWA에 마하 1.6 더블 오기 날개와 별도의 꼬리와 4개의 언더윙 엔진 구성을 가진 마하 1.2 델타 윙을 포함하는 여러 가지 설계를 제안했다. 에이브로의 팀은 영국으로 옮겨갔고, 그곳의 디자인은 호커 시들리의 디자인의 기초를 형성했다.[3] 1960년대 초까지, 디자인은 생산에 대한 승인이 주어질 정도로 진행되었지만, 비용이 너무 많이 들어서 결국 브리스톨 항공사와 수드 항공은 1962년에 콩코드를 생산하기 위한 노력을 통합했다.

1960년대 초, 미국 항공우주회사의 다양한 임원들은 SST를 생산할 수 없는 기술적 이유가 없다고 미국 대중과 의회에 말하고 있었다. 1960년 4월, 록히드사의 부사장인 Burt C Monesmith는 여러 잡지에 25만 파운드 (11만 kg)의 강철로 건설된 SST가 1억 6천만 달러에 개발될 수 있고 200개 이상의 생산지는 약 9백만 달러에 팔릴 수 있다고 말했다.[4] 그러나 미국 산업에 패닉을 촉발시킨 것은 콩코드의 영불식 발전으로 콩코드는 특히 팬암이 콩코드에 대한 구매 옵션을 꺼낸 후, 곧 다른 모든 장거리 디자인을 대체할 것으로 생각되었다. 의회는 훨씬 더 진보되고, 더 크고, 더 빠르고, 더 긴 범위의 디자인을 만들기 위해 기존의 록히드 L-2000과 보잉 2707 디자인을 선택하는 SST 설계 노력을 곧 후원하고 있었다. 보잉 2707의 디자인은 300명 정도의 승객을 태우고 마하 3에 가까운 순항속도를 갖겠다는 디자인 목표를 세워 결국 지속적인 작업을 위해 선택되었다. 소련은 서부 언론이 '콩코드스키'라는 별명을 붙인 자체 디자인 '투-144' 제작에 나섰다.

SST는 소닉 붐과 엔진 배기가스가 오존층을 손상시킬 가능성 때문에 특히 불쾌하게 여겨졌다. 두 가지 문제 모두 국회의원들의 생각에 영향을 미쳤고, 결국 의회는 1971년 3월 미국 SST 프로그램에 대한 자금 지원을 중단했고,[5][6][7][8][9] 육지 전역의 상업용 초음속 비행은 미국 상공에서 금지되었다.[10] 러셀 트레인 대통령보좌관은 수년간 6만5000피트(20km)로 비행하는 SST 500대가 성층권 물 함량을 50%~100%까지 끌어올릴 수 있다고 경고했다. Train에 따르면, 이것은 지상의 열을 증가시키고 오존의 형성을 방해할 수 있다고 한다.[11] 2010년 국립해양대기청은 "최근 수증기 감소를 알 수 없다"는 이유로 콩코드를 언급하지는 않았지만 성층권 수증기 수치가 2000년대와 1990년대 성층권 수증기 수위보다 높게 나타났다는 점에 주목했다. NOAA의 수잔 솔로몬이 지구 온난화에 따른 표면 온도 상승이 1990년대 온난화 속도에 비해 약 25% 느려진 것은 이러한 변화 때문이라고 계산하고 있다.[12] 러셀 트레인사의 또 다른 수상 오존 우려는 1971년 프레드 싱어(Fred Singer)가 네이처지에 보낸 편지에서 " 초음속 수송이 성층권 오존에 심각한 영향을 미칠 수 있다고 주장한 사람들을 화나게 했다"[14]고 반박했다.[13]

나중에, 오존에 대한 추가적인 위협은 1974년에 MIT에 의해 입증된 것처럼 보이는 위협인 배기 가스 질소 산화물의 결과로 가정되었다.[15] 그러나 많은 순전히 이론적인 모델들이 SST 질소산화물(NOx)으로 인한 큰 오존 손실의 가능성을 나타내고 있는 동안, 논문 "질소산화물, 핵무기 실험, 콩코드, 성층권 오존"의 다른 과학자들은 비교의 지침과 수단으로 기능하기 위해 역사적인 오존 감시와 대기권 핵 실험에 의존했다.n은 1962년에 방출된 약 213메가톤의 폭발 에너지로부터 감지 가능한 오존 손실이 명백하지 않다는 것을 관찰함으로써, 따라서 "하루 10시간" 비행하는 "1047" 콩코드의 NOx와 동등한 양이 전례가 없는 것은 아닐 것이다.[16] 1981년 모델과 관찰은 여전히 화해할 수 없었다.[17] 1995년 David W에 의한 더 최근의 컴퓨터 모델. 미 국립해양대기청 대기과학자 페이히 등은 500대의 초음속 항공기를 운항할 경우 오존의 감소폭이 기껏해야 1~2% 이상일 것이라고 제안한다.[18][19] 페이히는 이것이 SST 선진화에 치명적인 장애물이 되지는 않을 것이라고 말하면서도 "큰 경고 깃발"이라고 말했다."이것은 [콘코르드]의 연료에서 황을 제거하면 근본적으로 가설된 1~2%의 오존 파괴-반응 경로에서 제거될 것이기 때문에" 고급 SST 개발을 위한 쇼스토퍼가 되어서는 안 된다.[20]

오존 우려를 둘러싼 모델 관측 불일치에도 불구하고, 첫 초음속 시험 비행 후 6년이 지난 1970년대 중반, 콩코드는 이제 서비스를 받을 준비가 되어 있었다.[21] 미국의 정치적 항의가 너무 높아서 뉴욕은 그 비행기를 금지시켰다. 이것은 그 항공기의 경제적 전망을 위협했다. 그것은 런던-뉴욕 노선을 염두에 두고 건설되었다. 이 비행기는 워싱턴 D.C(버지니아 덜레스에서)에 입항할 수 있었고, 서비스가 워낙 인기를 끌었기 때문에 뉴욕 시민들은 곧 이 비행기가 없어서 불평을 늘어놓았다. 이윽고 콩코드가 JFK로 날아들어왔다.

정치적 고려사항의 전환과 함께, 하늘을 나는 대중들은 고속 해양 횡단들에 대한 관심을 계속 보여주었다. 이것은 미국에서 "AST"(Advanced Supersonic Transport)라는 이름으로 추가적인 디자인 연구를 시작했다. 록히드사의 SCV는 이 범주의 새로운 디자인이었고 보잉은 2707을 기준으로 연구를 계속했다.

이 무렵, 과거 SST 개념의 경제학은 더 이상 합리적이지 못했다. 처음 설계되었을 때 SST는 보잉 707과 같은 80~100명의 승객을 태운 장거리 항공기와 경쟁할 것을 구상했지만 보잉 747과 같은 최신 항공기가 4배 이상 탑승할 경우 SST 개념의 속도와 연료 이점은 순전히 크기에 의해 빼앗겼다.

또 다른 문제는 SST가 작동하는 속도 범위가 넓어 엔진 개선이 어렵다는 것이다. 아음속 엔진은 1960년대까지 바이패스 비율이 계속 높아지는 터보팬 엔진의 도입으로 효율성이 크게 향상되었지만, 팬 개념은 아음속 설계의 2.0 이상이 아니라 "[22]속성" 바이패스가 약 0.45인 초음속에서는 사용하기 어렵다. 이 두 가지 이유 때문에 SST 설계는 더 높은 운영비로 인해 실패했고, AST[clarification needed] 프로그램은 1980년대 초까지 사라졌다.

콩코드는 브리티시 항공과 에어 프랑스에만 판매되었으며, 보조 구매는 수익의 80%를 정부에 반환해야 했다. 실질적으로 약정의 거의 모든 기간 동안, 공유할 이익이 없었다. 콩코드가 민영화된 후, 비용 절감 조치(분명히 2010년까지 항공기를 검증할 충분한 온도 사이클을 수행한 야금 날개 시험장의 폐쇄)와 티켓 가격 상승이 상당한 이윤으로 이어졌다.

콩코드가 비행을 중단한 이후, 콩코드의 생애 동안, 그 비행기는 적어도 브리티시 에어웨이즈에게 이익이 되는 것으로 판명되었다. 콩코드 운영 비용은 거의 28년간 약 10억 파운드로, 수익은 17억 5천만 파운드가 되었다.[23]

마지막 정기 여객기는 2003년 10월 24일 금요일 오후 4시를 조금 넘긴 시간에 런던 히드로 공항에 착륙했다. 뉴욕에서 출발하는 002편, 스코틀랜드 에든버러에서 출발한 두 번째 비행편, 그리고 비스케이 만 상공의 순환 비행으로 히드로에서 이륙한 세 번째 비행편.

20세기 말까지 투폴레프 Tu-244, 투폴레프 Tu-344, SAI 조용한 초음속 수송, 수호이-걸프스트림 S-21, 고속 시민 교통 등과 같은 프로젝트는 실현되지 않았다.

실현된 초음속 여객기

콩코드와 Tu-144가 함께 전시된 곳은 독일의 신스하임 오토&테크닉 박물관이 유일하다.

1961년 8월 21일, 더글러스 DC-8-43(등록 N9604Z)이 에드워즈 공군기지에서 시험 비행 중 제어된 다이빙에서 마하 1을 초과했다. 승무원은 윌리엄 매그루더(조종사), 폴 패튼(코필로트), 조셉 토미치(비행기사), 리처드 H. 에드워즈(비행시험기사) 등이다.[24] 민간 항공기의 초음속 비행은 이번이 처음이다.[24]

콩코드

주요 기사: 콩코드 항공기 이력

총 20대의 콩코드가 건설되었는데, 시제품 2대, 개발 항공기 2대, 생산 항공기 16대였다. 생산 항공기 16대 중 2대는 상용화에 들어가지 않았고 8대는 2003년 4월 현재 운항을 유지하고 있다. 이들 항공기 2대를 제외한 나머지 2대는 1982년 예비부품 소스로 주차했다가 1994년 폐기된 F-BVFD(cn 211)와 2000년 7월 25일 파리 외곽에서 추락해 승객 100명과 승무원 9명, 지상 4명 등 모두 보존돼 있다.

투폴레프 Tu-144

주요 기사: 투폴레프 Tu-144

총 16대의 공기 좋은 투폴레프 Tu-144s가 지어졌고, 17번째 Tu-144 (지역 77116)는 결코 완성되지 않았다. 68001 프로토타입 개발과 병행하여 정적 시험을 위한 지상 시험 기체도 최소 1개 있었다.

초음속 여객기의 도전

공기역학

공기를 통해 이동하는 모든 차량의 경우 드래그 힘은 드래그 계수(Cd), 기속 제곱 및 공기 밀도에 비례한다. 드래그는 속도에 따라 빠르게 상승하기 때문에 초음속 항공기 설계의 핵심 우선순위는 드래그 계수를 낮춰 이 힘을 최소화하는 것이다. 이것은 SST의 고도로 능률화된 모양을 만들어낸다. 초음속 항공기 역시 공기 밀도가 낮은 아음속 항공기보다 높은 고도로 비행해 항력을 관리한다.

항공기 마하수를 갖는 Cd 인자의 질적 변화

속도가 음속에 근접하면서 파장 현상도 추가로 나타난다. 이것은 트랜스닉 속도(마하 0.88)에서 시작되는 강력한 형태의 드래그다. 마하 1 주위에서 드래그의 피크 계수는 아음속 드래그의 4배이다. 트랜소닉 범위 이상으로, 비록 하위 음속보다 20% 더 높은 마하 2.5로 유지되지만, 계수는 다시 급격히 떨어진다. 초음속 항공기는 이 파동 항력을 극복하는 데 필요한 아음속 항공기에 비해 상당히 많은 전력을 가지고 있어야 하며, 트랜스닉 속도 이상의 순항 성능이 더 효율적이지만, 아음속 비행에 비해 여전히 효율성이 떨어진다.

초음속 비행에서 또 다른 문제는 날개의 리프트 대 드래그비(L/D 비율이다. 초음속 속도에서 에어포일은 아음속과는 전혀 다른 방식으로 양력을 생성하며, 항상 효율성이 떨어진다. 이러한 이유로, 지속적인 초음속 순항을 위한 날개 평면형 설계에 상당한 연구가 투입되었다. 약 마하 2에서 일반적인 날개 설계는 신용장 비율을 절반으로 줄인다(예: 콩코드가 7.14의 비율을 관리한 반면, 아음속 보잉 747은 신용장 비율이 17이다).[25] 항공기의 설계는 자체 중량을 극복하기에 충분한 양력을 제공해야 하기 때문에 초음속에서의 L/D 비율의 감소는 비행속도와 고도를 유지하기 위해 추가적인 추력을 필요로 한다.

엔진

제트 엔진 설계는 초음속 항공기와 아음속 항공기 사이에서 크게 변화한다. 제트 엔진은 한 등급으로, 비록 그들의 특정한 연료 소비량이 더 높은 속도에서 더 크지만, 초음속 속도에서 증가된 연료 효율을 공급할 수 있다. 지상에서의 속도가 더 크기 때문에 이러한 효율 감소는 마하 2를 훨씬 넘을 때까지 속도에 비례하지 않고 단위 거리당 소비량은 더 낮다.

영국 브리스톨주 필튼에어로드롬의 브리티시 에어웨이즈콘코드는 초음속 비행에 필요한 가느다란 동체를 보여준다.

콩코드가 아로스파티알에 의해 설계되었을 때BAC, 하이 바이패스 제트 엔진("터보팬" 엔진)은 아직 아음속 항공기에 배치되지 않았다. 만약 콩코드가 보잉 707이나 드 하빌랜드 혜성과 같은 초기 디자인에 대항하여 서비스를 시작했다면, 707과 DC-8은 여전히 더 많은 승객을 태웠음에도 불구하고 훨씬 더 경쟁력이 있었을 것이다. 1960년대에 이러한 높은 우회 제트 엔진이 상용 서비스에 도달했을 때, 아음속 제트 엔진은 즉시 훨씬 더 효율적이 되었고, 초음속 터보제트의 효율에 더 가까워졌다. SST의 주요 장점 중 하나가 사라졌다.

터보팬 엔진은 고전적인 비 바이패스 터보젯에서 일반적으로 뜨거운 공기를 가속하는 데 사용되는 일부 에너지를 사용하여, 그들이 가속하는 차가운 저압 공기의 양을 증가시킴으로써 효율을 향상시킨다. 이 설계의 궁극적인 표현은 터보프롭인데, 여기서 제트 추진력의 거의 대부분이 매우 큰 팬인 프로펠러에 동력을 공급하기 위해 사용된다. 팬 설계의 효율 곡선은 전체 엔진 효율을 극대화하는 바이패스 양이 프로펠러에서 팬으로 감소하는 전진 속도의 함수로서 속도가 증가함에 따라 바이패스 기능이 전혀 없다는 것을 의미한다. 또한 엔진 전면의 저압 팬이 차지하는 큰 정면 영역은 특히 초음속 속도에서 항력을 증가시키며, 우회 비율이 아음속 항공기에 비해 훨씬 제한적이라는 것을 의미한다.[26]

예를 들어, 초기 Tu-144S는 초음속 비행에서 콩코드의 터보제트보다 훨씬 효율이 낮은 낮은 바이패스 터보팬 엔진을 장착했다. 후기 TU-144D는 비슷한 효율의 터보제트 엔진을 특징으로 했다. 이러한 제한은 SST 설계가 높은 바이패스 엔진이 아음속 시장에 가져온 연비의 극적인 개선을 이용할 수 없다는 것을 의미했지만, 이미 아음속 터보팬 설계보다 효율이 높았다.

구조 문제

초음속 차량 속도는 날개와 기체 설계의 폭이 좁고, 더 큰 스트레스와 온도의 영향을 받는다. 이것은 원치 않는 굴곡을 최소화하기 위해 더 무거운 구조를 필요로 하는 탄성 문제로 이어진다. SST는 또한 그들의 동체가 초음속 비행에 필요한 높은 고도에서 작동하지 않는 아음속 항공기보다 큰 차이에 가압되어야 하기 때문에 훨씬 더 강한 (그래서 더 무거운) 구조가 필요하다. 이러한 요소들은 함께 콩코드의 좌석당 빈 무게가 보잉 747의 3배 이상이라는 것을 의미했다.

그러나 콩코드와 TU-144는 모두 재래식 알루미늄(콩코드의 경우 히디미늄)과 (두랄루민)으로 구성되었으며, 탄소섬유와 케블라 같은 현대적인 소재는 무게(가압응력을 다루는데 중요함)로 인해 장력이 훨씬 강할 뿐만 아니라 더욱 견고하다. 구조물의 좌석당 중량이 SST 설계에서 훨씬 높기 때문에, 어떤 개선도 아음속 항공기의 동일한 변화보다 더 큰 비율로 개선될 것이다.

고비용

콩코드 연비 비교
항공기 콩코드[27] 보잉 747-400[28]
승객 마일/임피리얼 갤런 17 109
미국 갤런당 승객 마일 수 14 91
리터/조수석 100km 16.6 3.1

좁은 기체에 대한 공기역학적 요구조건으로 인해 연료비용이 높고 승객용량이 낮아짐에 따라 SST는 아음속 항공기에 비해 비싼 형태의 상업용 민간 운송 수단이 되었다. 예를 들어 보잉 747기는 대략 같은 양의 연료를 사용하면서 콩코드보다 3배 이상의 승객을 태울 수 있다.

그럼에도 불구하고 연료비는 대부분의 아음속 항공기 탑승권 가격의 대부분을 차지하지는 않는다.[29] SST 항공기가 이용된 대서양 횡단 비즈니스 시장의 경우, 콩코드는 실제로 매우 성공적이었으며, 더 높은 티켓 가격을 유지할 수 있었다. 이제 상업용 SST 항공기가 비행을 중단했기 때문에, 콩코드가 브리티시 에어웨이즈를 위해 상당한 이익을 냈다는 것이 분명해졌다.[23]

이륙 소음

콩코드와 Tu-144의 운영과 관련된 문제들 중 하나는 이륙 중 사용되는 매우 높은 제트 속도 및 더 중요한 것은 공항 근처의 지역사회를 비행하는 것과 관련된 높은 엔진 소음 수준이었다. SST 엔진은 초음속 순항 시 엔진 단면적을 최소화하기 위해 상당히 높은 특정 추력(순추력/공기류)이 필요하다. 불행히도 이는 높은 제트 속도를 의미하며, 이것은 엔진을 소란스럽게 하며, 특히 저속/경도 및 이륙 시에 문제를 일으킨다.[30]

따라서 미래 SST는 이륙 시 특정 추력(따라서 제트 속도 및 소음)이 낮지만 초음속 순항 시 높은 곳에 강요되는 가변 사이클 엔진의 장점을 충분히 누릴 수 있다. 두 모드 간 전환은 하강 중 상승과 하강 중 다시 상승 중 어느 시점에 발생할 수 있다(접근 시 제트 소음을 최소화하기 위해). 난이도는 초음속 순항 중 낮은 단면적에 대한 요건을 충족하는 가변 사이클 엔진 구성을 고안하는 것이다.

소닉붐

소닉 붐은 비행기의 고도가 높기 때문에 심각한 문제가 아니라고 생각되었지만, 논란이 많은 오클라호마 시티의 소닉 붐 테스트와 USAF의 북미 XB-70 발키리에 대한 연구와 같은 1960년대 중반의 실험은 그렇지 않은 것으로 증명되었다(소닉 붐 § Affirment 참조). 1964년까지 민간 초음속 항공기의 허가 여부는 이 문제 때문에 불분명했다.[31]

소닉 붐의 짜증스러움은 비행기가 초음속 속도에 도달하기 전에 물 위로 높은 고도에 도달할 때까지 기다림으로써 피할 수 있다; 이것이 콩코드가 사용한 기술이었다. 그러나, 인구 밀집 지역에서의 초음속 비행은 금지된다. 초음속 항공기는 아음속 항공기(변수-스위프 날개 등의 기술을 채용하지 않은 경우)에 비해 아음속 속도에서 리프트/드래그 비율이 낮기 때문에 연료가 더 많이 연소되어 그러한 비행 경로에서 사용이 경제적으로 불리하다.

콩코드는 1.94 lb/sq ft(93 Pa)의 과압을 가지고 있었다. 1.5 lb/sq ft (72 Pa) (131 dBA SPL) 이상의 과압은 종종 불만을 야기시킨다.[32]

만약 붐의 강도를 줄일 수 있다면, 이것은 심지어 매우 큰 초음속 항공기 설계도 육지 비행을 허용하게 할 수 있다. 연구 결과에 따르면 노즈콘과 꼬리의 변화는 불만을 유발하는 데 필요한 이하의 소닉 붐의 강도를 줄일 수 있다고 한다. 1960년대 SST의 원래 노력 중, 항공기의 동체를 조심스럽게 형상화하면 지상에 도달하는 소닉 붐의 충격파의 강도를 줄일 수 있다는 의견이 제시되었다. 하나의 디자인은 충격파가 서로 간섭하게 하여 소닉 붐을 크게 줄였다. 이것은 그 당시에는 테스트하기 어려웠지만, 컴퓨터 보조 설계의 힘이 증가하면서 그 이후로 상당히 쉬워졌다. 2003년에는 디자인의 건전성을 입증하고 붐을 약 절반으로 줄일 수 있는 능력을 입증하는 형태소닉 붐 시범 항공기가 비행되었다. (중량을 크게 증가시키지 않고) 차량을 연장하는 것 조차도 붐 강도를 감소시키는 것처럼 보일 것이다(소닉 붐 § Affirmation 참조).

다양한 속도에서 항공기를 운용해야 함

초음속 항공기의 공기역학적 설계는 최적의 성능을 위해 속도에 따라 변화해야 한다. 따라서 SST는 아음속과 초음속 모두에서 최적의 성능을 유지하기 위해 비행 중 형상을 이상적으로 변경할 수 있다. 그러한 설계는 유지보수 필요성, 운영 비용 및 안전 문제를 증가시키는 복잡성을 야기할 수 있다.

실제로 모든 초음속 수송수단은 아음속 비행과 초음속 비행에 기본적으로 동일한 형태를 사용했으며, 성능상 절충이 선택되며, 종종 저속 비행의 손상에 영향을 준다. 예를 들어, 콩코드는 느린 속도로 매우 높은 항력(양력 대 항력 비율 약 4)을 가지고 있었지만, 대부분의 비행에서 고속으로 이동했다. 콩코드의 설계자들은 전체 비행계획에서 전체적인 성능을 극대화하기 위해 풍동 시험에서 차량 형태를 최적화하는 데 5,000시간을 소비했다.[citation needed]

보잉 2707은 저속에서 더 높은 효율을 제공하기 위해 스윙윙윙을 특징으로 했지만, 그러한 기능에 필요한 공간이 증가함에 따라 결국 극복할 수 없는 용량 문제가 발생하였다.

북아메리카 항공은 XB-70 발키리에 이 문제에 대해 특이한 접근법을 취했다. 날개의 외부 패널을 높은 마하 수로 낮추어 항공기 하부의 압축 리프트를 이용할 수 있었다. 이를 통해 L/D 비율이 약 30% 향상되었다.

피부 온도

초음속 속도에서 항공기는 앞에 있는 공기를 극적으로 압축한다. 공기의 온도가 증가하면 항공기가 가열된다.

아음속 항공기는 보통 알루미늄으로 만들어진다. 그러나 알루미늄은 가볍고 강하지만 127 °C 이상의 온도는 견딜 수 없으며, 127 °C 이상의 알루미늄은 노화 경화에 의해 야기된 특성을 점차적으로 상실한다.[33] 마하 3으로 비행하는 항공기의 경우 스테인리스강(XB-70 발키리, MiG-25)이나 티타늄(SR-71, 수호이 T-4)과 같은 재료가 사용되어 왔으며, 이러한 재료의 특성으로 인해 항공기의 제조가 훨씬 어려워지기 때문에 비용이 상당히 많이 들었다.

2017년에 마하 5 이상에서 발생하는 온도(아마도 3000 °C)에 견딜 수 있는 새로운 카바이드 세라믹 코팅 재료가 발견되었다.[34]

불량범위

초음속 항공기의 범위는 브레게트 범위 방정식으로 추정할 수 있다.

승객 1인당 이륙 중량이 높아 좋은 연료 분율을 구하기가 어렵다. 이 문제는 초음속 리프트/드래그 비율에 의해 제시된 도전과 함께 초음속 수송의 범위를 크게 제한한다. 장거리 노선은 실행 가능한 옵션이 아니었기 때문에 항공사들은 제트기를 구입하는 데 거의 관심이 없었다.[citation needed]

SST에 대한 항공사 불유쾌성

1975년 파리 에어쇼에서 아에로플로트투폴레프 Tu-144

항공사들은 돈을 벌기 위한 수단으로 항공기를 구입하고, 그들의 자산에서 가능한 한 많은 투자 수익을 올리고 싶어한다.

항공사는 항공기가 매일 더 많은 비행을 할 수 있게 하여 더 높은 투자 수익을 제공할 수 있기 때문에 잠재적으로 매우 빠른 항공기를 높이 평가한다. 또한 승객들은 일반적으로 더 느리고 더 긴 시간 여행보다 더 빠르고 더 짧은 시간 여행을 선호하기 때문에, 더 빠른 항공기를 운항하는 것은 많은 고객들이 시간을 절약하거나 더 빨리 도착하는 이익을 위해 기꺼이 더 높은 요금을 지불하는 정도까지 항공사에 경쟁 우위를 제공할 수 있다.[citation needed] 그러나 콩코드는 공항 주위의 높은 소음 수준, 시간대 문제, 속도 부족 등으로 인해 하루에 단 한 번의 왕복 여행만 할 수 있다는 것을 의미했기 때문에, 추가 속도는 고객에 대한 판매 기능 외에는 항공사에 유리하지 않았다.[35] 제안된 미국 SST는 부분적으로 이러한 이유로 마하 3으로 비행할 계획이었다. 그러나 가속 및 감속 시간을 허용할 경우 마하 3 SST에서 대서양 횡단 주행은 마하 1 주행의 3배 미만이다.

SST는 초음속 속도로 소닉붐을 생산하기 때문에 육지 상공에서 초음속 비행이 거의 허용되지 않으며 대신 바다 상공에서 초음속 비행을 해야 한다. 아음속 항공기에 비해 아음속에서는 비효율적이기 때문에 사거리가 악화되고 논스톱으로 비행할 수 있는 항로 수가 줄어든다. 이것은 또한 대부분의 항공사에 대한 그러한 항공기의 만족도를 감소시킨다.

초음속 항공기는 아음속 항공기보다 승객당 연료 소비량이 더 높다. 이는 항공권 가격을 반드시 더 높게 하고, 다른 모든 요인도 동등하게 하며, 기름 가격에 더 민감하게 만든다. (또한 초음속 비행은 환경과 지속가능성에 대한 두 가지 우려로 인해 환경 친화력이 떨어지게 된다.항공 여행객을 포함한 일반 대중).

새로운 SST를 설계하기 위한 연구 개발 작업에 투자하는 것은 항공 운송의 속도 제한을 강화하기 위한 노력으로 간주될 수 있다. 일반적으로, 새로운 기술적 성취에 대한 충동을 제외하고, 그러한 노력의 주요 동력은 다른 운송 수단으로부터의 경쟁 압력이다. 운송 수단 내에서 서로 다른 서비스 제공자들 사이의 경쟁은 일반적으로 속도를 증가시키기 위한 그러한 기술 투자로 이어지지 않는다. 대신에, 서비스 제공자들은 서비스 품질과 비용 면에서 경쟁하기를 선호한다.[citation needed] 이러한 현상의 한 예가 고속철도다. 철도 운송의 제한속도는 그것이 도로와 항공 운송과 효과적으로 경쟁할 수 있도록 하기 위해 그렇게 강하게 추진되어 왔다. 그러나 이러한 성과는 서로 다른 철도 운영 회사들이 그들끼리 경쟁하기 위해 이루어진 것이 아니다. 이러한 현상은 또한 SST의 항공사의 만족도를 떨어뜨린다. 왜냐하면 매우 장거리 운송의 경우(몇 천 킬로미터) 서로 다른 운송 수단 사이의 경쟁은 오히려 단일 말 경주처럼 되기 때문이다. 항공 운송은 중요한 경쟁자를 갖지 못한다. 유일한 경쟁은 항공 회사들 사이의 것이고, 그들은 속도 상승에 훨씬 더 많은 돈을 지불하기 보다는 비용을 줄이고 서비스 품질을 높이기 위해 적당히 지불할 것이다.[citation needed] 또한 영리기업은 일반적으로 상당한 이윤을 창출할 가능성이 높은 저위험 사업계획을 선호하지만, 예측 불가능한 기술적 이유로 프로그램이 실패하거나 비용 초과가 발생할 가능성이 높기 때문에 고비용 첨단 기술 연구개발 프로그램은 고위험 기업이다. 그 회사는, 재정 자원의 한계 때문에, 시장성이 있는 SST 기술을 생산하기 전에 노력을 포기함으로써 잠재적으로 모든 투자를 잃게 한다.

환경영향

국제 클린 운송 협회(ICCT)는 SST가 승객 1인당 5배에서 7배의 연료를 연소할 것으로 추정한다.[36] ICCT는 뉴욕-런던 초음속 비행이 아음속 비즈니스 클래스보다 승객당 2배 이상, 이코노미 클래스보다 6배 이상, 로스앤젤레스-시드니의 아음속 사업보다 3배 이상 많은 연료를 소비한다는 것을 보여준다.[37] 설계자는 첨단 기술로 기존의 환경 표준을 충족시키거나 SST에 대한 새로운 표준을 제정하기 위해 정책 입안자들에게 로비할 수 있다.[38]

2035년에 SST가 2,000회였다면, 160개 공항에 매일 5,000회 비행이 있을 것이고 SST 비행대는 연간 9600만 미터톤의 CO를 배출할 것이다(2017년에 미국, 델타, 남서부를 합친 것과 같음), 25년 동안 1.6에서 2.4 기가톤의 CO를 배출할 것이다. 항공이 e를 유지한다면, 국제 항공 탄소 예산의 1/5이다.1.5 °C의 기후 궤적을 유지하도록 임무를 분담한다. 공항 주변의 소음 노출 지역은 두바이와 런던 히드로에서 하루 300회 이상 운항하고 로스앤젤레스, 싱가포르, 샌프란시스코, 뉴욕-JFK, 프랑크푸르트, 방콕에서 100회 이상 운항하는 등 같은 규모의 기존 아음속 항공기에 비해 두 배가량 증가할 수 있다. 캐나다, 독일, 이라크, 아일랜드, 이스라엘, 루마니아, 터키, 그리고 미국의 일부 지역에서 매일 150–200까지 또는 5분마다 1번씩 빈번한 소닉 붐이 들릴 것이다.[39]

개발중

록히드 마틴은 2010년 4월 NASA 항공연구총국(NASA)에 제안한 개념이다.
2010년 4월 NASA 항공연구선교국(NASA)에 제안된 보잉 개념

제2세대 초음속 항공기에 대한 열망은 항공산업의 일부 요소 안에 머물러 있었으며,[40][41] 콩코드가 은퇴한 이후 여러 개념들이 등장하고 있다.

붐테크놀로지는 2016년 3월 마하 2.2 비행이 가능한 40인승 초음속 제트기를 건조하는 개발 단계에 있다고 밝히면서 설계 시뮬레이션 결과 콩코드보다 조용하고 효율이 30% 향상돼 6시간 만에 로스앤젤레스 시드니까지 비행할 수 있을 것으로 보인다고 주장했다.[42]

그것의 경제적 생존력을 위해, 2006년 이후 NASA 연구는 육지 상공에서 초음속 비행을 할 수 있도록 소닉 붐을 줄이는 데 초점을 맞추었다. NASA는 2020년대 초 예상 FAA와 ICAO 금지 리프트를 지원하기 위해 기체 형성에 의해 이중 앞머리에서 부드러운 쿵쾅거림으로 축소된 저붐 시승기를 2019년에 비행해야 한다. Quiet Supersonal Technology X-plane은 75 PNLdB의 경우 마하 1.6~1.8, 80~100인승 여객기의 충격파 시그니처를 모방하며, 콩코드는 105 PNLdB이다.[43]

2억달러짜리 초음속 여객기 시장은 10년간 1300억달러로 2600억달러에 이를 수 있다.[44] 개발과 인증은 아마도 40억 달러의 운영일 것이다.[45]

TsAGI는 모스크바에서 열린 2017 MAKS 에어쇼에서 저소닉 붐을 일으켜 시속 2100km(1300mph)의 순항과 7,400–8600km(4600–5,300mi)의 항속거리에서 초음속 비행을 가능하게 하는 초음속 비즈니스 제트/커머셜 제트기의 규모 모델을 전시했다. 이 과학 연구는 마하 0.8–0.9 트랜소닉과 마하 1.5–2.0 초음속 모두에 대해 최적화를 목표로 하고 있으며, 유사한 설계는 풍동에서 시험하며, 엔진은 항공자동차 중앙연구소에서 개념화하고 설계는 Aviadgatel과 NPO Saturn에서 연구한다.[46]

2017년 10월 라스베이거스에서 열린 NBAA 컨벤션에서 NASA가 연구만을 지원하면서, 다양한 회사들은 엔진이 없고 가변적인 최고 속도 및 운영 모델을 갖춘 항공기를 제안해야 하는 공학적인 어려움에 직면했다.[47]

  • 붐 XB-1 베이비붐 3단계 테스트베드는 2018년 한 번 정차, 9,000nmi(17,000km, 1만 mi)에 물 2.2인 45/55인승 트라이제트 여객기에 발전소가 선정돼 비행해야 한다. 2023년 납품을 목표로 2016년 버진 항공사에서 10건, 미공개 유럽 항공사에서 15건을 수주해 2017년 6월까지 5개 항공사에서 76건을 수주했다.
  • 스파이크 S-512는 창문이 없는 객실에서 승객 22명과 함께 6,200nmi(11,500km, 7,100mi)의 물 위로 마하 1.6로 순항하는 것을 목표로 하는 자체 자금 트윈젯 설계로, 불특정 2만lbf(89kN) 엔진이 탑재돼 있다. SX-1.2급 모델은 2023년 시장 출시와 함께 2019년 유인 시험대에 앞서 2017년 9월 처녀비행을 했어야 했다.
모델 승객들 크루즈 범위(nmi) MTOW 토탈 스러스트 추력/무게
투폴레프 Tu-144 150 마하 2.0 3,500nmi(6,500km) 207 t (456,000 lb) 960kN(216,000lbf) 0.44
콩코드 120 마하 2.02 3900nmi(7200km) 185 t (408,000 lb) 676kN(152,000lbf) 0.37
붐 테크놀로지 서곡 55 마하[48] 1.7 4,500nmi(8,300km) 77.1 t(17만 lb) 200–270 kN(45,000–60,000 lbf) 0.26–0.35
스파이크 S-512 18 마하 1.6 6,200nmi(11,500km) 52.2 t (192,000 lb) 177.8kN (40,000lbf) 0.35

2017년 40억 명의 항공 승객 중 6억5000만 명이 넘는 항공기가 비즈니스와 일등석 7200만 명을 포함해 2000~7000마일(3200~1만1300km)을 비행해 2025년까지 1억2800만 명에 달했고 스파이크 프로젝트는 당시 초음속 수송에 관심이 있을 것이다.[49]

2018년 10월, FAA 계획 소음 표준의 초음속 운송에 대한 재허가를 받아 개발자들은 주로 엔진 선택과 같은 설계에 대한 규제 확실성을 확보했다. 미국 초음속 비행시험 허가 및 소음 인증 규정은 2019년 초까지 FAA가 제안한다.[50] FAA는 2022년 이후 규정을 위해 2020년 3월 31일 이전에 착륙 및 이륙 소음을 제안해야 하며 2020년 말부터 육상의 소닉 붐을 일으키고, NASA는 2025년 ICAO 기준에 2021년부터 록히드 마틴 X-59 QueSST 저폭 비행 시승기를 띄울 계획이다.[51]

2019년 6월, 록히드 마틴은 NASA의 조용한 초음속 이니셔티브와 X-59 QueSST에서 영감을 받아 40명의 승객을 위한 마하 1.8의 트랜스퍼시픽 여객기 [52]컨셉트인 Quiet Supersonic Technology Airliner를 공개했다. 공항 소음과 소닉 붐은 형광 설계, 통합 저소음 추진, 스윕 윙 초음속 자연 층류, 조종석 외부 비전 시스템(XVS)에 의해 허용된다. 225ft(69m) 길이의 디자인은 콩코드에 비해 상당히 길며, 70ft(21m) 길이의 코와 78ft(24m) 크기의 오두막을 갖추고 있다. 급격히 휩쓸린 델타 날개는 73피트(22m)의 간격을 가지며 콩코드보다 약간 좁다.[53]

설계 목표는 4,200–5,300 nmi (7,800–9,800 km) 범위와 9,500–10,500 ft (2,900–3,200 m) 이륙장 길이, 75-80 PLdB 소닉 붐 및 육지 상공 마하 1.6-1.7 및 물 상공 마하 1.7-1.8의 순항이다. 트윈 테일 장착 비애프터버닝 엔진은 V-테일 사이에 위치한다. 통합 저소음 추진에는 고급 플러그 노즐 설계, 소음 차폐 개념 및 왜곡 방지 팬 블레이드가 포함된다.[53]

롤스로이스의 버진 갤럭틱은 2020년 8월 최대 19명의 승객을 태울 수 있는 마하 3 지원 트윈젯 델타 윙 항공기의 개념을 공개했다.[54][55]

이전 개념

2003년 11월, 에어버스의 모회사인 EADS는 콩코드를 위한 더 크고 더 빠른 대체품을 개발하기 위해 일본 회사들과 협력하는 것을 고려하고 있다고 발표했다.[56][57] 2005년 10월, 일본항공우주항공 eXploration Agency인 JAXA는 마하 2(Next Generation Supersonal Transport, NEXST, 그 후 Zero Easmission Hyper Sonic Transport)에서 300명의 승객을 태울 수 있도록 설계된 항공기의 규모 모델에 대한 공기역학 테스트를 실시했다. 상용화를 추진할 경우 2020~25년경 가동될 것으로 예상된다.[58]

2008년 5월, Aerion Corporation은 Aerion SBJ 초음속 비즈니스 제트기에서 30억 달러의 사전 주문 매출을 올린 것으로 보고되었다.[59] 2010년 말, 이 프로젝트는 날개 부분의 테스트베드 비행으로 계속되었다.[60] 에어리온 AS2는 12인승 트라이제트로 제안되었는데, '붐리스' 마하 1.1편 비행이 가능하다고 주장되었지만, 물 위로 마하 1.4에서 4,750nmi(8,800km; 5,470mi) 또는 육지로 마하 0.95에서 5,300nmi(9,800km; 6,100mi)의 사거리를 가지고 있다. 에어버스의 지원을 받아 플렉스젯의 20개 발주를 받아 2017년 5월 GE항공이 공동 엔진 연구 대상으로 선정되면서 2023년부터 2년가량 첫 배송이 밀렸다. 2021년 5월에 그 회사는 자본을 조달할 수 없기 때문에 운영을 중단할 것이라고 발표했다.[61]

초음속항공우주국(SHI)은 록히드마틴사의 12인승 설계로 마하 1.6으로 순항할 예정으로 콩코드가 만들어내는 소닉 붐은 1%에 불과하다.[62]

초음속 투폴레프 Tu-444 또는 걸프스트림 X-54도 제안되었다.

극초음속 운송

참고 항목: 극초음속, 극초음속 및 극초음속 비행

기존의 터보와 램젯 엔진은 마하 5.5까지 합리적으로 효율을 유지할 수 있지만, 마하 6 이상의 초고속 비행에 대한 일부 아이디어도 논의되는 경우가 있는데, 이는 이동 시간을 세계 어느 곳에서도 1~2시간으로 단축하는 것을 목적으로 한다. 이러한 차량 제안은 매우 전형적으로 로켓이나 스크램제트 엔진을 사용한다; 펄스 폭발 엔진도 또한 제안되었다. 그러한 비행은 기술적, 경제적 측면에서 많은 어려움이 있다.

로켓에 결합된 차량은 기술적으로 실용적이지만(탄도 운송수단으로 또는 날개를 사용한 반팔리즘 운송으로), 매우 많은 양의 추진제를 사용할 수 있으며, 약 마하 8과 궤도 속도 사이의 속도에서 가장 잘 작동한다. 로켓은 매우 긴 거리에서 비용 면에서 공기호흡 제트 엔진과 가장 잘 경쟁한다. 그러나, 항정신병 여행의 경우에도 비용이 궤도 발사 비용보다 다소 낮을 것이다.[citation needed]

2011년 6월 파리 에어쇼에서 EADS는 마하 4(4400km/h, 2400kn)에서 10만5000ft(3만2000m)로 순항해 일본인들의 관심을 끄는 ZEHST 콘셉트를 공개했다.[63] 독일 스페이스라이너는 예비 개발 중인 아보르바이탈 극초음속 날개형 여객기 프로젝트다.

예열된 제트 엔진은 흡입구에 열 교환기가 달린 제트 엔진으로, 매우 빠른 속도로 공기를 냉각시킨다. 이러한 엔진은 최대 마하 5.5까지 실용적이고 효율적일 수 있으며, 유럽과 일본의 연구 영역이다. 영국 회사인 리액션엔진스 리미티드(RACCAT)는 EU 돈 50%를 지불하고 브뤼셀에서 시드니까지 4.6시간 안에 마하 5+ 직항 비행이 가능한 승객 300명을 태운 수소 연료 비행기의 디자인을 조사한 연구 프로그램에 참여해왔다.[64] 후속 연구 노력인 LAPCAT II는 2008년에 시작되어 4년 동안 지속될 예정이었다.[65]

스트라토플리 MR3는 유럽 연합의 연구 프로그램(독일 항공우주센터, 오네라, 대학)으로, 고도 30km 상공에서 약 1만 km/h(Mach 8)로 비행할 수 있는 극저온 연료 300인승 여객기 개발을 목표로 하고 있다.[66][67]

보잉 극초음속 여객기

보잉 극초음속 운송 개념

보잉은 AIAA 2018 컨퍼런스에서 마하 6호(6500km/h; 3,500kn) 여객기를 공개했다. 대서양을 2시간 이내에 횡단하거나 태평양을 3시간 이내에 10만 피트(30km)로 횡단하면 당일 왕복 항공편이 가능해져 항공사의 자산 활용도가 높아진다. 티타늄 기체를 사용하면 보잉 737보다 용량은 작지만 장거리 사업용 제트기보다 더 클 수 있다. 2030년대 후반부터 잠재적인 서비스 진입을 위해 빠르면 2023년 또는 2024년에 재사용 가능한 시승기가 비행될 수 있다. 공기역학적 특성은 유도 항력을 낮추기 위해 가장자리 충격파를 타는 보잉 X-51 웨이버라이더 경험의 혜택을 받을 수 있다. 유량 조절은 느린 속도에서 양력을 향상시킬 수 있고 이륙 시 애프터버너를 피하는 것은 소음을 줄일 수 있다.[68]

보잉의 극초음속 여객기는 마하 6에서 램젯으로 전환되는 터보팬인 터보람제트에 의해 구동될 것이며, 이는 SR-71 블랙버드의 프랫 앤 휘트니 J58과 유사하지만, 더 빠른 속도로 터빈을 차단하는 것과 유사한 램젯의 필요성을 피할 것이다. 단일 흡입구와 노즐이 있는 축대칭 환상형 레이아웃과 터빈 엔진 주위의 바이패스 덕트가 후방의 결합 애프터버너/램젯에 통합될 것이다. 그것은 반응 엔진에 의해 개발된 열 교환기와 같은 진보된 냉각 기술이 필요할 것이며, 아마도 액체 메탄과/또는 제트 연료를 사용할 것이다.[68]

90,000–100,000피트(27,000–30,000m)로 순항하는 것은 감압을 더 높은 위험으로 만든다. 마하 6은 이용 가능한 기술로 달성할 수 있는 한계로 선택되었다. 콩코드와 함께 하루에 두 번 가능한 것보다 더 많은 양의 대서양을 하루에 네다섯 번 횡단할 수 있는 높은 용량 활용도를 가질 수 있을 것이다.[69]

참고 항목

참조

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외부 링크