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El transporte supersónico (SST)

Por Ángel Rojo

(Docente investigador Observatorio Tecnológico Aeronáutico https://www.esga.mil.ar/Observatorio/)

A fines de la década del 40, la aviación alcanzó un hito tecnológico de suma importancia, el cual era el poder superar la barrera del sonido.

Esta barrera física invisible, producida por la compresión del aire delante del avión, inicialmente se estimaba que crecía exponencialmente con la velocidad, por lo cual, nunca sería posible de superar. Aunque ya en el siglo XIX Ernst Mach sabía que la resistencia disminuía a partir de cierto punto y que no crecía exponencialmente como se suponía.

En honor a este físico austríaco se debe el nombre de la medida adimensional que relaciona la velocidad del objeto y la velocidad del sonido (1.234,8 km/h en condiciones estándar) en el medio en el cual se desplaza el objeto.

Pero no fue hasta fines de los 60 cuando se materializaron los primeros vuelos de ensayos en aeronaves comerciales.

La disputa por la supremacía se desarrolló principalmente entre Europa y la ex URSS, ya que los EEUU, si bien se vio impulsada a participar del desafío, desistió por cuestiones de inestabilidad política, protestas medioambientales y costos cada vez mayores[1], llegando solo a presentar los proyectos de Boeing, el B-2702, y de Lockheed, el L-2000.


B-2702. Fuente: secretproyects [2]


L-2000. Fuente: secretproyects [3]

Estos modelos nunca llegaron a volar por la complejidad que representaba superar algunas causas técnicas: las elevadas temperaturas a altas velocidades, el diseño del ala, el boom sónico y el consumo de combustible.

Las dos potencias que se disputaron la primicia fueron: el Tupolev Tu-144 de la ex Unión Soviética, y el Concorde construido a partir de los trabajos conjuntos de los fabricantes British Aircraft Corporation (británico) y Aérospatiale (francés).

Tu-144[4]


Concorde[5]

En el siguiente cuadro se pueden observar algunas de las principales características:



El Tupolev Tu-144[6] fue el primer avión supersónico de pasajeros del mundo, realizando el primer vuelo del prototipo el 31 de diciembre de 1968, unos meses antes que el primer vuelo del Concorde, superando a éste en tamaño, peso, velocidad y capacidad, pero no en autonomía y alcance debido al elevado consumo de combustible en vuelo supersónico.

Su empleo para vuelos comerciales fue muy corto, no llego a un año, debido principalmente a los problemas que presentaba de excesivo ruido en cabina y elevado consumo de combustible al tener volar siempre con la post combustión conectada, con lo cual se reducía su alcance.

Se mantuvo operativo haciendo vuelos cargueros hasta el año 1999 en que fue desprogramado.

El primer vuelo del Concorde fue el 02 de marzo de 1969 y estuvo disponible para el público a partir del 21 de enero de 1976 hasta su desprogramación, el 26 de noviembre de 2003.

Los motivos por los cuales se desprogramó fueron: la prohibición de vuelo supersónicos sobre la tierra, el elevado consumo de combustible que lo volvía muy costoso (25.000 lts/hr para llevar 100 pasajeros, contra 15.000 lts/hr y 500 pasajeros de un Boeing 747) y también colaboraron el accidente del año 2000 y la baja cantidad de pasajeros después del atentado del 11 de septiembre del 2001.

Por lo mencionado, se puede arribar a la conclusión de que el fracaso de este tipo de vuelo fue, principalmente, económico y no tanto tecnológico, aunque para las nuevas generaciones se deben mejorar ciertos aspectos.

Actualmente continua la idea de volver a los vuelos comerciales supersónicos, aunque en los últimos meses se observó que muchas empresas están replanteando sus proyectos en función de los efectos que está ocasionando el coronavirus en la aviación comercial y especialmente en la incertidumbre de cómo será la aviación comercial después del COVID-19.

Estos nuevos proyectos deben resolver especialmente la contaminación sónica o boom sónico a niveles adecuados que permita modificar la reglamentación vigente que les prohíbe volar sobre tierra, como así también mejorar la eficiencia en el consumo de combustible y reducir el impacto ambiental.

En este sentido, instituciones como la NASA está llevando adelante pruebas con el X-59 QueSST para reducir el volumen de la explosión sónica e investiga cómo conseguir “vehículos supersónicos prácticos” y, por otro lado, empresas privadas están trabajando para recuperar este tipo de vuelos.

Hay varias firmas aeroespaciales de EEUU -Boom Supersonic, Aerion Supersonic, Spike Aerospace y Virgin Galactic- y la rusa Tupolev, entre otras, que están compitiendo por ser las primeras en ofrecer vuelos más rápidos que la velocidad del sonido[7].

Algunas de las principales características de estos desarrollos las podemos observar en el siguiente cuadro:




Tecnológicamente, el vuelo supersónico no es difícil de lograr. El desafío es ofrecer un servicio que los pasajeros puedan pagar, que sea menos contaminante y, lo que es más importante, que elimine las explosiones sónicas del Concorde.

La primera vía para resucitar los vuelos supersónicos son los jets privados. Sus promotores apelan al mismo nicho de clientes del Concorde, dispuestos a pagar esas cantidades por ahorrarse varias horas de vuelo al cruzar el Atlántico.

El COVID-19, va a introducir cambios importantes en la aviación comercial, a través de los diferentes protocolos a tener en cuenta en aeropuertos y aeronaves, lo cual posiblemente impacte en un aumento del costo de pasaje y mayores demoras en los aeropuertos. Por eso, muchas personas de cierto poder adquisitivo, que generalmente viajan en business optarán por contratar vuelos en la aviación general.

Teniendo en cuenta que 4.000 millones de personas volaron en 2017, de los cuales el 12% (480 millones) lo hicieron en clase ejecutiva, se trata de un mercado más que interesante al cual apuntan las empresas que quieren volver a los vuelos supersónicos.

Hay que tener presente también, que la tecnología ha evolucionado desde la época del Concorde, especialmente en el diseño aerodinámico, materiales compuestos y eficiencia de los motores, lo cual facilita el desarrollo de este tipo de aeronaves.

El reto más grande que tienen que vencer es que las actuales normas de aviación civil no permiten superar la velocidad del sonido (Mach 1) sobre tierra debido al boom sónico, por lo cual será el punto más importante a trabajar para poder operar no sólo sobre el océano sino también sobre zonas pobladas.

Como mencionamos anteriormente, la NASA está realizando investigaciones para desarrollar vuelos supersónicos silenciosos. Para ello, como parte del programa QueSST[8] ha encargado a la división Skunk Works de Lockheed Martin el desarrollo del proyecto del prototipo de avión supersónico "silencioso" X-59 QueSST (Quiet Supersonic Transport - Transporte Supersónico Silencioso).

X-59. Fuente: Lockheed Martin[9]

Lockheed Martin planea reducir el ruido del X-59 con la ayuda de un diseño muy aerodinámico, en el que se formaría una menor cantidad de ondas de choque y menos intensas en la superficie de la aeronave.

La clave para eliminar el fuerte sonido está en el diseño de su fuselaje. En un jet supersónico convencional, las ondas de choque se fusionan a medida que se expanden lejos de la nariz y la cola, lo que genera dos explosiones sónicas diferentes[10].

El truco es dar forma al avión de tal manera que las ondas de choque permanezcan separadas a medida que se alejan del avión, alcanzando el suelo aún separadas, generando una serie rápida de golpes suaves.

Entre otras soluciones de diseño que reducirán el ruido de la aeronave se encuentra una nariz afilada alargada, que bloqueará por completo la vista frontal de los pilotos.

Según el cronograma actual, el primer vuelo del X-59 debería tener lugar en 2022, y a partir de 2023 comenzarán los vuelos de prueba del avión sobre el campo de entrenamiento con equipos de medición de sonido.

El objetivo final de entregar los resultados de los sobrevuelos comunitarios a la Organización de Aviación Civil Internacional y la Administración Federal de Aviación está previsto para el 2027. Con esa información en la mano, los reguladores podrán decidir si se debe realizar un cambio en las reglas que prohíben los vuelos supersónicos sobre tierra, una decisión que se esperaría en 2028[11].

Según los cálculos de la NASA y Lockheed Martin, el X-59 debería producir un impacto auditivo menor a los 75 decibeles en la tierra, lo que equivale a un “trueno alejado” o a “un vecino golpeando fuerte la puerta de su coche”. El Concorde tenía un golpe sonoro que llegaba a los 105 decibeles en tierra firme, lo que empujó a que sus operaciones se realicen, en su mayor parte, sobre mares y territorios despoblados[12].

Los vuelos del X-59 servirán para recolectar información sobre la posible contaminación acústica en las comunidades por donde vuele. Esos datos serán enviados a la Administración Federal de la Aviación, el organismo regulador de EEUU, para que decida si es viable que regresen los vuelos supersónicos, desterrados tras el cese de operaciones del Concorde en octubre del 2003.

Si bien esta aeronave que realizará las pruebas no es apta para pasajeros, si se logra dar con el diseño perfecto, esto se trasladará a aviones de pasajeros.

Una de las empresas privadas que está en la carrera de desarrollar una aeronave de transporte supersónica es Boom Supersonic, fundada en 2014, la cual está a punto de terminar su nave de demostración XB-1, que es un tercio de su proyecto Overture.

Boom XB-1 Fuente boomsupersonic[13]


Boom Overture. Fuente: boomsupersonic[14]

Volando a 20.000 pies de altura y a una velocidad de Mach 2,2 (2.335 km/h), llevará entre 55 y 75 pasajeros, con cuatro asistentes de vuelo y dos pilotos. Empleará 3 motores turbofan sin post combustión con índice de derivación medio (medio by pass) con geometría variable de entrada y salida de aire. Tendrá un alcance de unas 9.000 NM y el precio del pasaje no irá más allá de un vuelo transoceánico en clase business.

Además, Boom se asoció en 2019 con la revolucionaria compañía Prometheus Fuels[15] (que fabrica combustibles alternativos sostenibles) para suministrar energía para reactores garantizando una emisión neutra de dióxido de carbono durante el programa de pruebas del XB-1.

Últimamente, Boom Supersonic recibió un contrato por parte de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) donde planean explorar el uso potencial de su avión supersónico Overture como el próximo transporte ejecutivo de la Fuerza Aérea.


Futuro Air Force 1. Fuente: Transponder1200[16]

El otro competidor es Aerion AS2, busca alcanzar velocidades supersónicas sobre tierra sin ruido por medio de un diseño de avión revolucionario y un motor supersónico increíblemente eficiente de GE Aviation: el Affinity Engine[17].

Aerion AS2. Fuente:fly-news[18]

Aerion tiene un enfoque orientado a un vuelo silencioso y no a uno menos ruidoso, mediante la tecnología Boomless Cruise, la cual es posible a velocidades cercanas a Mach 1.2, dependiendo de las condiciones atmosféricas como la temperatura del aire. Aerion está trabajando actualmente con las autoridades certificadoras para aprobar esta capacidad de crucero sin igual.

El avión de 12 pasajeros apunta a Mach 1.6 con un ala de flujo laminar natural supersónico para un alcance mínimo proyectado de 4.750 NM.

Spike Aerospace también quiere entrar en el mercado para lo cual está desarrollando el Spike S-512 Supersonic Bussines Jet[19].

El Spike S-512 contará con una cabina que podrá acomodar de 12 a 18 pasajeros. Lo revolucionario de este diseño es que su fuselaje no contará con ventanas, lo que eliminará los problemas estructurales relacionados con la construcción típica del fuselaje y reducirá el peso total de la aeronave. La piel exterior lisa del avión también reducirá la resistencia normalmente causada por las ventanas.

Las paredes de la cabina sin ventanas serán reemplazadas por pantallas de video de alta definición súper delgadas incrustadas, que proporcionarán vistas panorámicas tomadas con la ayuda de microcámaras instaladas en el exterior del avión. Los pasajeros tendrán la opción de atenuar las pantallas para dormir un poco o cambiar a las imágenes escénicas ya almacenadas en el sistema, evitando el deslumbrante sol y el uso de sombras.


Fuente: spikeaerospace[20]

Spike Aerospace aún no ha definido los motores que utilizará el S-512, pero prevé dos motores de 20.000 lbs, lo que permitirá una velocidad de crucero de Mach 1.6 y un alcance máximo de 6.200 NM.

Por su parte, Virgin Galactic[21] presentó el diseño de su avión supersónico Mach 3, siendo el origen de su nombre la velocidad que desarrollará propulsado por motores Rolls-Royce.

La aeronave volaría a unos 3.700 km/h y alcanzaría una altura de 60.000 pies, por lo que podría ir de Londres a Nueva York en 90 minutos. Este avión tendría una capacidad de 9 a 19 personas, y el diseño de la cabina podrá personalizarse de acuerdo a las necesidades de cada cliente, incluidos los arreglos de los asientos Business o First Class.


Imagen: Mach 3. Fuente: virgingalactic[22]

Los rusos también quieren participar de esta carrera con su SBT - jet de negocios supersónico, desarrollado por la empresa Tupolev Company, una afiliada de United Aircraft Corporation, que apunta al mercado de ejecutivos de negocios, funcionarios gubernamentales de alto nivel y todos los que ven el tiempo como la prioridad absoluta[23].

Imagen: Uno de los bocetos del avión supersónico ruso. Fuente: Instituto Zhukovsky[24]

Esta aeronave podría transportar 30 pasajeros a una distancia de hasta 8.000 km, a una velocidad supersónica de hasta Mach 2. El diseño de SBJ sugerido debería tener un nivel más bajo del boom sónico.

Posterior a este proyecto, prevé el desarrollo de aviones más rápidos con una capacidad de 30 a 50 pasajeros y una velocidad de hasta Mach 2.

[1] https://www.bbc.com/mundo/especial/vert_fut/2016/04/160330_vert_tecnologia_concorde_eeuu_nunca_volo_yv [2] https://www.secretprojects.co.uk/threads/us-supersonic-transport-sst-program-1960-1971.483/page-22 [3] https://www.secretprojects.co.uk/threads/lockheed-l-2000-7-sst.34757/ [4] https://elpais.com/elpais/2018/07/18/icon/1531926351_762173.html [5] https://www.dw.com/es/el-concorde-a-50-a%C3%B1os-de-su-vuelo-inaugural/g-47731733 [6] Andreas Parsch y Aleksey V. Martynov (2008). «Designations of Soviet and Russian Military Aircraft and Missiles - Transports» [7] https://www.bbc.com/mundo/noticias-44914372 [8] https://nmas1.org/news/2019/09/30/nasa-x-59-quesst-supersonico-sil [9] https://www.lockheedmartin.com/en-us/news/features/2020/shaping-x59-quesst.html [10] https://www.bbc.com/mundo/noticias-44914372 [11] https://www.nasa.gov/aeroresearch/nasa-marks-continued-progress-on-x-59 [12] https://www.cerodosbe.com/es/transportes/aerolineas/la-nasa-x59-avion-supersonico-y-silencioso_20071866_102.html [13] https://boomsupersonic.com/xb-1 [14] https://boomsupersonic.com/overture [15] https://www.expansion.com/fueradeserie/motor/2020/03/16/5e664311e5fdea79128b458a.html [16] https://www.transponder1200.com/boom-supersonic-recibe-contrato-para-crear-un-air-force-one-supersonico/ [17] https://www.aerionsupersonic.com/as2 [18] https://fly-news.es/aviacion-comercial/aviones/aviones-corporativos/aernnova-desarrollara-fuselaje-central-nuevo-avion-supersonico-aerion-as2/ [19] https://www.aerospace-technology.com/projects/spike-s-512-supersonic-business-jet/ [20] https://www.spikeaerospace.com/s-512-supersonic-jet [21] https://www.forbes.com.mx/forbes-life/viaje-avion-supersonico-virgin-galactic/ [22] https://www.virgingalactic.com/articles/virgin-galactic-unveils-mach-3-aircraft-design-for-high-speed-travel-and-signs-memorandum-of-understanding-with-rolls-royce/ [23] https://www.ruaviation.com/news/2020/6/23/15175/ [24] https://www.cerodosbe.com/es/transportes/aerolineas/rusia-busca-la-revancha-con-su-nuevo-avion-supersonico_20075127_102.html

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