Fyzika otevírá cestu letadlům, která létají desetkrát rychleji než zvuk
Představte si, že byste urazili vzdálenost mezi městem Sydney v Austrálii a Los Angeles ve Spojených státech, což je asi 12 000 kilometrů, za dobu kratší než trvání filmového maratonu, nebo že by vojenské letadlo dokázalo cestu mezi Washingtonem a Pekingem, která činí přibližně 10 000 kilometrů, zvládnout za méně než hodinu.
Tento „sen“, který se dlouho zdál být spíše vědeckofantastickou představou, se dnes díky novým výzkumům o letu při „hyperzvukových“ rychlostech blíží realitě, jak ukazuje nová studie publikovaná v časopise Nature Communications.
Tajemství vyššího Machova čísla
Vypadá to, že by bylo nemožné překonat půlku zeměkoule za pouhou hodinu, avšak technologie není tak nedostupná, jak se může zdát. Některá vojenská letadla již dosahují rychlostí odpovídajících Mach 2 nebo Mach 3, avšak dosažení Mach 10 vyžaduje překonání obrovských výzev, z nichž ta největší je extrémní teplota.
Mach je měřítko rychlosti založené na rychlosti zvuku; když říkáme „Mach 1“, znamená to, že se pohybujeme rychlostí, která odpovídá rychlosti zvuku, což je přibližně 1235 kilometrů za hodinu na úrovni mořské hladiny. „Mach 2“ je dvojnásobek rychlosti zvuku (přibližně 2470 kilometrů za hodinu), „Mach 6“ znamená šestinásobek rychlosti zvuku (přibližně 7410 kilometrů za hodinu) a „Mach 10“ překonává 12 000 kilometrů za hodinu. Při těchto rychlostech se vzduch před letadlem mění na plazmu kvůli teplu vznikajícímu třením.
Kromě toho se chování vzduchu dramaticky mění, jakmile rychlost vzrůstá; při nižších rychlostech zůstává vzduch téměř „nekomprimovatelný“, čímž zůstává jeho hustota konstantní. Avšak blízko rychlosti zvuku a nad ní se vzduch stává komprimovatelným, což znamená, že jeho hustota a teplota se mění v závislosti na tlaku, což narušuje výpočty vztlaku, odporu a tahu.
Hypotéza Morkovina
Jednou z velkých výzev v tomto oboru byla problémová přizpůsobivost vzduchových turbulencí při zvyšování rychlosti, která je často nepředvídatelná. Nicméně přišla překvapující odpověď z dávné hypotézy, která sahá do poloviny 20. století, nazývané „hypotéza Morkovina“, která tvrdí, že vzduchové turbulence při velmi vysokých rychlostech, jako Mach 5 nebo Mach 6, nejsou zásadně odlišné od turbulencí vzduchu při nižších rychlostech.
Pokud by se tato myšlenka prokázala jako pravdivá, znamenalo by to, že není potřeba zcela nová teorie pro pochopení vzduchových turbulencí a že by mohly být použity tradiční principy aerodynamiky s pouze drobnými úpravami. To by usnadnilo návrh letadel, která dosahují Mach 10, ale vždy byl problém, že neexistovaly silné experimenty, které by to jednoznačně dokázaly.
Doložení hypotézy
Tady přišla nová studie, vedená výzkumníky z Stevens Institute of Technology v USA, kteří vstříkli kryptonový plyn do větrného tunelu při rychlosti Mach 6 a použili lasery ke změně plynu na svítící řetězec ionizovaných atomů. Poté zaznamenali, jak se tato linie kroutí a odchyluje pomocí vysoce přesných kamer, které monitorovaly detaily turbulence okamžik po okamžiku, což připomíná sledování listu plovoucího na malých vírech v řece.
Výsledky naznačily, že při Mach 6 se chování turbulencí zdálo být velmi blízké chování při nižších rychlostech, což je silný signál pro pravdivost hypotézy Morkovina. Tento standard otevírá dveře k vývoji letadel (jak komerčních, tak vojenských); namísto neuskutečnitelných výpočtů vzduchových turbulencí, které vyžadovaly obrovské počítače, lze nyní modely zjednodušit a používat rovnice podobné těm, které se používají pro tradiční letadla.
Od komerčního do vojenského létání
To znamená schopnost vyvíjet letadla snáze, a výzkumníci naznačují, že hyperzvukový let by mohl v blízké budoucnosti být využit i pro cestování do vesmíru bez raket. To bezpochyby ovlivní globální dopravu, možná ne již zítra, ale nová studie přibližuje tuto možnost blíže, protože pochopení vzduchových turbulencí při Mach 6 bylo jednou z největších vědeckých překážek a pokud se hypotéza Morkovina plně prokáže, cesta k nové generaci letadel, která „zkracují svět“, bude otevřená.
To se také týká vojenských letadel, protože se také zabývají stejným typem proudění vzduchu a turbulencí, čímž se otevírá možnost rychlejšího vojenského létání, avšak studie se nezabývá návrhem běžného komerčního nebo vojenského letadla, ale představuje základní výzkum přírody turbulence.
