Supersonisch luchtverkeer laat nog even op zich wachten

Het supersonisch luchtverkeer kan begin volgend jaar zijn vijfentwintigjarig jubileum vieren. Op 31 december 1968 vloog het prototype van de Russische Tupolev Tu-144 voor het eerst. Twee maanden later, op 2 maart 1969, maakte het prototype van de Concorde haar eerste vlucht. Sindsdien is het kwakkelen geweest met snelle luchtvervoer. De Tu-144 heeft slechts drie jaar operationeel gevlogen. De Concorde vliegt sinds 1976 lijnvluchten en maakt daarbij winst. Maar dat is alleen mogelijk doordat de Britse en Franse overheden de ontwikkelingskosten van 3.160 miljoen dollar voor hun rekening namen.

Ondanks deze droevige staat van dienst zijn de belangrijkste producenten van verkeersvliegtuigen druk in de weer met de volgende generatie supersonische vliegtuigen. Boeing, McDonnell Douglas, British Aerospace, Aérospatiale en DASA vormen de kern van een internationale studiegroep. Italiaanse en Japanse bedrijven zijn er ook in vertegenwoordigd.

De groep bestudeert alle aspecten van het supersonisch luchtverkeer, waaronder de noodzakelijke technologie, milieu-effecten en vraag van luchtvaartmaatschappijen naar zo'n toestel. Er bestaat een grote mate van consensus over de prestaties, die het toestel moet kunnen leveren. Het moet in staat zijn 250 tot 300 passagiers te vervoeren over een afstand van 12.000 kilometer. De maximumsnelheid moet liggen tussen Mach 2,05 en Mach 2,5 (2180 tot 2660 km/h).

Het grote vliegbereik is noodzakelijk om non-stop van bijvoorbeeld West-Europa of de Verenigde Staten naar Japan te vliegen. De tijdwinst zal groot zijn. Nu duurt een vlucht van Los Angeles naar Tokio tien uur en twintig minuten. Dat wordt met de Concorde-opvolger teruggebracht tot vier uur en twintig minuten.

Dure droom

Jagen de fabrikanten met het supersonische verkeersvliegtuig een dure droom na, net als dertig jaar geleden? Of behoort een dergelijk toestel nu wel tot de reële mogelijkheden? De voorlopige conclusie luidt, dat een supersonisch verkeersvliegtuig haalbaar is. Er moeten nog vele technologische obstakels worden geslecht. Maar de wijze waarop dat gebeuren moet, is vrij goed bekend. Verder lijkt het toestel goed verkoopbaar. Naar schatting kunnen er vijfhonderd tot duizend verkocht worden.

Of dergelijke aantallen reëel zijn of niet, de luchtvaartindustrie heeft haar zinnen gezet op deze toestellen. Daniel Goldin, directeur van het Amerikaanse lucht- en ruimtevaartinstituut NASA, drukte het als volgt uit. "Het hogesnelheidsonderzoek is NASA's belangrijkste prioriteit op het gebied van luchtvaart."

Behalve de prestaties zijn er globaal vier eisen, waaraan het vliegtuig moet voldoen. Het geluidsniveau van de motoren mag niet hoger zijn, dan dat van de huidige generatie verkeersvliegtuigen. Verder mag er weinig of geen geluidsoverlast optreden ten gevolge van de "sonic boom', de knal die ontstaat doordat het toestel sneller vliegt dan het geluid. Ook de uitstoot van schadelijke verbrandingsgassen moet laag zijn. Tot slot moet het toestel betaalbaar zijn voor de luchtvaartmaatschappijen.

De sleutel tot lage niveaus van zowel geluid als emissie is de zogenaamde variable cycle engine of VCE. De term variabel slaat hierbij op de verhouding tussen de hoeveelheid lucht die de verbrandingskamers passeert, en de luchtstroom die hierlangs geleid wordt. Deze verhouding wordt beïnvloed door kleppen.

Het gebulder van een straalmotor wordt veroorzaakt door de botsing van de snel bewegende hete lucht, die uit de straalpijp komt, met de omringende lucht. Dit mechanisme treedt bij iedere straalmotor op. Het kan verminderd worden, door de hete lucht uit de verbrandingskamers te mengen met lucht, die daar omheen geleid is. Hoe groter deze "bypass'-luchtstroom is ten opzichte van de stroom verbrandingsgassen, hoe stiller de motor. Bovendien neemt door deze techniek de stuwkracht toe.

Tijdens de subsonische fase van de vlucht, het opstijgen en klimmen naar kruishoogte, moet het geluidsniveau zo laag mogelijk zijn. Dus moeten de motoren in deze fase een grote bypass-verhouding hebben. Het nadeel hiervan is, dat de bypass-luchtstroom een te lage snelheid heeft, om een vliegtuig met Mach 2 voort te stuwen. Dat kan alleen met de snelle uitstroomsnelheid van de verbrandingsgassen. Vandaar dat de Concorde geen bypass-motoren heeft.

Bij supersonisch vliegen wordt alle lucht dus door de verbrandingskamers geleid. De enorme herrie is nu geen probleem. Op de grond is daarvan niets te merken, als het vliegtuig op een kruishoogte van vijftien tot twintig kilometer zit.

Stikstofoxyden

Een andere kwestie is de uitstoot van schadelijke stoffen. Bij de verbranding van kerosine ontstaan water en kooldioxyde. Daarnaast worden voornamelijk stikstofoxyden gevormd. De laatste dragen bij tot zure regen en vermoedelijk ook tot aantasting van de ozonlaag. Als de uitstoot van deze stoffen niet tot het uiterste teruggebracht wordt, is het supersonische verkeersvliegtuig maatschappelijk onacceptabel.

Het probleem van supersonische verkeersvliegtuigen is, dat hun kruishoogte precies in de ozonlaag ligt. Deze toestellen hebben daarom een groter schadelijk effect op deze laag, dan subsonische toestellen, die lager vliegen. Hoe groot het schadelijk effect precies is, kan momenteel slechts bij benadering worden aangegeven.

Volgens Louis Williams, directeur van het hogesnelheids-onderzoek bij NASA, valt het effect op de ozonlaag enorm mee. "Volgens de huidige inzichten bedraagt de vermindering van ozon door 600 supersonische verkeersvliegtuigen minder dan één procent."

Supersonisch vliegen kan niet zonder dat op de grond een knal te horen is, als het toestel passeert. Deze knal wordt veroorzaakt door de zeer snelle toename van de luchtdruk als de moleculen het vliegtuig raken. De grootte van de drukgolf is een functie van onder andere snelheid, afmetingen en vorm van het vliegtuig. De eerste twee factoren staan min of meer vast. In theorie bestaat de mogelijkheid een vliegtuig zo te vormen, dat de supersonische drukgolf beperkt blijft. Er is echter geen manier bekend om op grond van deze theorie een bruikbaar vliegtuig te bouwen.

Het is wel mogelijk een vliegtuig te bouwen, dat zowel bij Mach 2 tot 2,5 als bij Mach 0,9 efficiënt met brandstof omspringt. Daardoor kan zonder bezwaar subsonisch boven land worden gevlogen. Het probleem van de schokgolven wordt daarmee omzeild. Daar de meeste routes over de oceanen zullen lopen, is het geen bezwaar om boven land onder de geluidssnelheid te blijven.

Supersonisch ticket

Tenslotte is er de prijs, die de passagier voor een "supersonisch ticket' gaat betalen. Deze mag niet hoger zijn, dan de huidige prijzen. Anders gezegd: Ze moeten ongeveer éénzevende bedragen van de prijs van een Concorde-ticket. De vraag is of hierdoor de ontwikkelkosten terugverdiend kunnen worden.

Gelukkig voor de vliegtuigbouwers is er veel veranderd sinds de Concorde. Nieuwe materialen op basis van kunststoffen en metalen komen beschikbaar. Hierdoor kunnen supersonische vliegtuigen veel lichter worden, dan met het traditionele aluminium mogelijk zou zijn. Verder zijn er momenteel krachtige computers en software beschikbaar, waarmee de beste aërodynamische vormgeving bepaald kan worden.

De ontwikkeling van straalmotoren ondergaat thans min of meer een revolutie. Het Amerikaanse Department of Defense heeft in samenwerking met de Amerikaanse producenten van straalmotoren het IHPTET opgezet. Dit staat voor Integrated High Performance Turbine Engine Technology.

De bedoeling van dit programma is om tussen 1993 en 2003 de verhouding tussen gewicht en stuwkracht te verdubbelen en het specifieke brandstofgebruik met veertig procent te verlagen. IHPTET is gericht op turbinemotoren voor militaire vliegtuigen en helikopters. De resultaten zijn echter ook toepasbaar in motoren voor civiele toestellen, waaronder de supersonische.

Met de technologie die thans in ontwikkeling is, komt het supersonische verkeersvliegtuig binnen het bereik van luchtvaartmaatschappijen. Het ziet er dan ook naar uit dat sneller vliegen dan het geluid over een jaar of vijftien niet meer is voorbehouden aan straaljagerpiloten en zij die een Concorde-ticket kunnen betalen. De modale reiziger krijgt daartoe ook de kans. Misschien wordt het supersonisch luchtverkeer dan toch nog eens volwassen.

Supersonisch bouwpakket

Het komt niet vaak voor dat een vliegtuigbouwer een geheel nieuwe vliegtuig-categorie schept. De Bede Jet Corporation uit het Amerikaanse Chesterfield is daar echter in geslaagd. Dit bedrijf ontwikkelt momenteel een supersonisch sportvliegtuig voor twee personen.

Deze BD-10 maakte op 8 juli 1992 zijn eerste vlucht en wordt momenteel uitvoerig getest. In de loop van 1994 wordt de eerste poging ondernomen om daadwerkelijk door de geluidsmuur te breken. Of het toestel daartoe in staat is, is dus nog niet bewezen.

De BD-10 heeft echter alles in zich de droom waar te maken. Het toestel ziet eruit als een straaljager en lijkt in de verte op een F-16 of Mig-29. Wat vooral opvalt is de grote "canopy', waaronder twee personen achter elkaar plaats kunnen nemen. De lengte bedraagt slechts 8,79 meter; het maximum startgewicht is 1880 kg.

Ondanks deze geringe waarden ligt de maximum snelheid op ongeveer 1,4 maal de geluidssnelheid (1490 km/h). Dat maakt de BD-10 het snelste civiele vliegtuig na de Concorde. Deze formidabele snelheid is te danken aan de General Electric CJ-610. Deze straalmotor is eigenlijk te groot voor de lichte BD-10. Daardoor kan de motor tijdens de kruisvlucht niet met optimale efficiëntie draaien. Het voordeel is natuurlijk de enorme snelheid.

Goedkoop is de BD-10 niet te noemen. Kaal komt de prijs op 225.000 dollar. Met de motor en elektronische uitrusting erbij moet al snel een half miljoen dollar neergeteld worden. Voor dat bedrag krijgt de koper een bouwpakket. Door de bank genomen zal de eigenaar een jaar bezig zijn om de BD-10 te assembleren.

Hoe de BD-10 zich zal verhouden tot de Cessna's en Pipers, die nu de dienst in de sportvliegerij uitmaken, is nog een open vraag. Qua prestaties staat de BD-10 dichter bij een Jumbo Jet of F-16. In praktijk kunnen waarschijnlijk alleen piloten met ervaring op dergelijke toestellen de BD-10 vliegen. Voor veel geluidsoverlast hoeven we dus niet zo bang te zijn. Bovendien, sneller vliegen dan het geluid mag alleen hoog boven de Noordzee.

    • Jan van den Berg