Überschall-Business-Jet-Reisen: Als Gulfstream und die NASA Überschallknalle erforschten

Quiet Spike war ein Joint-Venture-Forschungsprogramm zwischen Gulfstream Aerospace und dem Dryden Flight Research Center der NASA. Die beiden Partner untersuchten gemeinsam die Unterdrückung von Überschallknallen, die mit Stoßwellen verbunden sind, die bei einem Überschall-Kreuzfahrtflug erzeugt werden.

Überschallknalle erzeugen große Mengen an Schallenergie und können kleine Strukturen beschädigen. Die kontinuierlichen Auswirkungen von Schallwellen treffen auf Positionierer in bestimmten Bereichen, die sich in Form eines Kegels hinter dem auslegererzeugenden Flugzeug befinden. Über besiedelten Regionen entstehende Überschallknalle können durch Lärm das Wohlbefinden der Menschen beeinträchtigen.

Zwar gibt es einen Markt für Überschall-Businessjets, doch die Vorschriften der Federal Aviation Administration (FAA) verbieten es Verkehrsflugzeugen, über besiedelten Gebieten Überschallknalle zu verursachen. Das Projekt „Quiet Spike“ zielte darauf ab, den Überschallknall von Überschallflugzeugen zu dämpfen oder abzumildern, um die Entwicklung einer neuen Generation ziviler Überschallflugzeuge zu ermöglichen.

Der stille Spike

Das Programmziel

Heutige Kreuzfahrtgeschwindigkeit für Geschäftsflugzeuge	Zukünftiger Überschall-Kreuzfahrt-Businessjet
Mach 0.85	Mach 1.8

Umweltaspekte	Zukunftsvision
Boom-Überdruck	Akzeptabel für Überschallflüge über Land
Startemissionen	ICAO-Grenzwerte mit einer Marge
Kreuzfahrtemissionen	Minimale Auswirkungen
Flughafenlärm	Stufe 4 mit mindestens 10 dB Spielraum

Das Quiet Spike-Programm umfasste eine spezielle Nasenkegelverkleidung, die am vorderen Rumpf eines F-15B-Flugzeugs befestigt wurde. Ziel war die Entwicklung einer Technologie, die Überschalltransportflüge (über Mach 1) in überbevölkerten Gebieten ermöglicht.

Foto:NASA/Carla Thomas | Wikimedia Commons

Primäre Ausrüstung und Mechanismus

• Eine sechs Fuß lange Nasenkegelverkleidung
• Ein ausziehbarer Spike
  • Länge eingefahren: 14,15 Fuß
  • Länge verlängert: 24,31 Fuß
  • Gewicht: 450 Pfund
  • Anhang: Vorderer Rumpf der F-15B am Radarstützschott
• Ein elektrisch betriebenes Kabel und eine Rolle

EntsprechendBericht der NASA,

„Quiet SpikeTM ist ein technologisches Konzept, das von der Gulfstream Aerospace Corporation (GAC) (Savannah, Georgia) als Methode zur Abschwächung des Überschallknalls für Überschallflugzeuge in Business-Jet-Größe entwickelt wurde, indem die Stoßwelle über einen Teleskopdorn, der sich von der Vorderseite eines Flugzeugs erstreckt, in eine Reihe kleinerer Stoßwellen abgeschwächt wird.“

„Das Hauptziel des Programms bestand darin, Flugdaten zu sammeln, um das Spike-Strukturdynamik- und Lastmodell bis Mach 1,8 zu verifizieren und die technische Machbarkeit eines Morphing-Rumpfes zu validieren.“

Mehr Lektüre:NASA und Lockheed Martin stellen den Überschalljet X-59 vor

Messung und Mechanismus

Gulfstream Aerospace und das Dryden Flight Research Center (DFRC) haben gemeinsam die Halbversion des ausziehbaren Spikes entworfen und an der Nase eines NASA DFRC-15B befestigt. Es wurden Boden- und Flugtests durchgeführt und Flugdaten vor und nach dem Flug gesammelt. Flugtests wurden innerhalb eines begrenzten Flugbereichs bis Mach 1,8 durchgeführt.

Foto:NASA/Carla Thomas | Wikimedia Commons

Das DFRC führte Luftdatenkalibrierung, aeroservoelastisches Spiel, Strukturdynamik, Aerodynamik sowie Stabilität und Kontrolle durch. Die Behörden führten außerdem eine CFD-Modellierung (Computational Fluid Dynamics) des Entwurfs durch, in erster Linie, um experimentelle Ergebnisse zu überprüfen und die Auswirkungen von Spitzen auf die Flugzeugleistung abzuschätzen.

Leiser Spike-Mechanismus

• Ausziehbarer Nasendorn
• Erzeugen Sie eine Reihe schwacher Schocks
• Ausbreitung parallel zueinander
• Verwandeln Sie einen scharfen Knall in ein leises Flüstern

Der erste patentierte Quiet Spike-Flug zur Schallknallminderung fand am 22. Oktober 2006 statt und erreichte einen wichtigen Meilenstein. Dem eigentlichen Abflug gingen monatelang Bodentests mit dem mit Stacheln versehenen Nasenkegel voraus. Das NASA-Flugzeug F-15B erreichte Mach 1,2 und der Quiet Spike funktionierte wie vorgesehen.

Foto: FAA

Während des Fluges wurde die Sonde in ihre maximale Position ausgefahren und blieb für den 65-minütigen Testflug in Position. Während des gesamten Fluges wurden Flugdaten aufgezeichnet, die meisten davon in 45.000 Fuß Höhe. Der Senior Vice President für Programme, Technik und Tests bei Gulfstream, Pres Henne, zeigte sich begeistert über die Leistung, indem er erklärte:

„Die Tatsache, dass der Quiet Spike wie vorgesehen bei Überschallgeschwindigkeit funktionierte und problemlos aus- und eingefahren werden konnte, bringt uns unserem Ziel einen Schritt näher, zu sehen, ob er den Überschallknall verringert, wenn er auf einer geeigneteren Plattform montiert wird.“

Einem Überschalltransportflug einen Schritt näher kommen?

Die Federal Aviation Administration (FAA) verglich die Ergebnisse des Quiet Spike-Projekts (QSJ) mit den Drucktrends eines konventionellen Überschall-Businessjets (SBJ) und einer Concorde. Durch die Installation des Quiet Spike entsteht eine viel gleichmäßigere Druckwelle. Darüber hinaus ist die Wellenamplitude halb so groß wie bei einem Concorde-Flug, wie im Bild unten gezeigt.

Foto: FAA

Im Vergleich zu herkömmlichen und mit Stacheln versehenen Nasenkonuskonstruktionen bietet der Quiet Spike eine zusätzliche Oberfläche für die Spitze, die er erzeugen kann, was zu einer allmählichen, abgestuften Ausbreitung führt. Die Auslegersignatur wird gedämpft, bevor sie sich dem Radom und dem Zwischenflügelbereich nähert, wodurch der Lärm reduziert wird.

Schließen

Das Bild unten zeigt, dass der Quiet Spike den Boom-Geräuschpegel um über 35 dB reduzierte, verglichen mit dem 94-dB-Boom-Sound von Concorde. Der herkömmliche SBJ reduziert den Boom-Sound leicht auf 86 dB, während der Quite Spike etwa 54 dB ergibt.

Foto: FAA

Fazit

Auch wenn damit nicht alle Herausforderungen gelöst werden, die mit Überschalltransportflügen einhergehen, ist es doch ein Schritt vorwärts bei der Minimierung der Auswirkungen von Überschallknallen auf Überlandflüge. Die Untersuchung ergab, dass weitere Tests erforderlich sind, um die Auswirkungen des Luftstroms an der Stelle der Luftdatensonde und des Anstellwinkelkegels zu verstehen, da das Vorhandensein der Spitze diese beeinflussen kann.

Was denken Sie über die Schallboom-Forschungsstudie zwischen Gulfstream und der NASA? Teilen Sie Ihre Ansichten im Kommentarbereich.