Transporte supersónico

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Un avión de transporte supersónico ( SST ) o avión de pasajeros supersónico es una aeronave supersónica civil diseñada para transportar pasajeros a velocidades superiores a la velocidad del sonido . Hasta la fecha, los únicos SST que han tenido servicio regular han sido el Concorde y el Tupolev Tu-144 . El último vuelo de pasajeros del Tu-144 fue en junio de 1978 y su último vuelo fue en 1999 por la NASA . El último vuelo comercial del Concorde fue en octubre de 2003, y su última operación en el aire fue un vuelo de transbordador el 26 de noviembre de 2003 .

Tras el cese definitivo de los vuelos del Concorde, ya no quedan más aviones supersónicos en servicio comercial. Sin embargo, varias compañías han propuesto un avión comercial supersónico , un avión pequeño con un menor impacto medioambiental y mejorado con tecnologías modernas, que podría hacer que el transporte supersónico volviera a funcionar.

Los aviones supersónicos han sido objeto de numerosos estudios de diseño recientes ^{[ ¿cuándo? ] en curso. Los inconvenientes y desafíos de diseño son la generación excesiva de ruido (en el despegue y debido a} las explosiones sónicas durante el vuelo), los altos costos de desarrollo, los materiales de construcción costosos, el alto consumo de combustible, las emisiones extremadamente altas y un mayor costo por asiento en comparación con los aviones subsónicos. Sin embargo, a pesar de estos desafíos, Concorde afirmó que operaba de manera rentable. ^[1]

Durante la década de 1950, un SST parecía posible desde un punto de vista técnico, pero no estaba claro si podría hacerse económicamente viable. Debido a las diferencias en la generación de sustentación , las aeronaves que operan a velocidades supersónicas tienen aproximadamente la mitad de la relación sustentación-resistencia de las aeronaves subsónicas. Esto implica que para cualquier cantidad dada de sustentación requerida, la aeronave tendrá que proporcionar aproximadamente el doble de empuje, lo que lleva a un consumo considerablemente mayor de combustible. Este efecto es pronunciado a velocidades cercanas a la velocidad del sonido, ya que la aeronave está utilizando el doble de empuje para viajar aproximadamente a la misma velocidad. El efecto relativo se reduce a medida que la aeronave acelera a velocidades más altas. Para compensar este aumento en el consumo de combustible estaba la posibilidad de aumentar enormemente las tasas de salida de la aeronave, al menos en vuelos de mediano y largo alcance donde la aeronave pasa una cantidad considerable de tiempo en crucero. Los diseños de SST que vuelan al menos tres veces más rápido que los transportes subsónicos existentes eran posibles y, por lo tanto, podrían reemplazar hasta tres aviones en servicio y, por lo tanto, reducir los costos en términos de mano de obra y mantenimiento.

El trabajo serio en los diseños de SST comenzó a mediados de la década de 1950, cuando la primera generación de aviones de combate supersónicos entró en servicio. En Gran Bretaña y Francia, los programas SST subsidiados por el gobierno rápidamente se establecieron en el ala delta en la mayoría de los estudios, incluidos el Sud Aviation Super-Caravelle y el Bristol Type 223 , aunque Armstrong-Whitworth propuso un diseño más radical, el Mach 1.2 M-Wing . Avro Canada propuso varios diseños a TWA que incluían un ala de doble ogee Mach 1.6 y un ala delta Mach 1.2 con cola separada y cuatro configuraciones de motor debajo del ala. El equipo de Avro se mudó al Reino Unido, donde su diseño formó la base de los diseños de Hawker Siddeley . ^[2] A principios de la década de 1960, los diseños habían progresado hasta el punto en que se dio el visto bueno para la producción, pero los costos eran tan altos que Bristol Aeroplane Company y Sud Aviation finalmente fusionaron sus esfuerzos en 1962 para producir el Concorde.

A principios de los años 1960, varios ejecutivos de empresas aeroespaciales estadounidenses le decían al público y al Congreso de Estados Unidos que no había razones técnicas para que no se pudiera producir un SST. En abril de 1960, Burt C. Monesmith, vicepresidente de Lockheed , declaró a varias revistas que se podría desarrollar un SST construido en acero que pesara 250.000 libras (110.000 kg) por 160 millones de dólares y que en lotes de producción de 200 o más se vendían por alrededor de 9 millones de dólares. ^[3] Pero fue el desarrollo anglo-francés del Concorde lo que desató el pánico en la industria estadounidense, donde se pensaba que el Concorde pronto reemplazaría a todos los demás diseños de largo alcance, especialmente después de que Pan Am contratara opciones de compra del Concorde. El Congreso pronto financió un esfuerzo de diseño de SST, seleccionando los diseños existentes Lockheed L-2000 y Boeing 2707 , para producir un diseño aún más avanzado, más grande, más rápido y de mayor alcance. Finalmente, se seleccionó el diseño del Boeing 2707 para continuar con los trabajos, con el objetivo de transportar a unos 300 pasajeros y tener una velocidad de crucero cercana a Mach 3. La Unión Soviética se propuso producir su propio diseño, el Tu-144 , al que la prensa occidental apodó "Concordski". ^{[ cita requerida ]}

El SST fue visto como particularmente ofensivo debido a su estampido sónico y el potencial de que el escape de su motor dañara la capa de ozono . Ambos problemas impactaron el pensamiento de los legisladores y, finalmente, el Congreso abandonó la financiación del programa SST de EE. UU. en marzo de 1971, ^{[4] [5] [6] [7] [8]} y se prohibieron todos los vuelos supersónicos comerciales sobre tierra en los EE. UU. ^[9] El asesor presidencial Russell Train advirtió que una flota de 500 SST volando a 65.000 pies (20 km) durante un período de años podría aumentar el contenido de agua estratosférica hasta en un 50% a 100%. Según Train, esto podría conducir a un mayor calor a nivel del suelo y obstaculizar la formación de ozono . ^[10] En relación con el agua estratosférica y su potencial para aumentar las temperaturas del suelo, aunque no se menciona al Concorde como la fuente de la "reciente disminución del vapor de agua desconocida", en 2010 la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica señaló que los niveles de vapor de agua estratosférico en las décadas de 1980 y 1990 fueron más altos que en la década de 2000, en aproximadamente un 10%, y Susan Solomon de la NOAA calculó que es este cambio el responsable de la desaceleración del aumento de las temperaturas de la superficie debido al calentamiento global en aproximadamente un 25 por ciento en comparación con la tasa de calentamiento en la década de 1990. [ ^11]

Más tarde, se planteó la hipótesis de una amenaza adicional para el ozono como resultado de los óxidos de nitrógeno del escape , una amenaza que, en 1974, aparentemente fue validada por un equipo del MIT encargado por el Departamento de Transporte de los Estados Unidos . ^[12] Sin embargo, mientras que muchos modelos puramente teóricos indicaban el potencial de grandes pérdidas de ozono por los óxidos de nitrógeno ( NOx ) de la SST, otros científicos en el artículo " Nitrogen Oxides, Nuclear Weapon Testing , Concorde and Stratospheric Ozone " recurrieron al monitoreo histórico del ozono y a las pruebas nucleares atmosféricas para servir como guía y medio de comparación, observando que no era evidente ninguna pérdida detectable de ozono a partir de aproximadamente 213 megatones de energía explosiva liberados en 1962, por lo que, por lo tanto, la cantidad equivalente de NOx de "1047" Concordes volando "10 horas al día", tampoco sería algo sin precedentes. ^[13] En 1981, los modelos y las observaciones todavía eran irreconciliables. ^[14] Modelos informáticos más recientes de 1995 realizados por David W. Fahey, un científico atmosférico de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica , y otros, sugieren que la caída del ozono sería, como máximo, "no más" del 1 al 2% si se operara una flota de 500 aviones supersónicos. ^{[15] [16]} Fahey expresó que esto no sería un obstáculo fatal para un desarrollo avanzado de la TSM – mientras que "una gran señal de alerta... [no] debería ser un impedimento para el desarrollo avanzado de la TSM" porque "eliminar el azufre del combustible del [Concorde]" eliminaría esencialmente la vía de reacción de destrucción del ozono hipotética del 1% al 2%. ^[17]

A pesar de la discrepancia entre los modelos y las observaciones en torno a la preocupación por el ozono, a mediados de la década de 1970, seis años después de su primer vuelo de prueba supersónico, ^[18] el Concorde ya estaba listo para el servicio. La protesta política en Estados Unidos fue tan fuerte que Nueva York prohibió el avión. Esto amenazó las perspectivas económicas del avión, que había sido construido con la ruta Londres-Nueva York en mente. El avión fue autorizado a volar a Washington, DC (en Dulles , Virginia ), y el servicio fue tan popular que los neoyorquinos pronto comenzaron a quejarse porque no lo tenían. No pasó mucho tiempo antes de que el Concorde volara a JFK .

Junto con las cambiantes consideraciones políticas, el público aviador siguió mostrando interés en las travesías oceánicas a alta velocidad. Esto dio inicio a estudios de diseño adicionales en los EE. UU., bajo el nombre de "AST" (Advanced Supersonic Transport). El SCV de Lockheed era un nuevo diseño para esta categoría, mientras que Boeing continuó los estudios con el 2707 como base.

En ese momento, la rentabilidad de los conceptos anteriores de SST ya no era razonable. Cuando se diseñaron por primera vez, se pensó que los SST competirían con aviones de largo alcance con capacidad para entre 80 y 100 pasajeros, como el Boeing 707 , pero con aviones más nuevos, como el Boeing 747, que transportaban cuatro veces esa capacidad, las ventajas de velocidad y combustible del concepto de SST se vieron eliminadas por su gran tamaño.

Otro problema era que el amplio rango de velocidades en el que opera un SST hace que sea difícil mejorar los motores. Si bien los motores subsónicos habían logrado grandes avances en cuanto a una mayor eficiencia durante la década de 1960 con la introducción del motor de turbofán con relaciones de derivación cada vez mayores , el concepto de ventilador es difícil de usar a velocidades supersónicas donde la derivación "adecuada" es de aproximadamente 0,45, ^[19] en comparación con 2,0 o más para los diseños subsónicos. Por ambas razones, los diseños SST estaban condenados al fracaso por los mayores costos operativos, y los programas AST desaparecieron a principios de la década de 1980.

El Concorde sólo se vendió a British Airways y Air France, con compras subvencionadas que debían devolver el 80% de los beneficios al gobierno. En la práctica, durante casi todo el período de vigencia del acuerdo, no hubo beneficios que compartir. Tras la privatización del Concorde, las medidas de reducción de costes (en particular, el cierre del centro de pruebas de alas metalúrgicas, que había realizado suficientes ciclos de temperatura para validar el avión hasta 2010) y los aumentos de los precios de los billetes generaron beneficios sustanciales.

Desde que el Concorde dejó de volar, se ha revelado que durante su vida útil, el avión resultó rentable, al menos para British Airways. Los costos operativos del Concorde durante casi 28 años de operación fueron de aproximadamente £1 mil millones, con ingresos de £1,75 mil millones. ^[20]

El 25 de julio de 2000, el vuelo 4590 de Air France se estrelló poco después del despegue y murieron los 109 ocupantes y cuatro personas que se encontraban en tierra; fue el único incidente mortal en el que estuvo involucrado un Concorde . El servicio comercial se suspendió hasta noviembre de 2001 y los aviones Concorde se retiraron de circulación en 2003 después de 27 años de operaciones comerciales.

Los últimos vuelos regulares de pasajeros aterrizaron en el aeropuerto de Heathrow de Londres el 24 de octubre de 2003, procedentes de Nueva York , un segundo vuelo desde Edimburgo y un tercero que había despegado de Heathrow en un vuelo circular sobre el Golfo de Vizcaya . ^[21]

A finales del siglo XX, proyectos como el Tupolev Tu-244 , Tupolev Tu-344 , SAI Quiet Supersonic Transport , Sukhoi-Gulfstream S-21 , High Speed ​​Civil Transport , etc. aún no se habían realizado.

En todos los vehículos que se desplazan por el aire, la fuerza de arrastre es proporcional al coeficiente de arrastre ( C _d ), al cuadrado de la velocidad aerodinámica y a la densidad del aire. Dado que el arrastre aumenta rápidamente con la velocidad, una prioridad clave del diseño de aeronaves supersónicas es minimizar esta fuerza reduciendo el coeficiente de arrastre. Esto da lugar a las formas altamente aerodinámicas de los SST. Hasta cierto punto, las aeronaves supersónicas también gestionan el arrastre volando a altitudes mayores que las aeronaves subsónicas, donde la densidad del aire es menor.

A medida que las velocidades se acercan a la velocidad del sonido, aparece el fenómeno adicional de la resistencia de las olas . Se trata de una forma potente de resistencia que comienza a velocidades transónicas (alrededor de Mach 0,88 ). Alrededor de Mach 1, el coeficiente máximo de resistencia es cuatro veces el de la resistencia subsónica. Por encima del rango transónico, el coeficiente vuelve a caer drásticamente, aunque sigue siendo un 20% más alto a Mach 2,5 que a velocidades subsónicas. Los aviones supersónicos deben tener considerablemente más potencia que los aviones subsónicos para superar esta resistencia de las olas, y aunque el rendimiento de crucero por encima de la velocidad transónica es más eficiente, sigue siendo menos eficiente que volar a velocidades subsónicas.

Otro problema en el vuelo supersónico es la relación sustentación-resistencia (relación L/D) de las alas. A velocidades supersónicas, los perfiles aerodinámicos generan sustentación de una manera completamente diferente que a velocidades subsónicas, y son invariablemente menos eficientes. Por esta razón, se ha dedicado mucha investigación al diseño de planos de alas para un crucero supersónico sostenido. A aproximadamente Mach 2, un diseño de ala típico reducirá su relación L/D a la mitad (por ejemplo, el Concorde logró una relación de 7,14, mientras que el Boeing 747 subsónico tiene una relación L/D de 17). ^[22] Debido a que el diseño de un avión debe proporcionar suficiente sustentación para superar su propio peso, una reducción de su relación L/D a velocidades supersónicas requiere un empuje adicional para mantener su velocidad aerodinámica y altitud.

El diseño de los motores a reacción varía significativamente entre los aviones supersónicos y los subsónicos. Los motores a reacción, como clase, pueden proporcionar una mayor eficiencia de combustible a velocidades supersónicas, aunque su consumo específico de combustible es mayor a velocidades más altas. Debido a que su velocidad sobre el suelo es mayor, esta disminución de la eficiencia es menos que proporcional a la velocidad hasta muy por encima de Mach 2, y el consumo por unidad de distancia es menor.

Cuando Aérospatiale – BAC estaba diseñando el Concorde , los motores a reacción de alto bypass (motores " turbofán ") aún no se habían instalado en aviones subsónicos. Si el Concorde hubiera entrado en servicio frente a diseños anteriores como el Boeing 707 o el De Havilland Comet , habría sido mucho más competitivo, aunque el 707 y el DC-8 todavía transportaban más pasajeros. Cuando estos motores a reacción de alto bypass llegaron al servicio comercial en la década de 1960, los motores a reacción subsónicos se volvieron inmediatamente mucho más eficientes, acercándose a la eficiencia de los turborreactores a velocidades supersónicas. Una de las principales ventajas del SST desapareció.

Los motores de turbofán mejoran la eficiencia al aumentar la cantidad de aire frío de baja presión que aceleran, utilizando parte de la energía que normalmente se utiliza para acelerar el aire caliente en el clásico turborreactor sin derivación. La máxima expresión de este diseño es el turbohélice , donde casi todo el empuje del chorro se utiliza para impulsar un ventilador muy grande: la hélice . La curva de eficiencia del diseño del ventilador significa que la cantidad de derivación que maximiza la eficiencia general del motor es una función de la velocidad de avance, que disminuye desde las hélices, a los ventiladores, hasta la ausencia total de derivación a medida que aumenta la velocidad. Además, la gran área frontal ocupada por el ventilador de baja presión en la parte delantera del motor aumenta la resistencia, especialmente a velocidades supersónicas, y significa que las relaciones de derivación son mucho más limitadas que en los aviones subsónicos. ^[23]

Por ejemplo, el primer Tu-144S estaba equipado con un motor turbofán de bajo bypass que era mucho menos eficiente que los turborreactores del Concorde en vuelo supersónico. El posterior TU-144D tenía motores turborreactores con una eficiencia comparable. Estas limitaciones significaron que los diseños de SST no pudieron aprovechar las espectaculares mejoras en el ahorro de combustible que los motores de alto bypass trajeron al mercado subsónico, pero ya eran más eficientes que sus contrapartes de turbofán subsónico.

Las velocidades de los vehículos supersónicos exigen diseños de alas y fuselajes más estrechos y están sujetos a mayores tensiones y temperaturas. Esto conduce a problemas de aeroelasticidad , que requieren estructuras más pesadas para minimizar la flexión no deseada. Los SST también requieren una estructura mucho más fuerte (y por lo tanto más pesada) porque su fuselaje debe estar presurizado a un diferencial mayor que los aviones subsónicos, que no operan a las grandes altitudes necesarias para el vuelo supersónico. Estos factores en conjunto significaron que el peso vacío por asiento del Concorde es más de tres veces el de un Boeing 747.

Tanto el Concorde como el TU-144 se construyeron con aluminio convencional: el Concorde con Hiduminio y el TU-144 con duraluminio . Los materiales modernos y avanzados no se desarrollaron hasta varias décadas después. Estos materiales, como la fibra de carbono y el kevlar, son mucho más resistentes para su peso (importante para hacer frente a las tensiones) y, además, son más rígidos. Como el peso por asiento de la estructura es mucho mayor en un diseño SST, las mejoras estructurales habrían supuesto una mejora proporcional mayor que los mismos cambios en un avión subsónico.

Los mayores costos de combustible y la menor capacidad de pasajeros debido a la exigencia aerodinámica de un fuselaje estrecho hacen que los SST sean una forma costosa de transporte civil comercial en comparación con los aviones subsónicos. Por ejemplo, el Boeing 747 puede transportar más de tres veces más pasajeros que el Concorde mientras utiliza aproximadamente la misma cantidad de combustible.

Sin embargo, los costos de combustible no representan la mayor parte del precio de los boletos de avión para la mayoría de los aviones subsónicos. ^[26] En el mercado de negocios transatlántico para el que se utilizaban los aviones SST, el Concorde tuvo mucho éxito y pudo mantener un precio de boleto más alto. Ahora que los aviones comerciales SST han dejado de volar, ha quedado más claro que el Concorde le generó ganancias sustanciales a British Airways. ^[20]

Las velocidades extremas de los motores de los aviones Concorde y Tu-144 durante el despegue provocaron un ruido significativo durante el despegue. Las comunidades cercanas al aeropuerto se vieron afectadas por los altos niveles de ruido de los motores, lo que llevó a algunos reguladores a desaprobar esta práctica. Los motores SST necesitan un empuje específico bastante alto (empuje neto/flujo de aire) durante el crucero supersónico, para minimizar el área de la sección transversal del motor y, por lo tanto, la resistencia de la góndola . Desafortunadamente, esto implica una alta velocidad del motor, lo que hace que los motores sean ruidosos, particularmente a bajas velocidades/altitudes y durante el despegue. ^[27]

Por lo tanto, un futuro SST podría beneficiarse de un motor de ciclo variable , donde el empuje específico (y por lo tanto la velocidad del chorro y el ruido) es bajo en el despegue, pero se fuerza a aumentar durante el crucero supersónico. La transición entre los dos modos se produciría en algún momento durante el ascenso y viceversa durante el descenso (para minimizar el ruido del chorro durante la aproximación). La dificultad es idear una configuración de motor de ciclo variable que cumpla con el requisito de una sección transversal baja durante el crucero supersónico.

No se pensaba que el estampido sónico fuera un problema grave debido a las grandes altitudes a las que volaban los aviones, pero los experimentos de mediados de la década de 1960, como las controvertidas pruebas de estampido sónico en Oklahoma City y los estudios del North American XB-70 Valkyrie de la USAF, demostraron lo contrario (véase Estampido sónico § Reducción ). En 1964, no estaba claro si se autorizarían o no los aviones supersónicos civiles debido al problema. ^[28]

La molestia de un estampido sónico se puede evitar esperando a que el avión se encuentre a gran altitud sobre el agua antes de alcanzar velocidades supersónicas; esta fue la técnica utilizada por el Concorde. Sin embargo, impide el vuelo supersónico sobre áreas pobladas. Los aviones supersónicos tienen una mala relación sustentación/resistencia a velocidades subsónicas en comparación con los aviones subsónicos (a menos que se empleen tecnologías como alas de barrido variable ) y, por lo tanto, consumen más combustible, lo que hace que su uso sea económicamente desventajoso en tales rutas de vuelo.

El Concorde tenía una sobrepresión de 1,94 lb/pie cuadrado (93 Pa) (133 dBA SPL). Las sobrepresiones superiores a 1,5 lb/pie cuadrado (72 Pa) (131 dBA SPL) suelen provocar quejas. ^[29]

Si se puede reducir la intensidad del estruendo, esto puede hacer que incluso los diseños muy grandes de aviones supersónicos sean aceptables para el vuelo sobre tierra. Las investigaciones sugieren que los cambios en el cono de la nariz y la cola pueden reducir la intensidad del estruendo sónico por debajo de lo necesario para causar quejas. Durante los esfuerzos originales de SST en la década de 1960, se sugirió que una forma cuidadosa del fuselaje de la aeronave podría reducir la intensidad de las ondas de choque del estruendo sónico que llegan al suelo. Un diseño hizo que las ondas de choque interfirieran entre sí, reduciendo en gran medida el estruendo sónico. Esto fue difícil de probar en ese momento, pero el poder creciente del diseño asistido por computadora desde entonces lo ha hecho considerablemente más fácil. En 2003, se voló un avión de demostración de estruendo sónico moldeado que demostró la solidez del diseño y la capacidad de reducir el estruendo a la mitad aproximadamente. Incluso alargando el vehículo (sin aumentar significativamente el peso) parecería reducir la intensidad del estruendo (ver Estruendo sónico § Reducción ).

En materia de políticas públicas, por ejemplo, la FAA prohíbe que los aviones comerciales vuelen a velocidades supersónicas sobre tierras soberanas gobernadas por los Estados Unidos debido al impacto negativo que el estampido sónico tiene sobre las poblaciones humanas y animales que se encuentran debajo. ^[30]

El diseño aerodinámico de un avión supersónico debe cambiar con su velocidad para lograr un rendimiento óptimo. Por lo tanto, lo ideal sería que un SST cambiara de forma durante el vuelo para mantener un rendimiento óptimo tanto a velocidades subsónicas como supersónicas. Un diseño de este tipo generaría complejidad, lo que aumentaría las necesidades de mantenimiento, los costos operativos y los problemas de seguridad.

En la práctica, todos los transportes supersónicos han utilizado esencialmente la misma forma para el vuelo subsónico y supersónico, y se ha optado por un compromiso en el rendimiento, a menudo en detrimento del vuelo a baja velocidad. Por ejemplo, el Concorde tenía una resistencia aerodinámica muy alta (una relación sustentación-resistencia de aproximadamente 4) a baja velocidad, pero viajó a alta velocidad durante la mayor parte del vuelo. Los diseñadores del Concorde dedicaron 5000 horas a optimizar la forma del vehículo en pruebas en el túnel de viento para maximizar el rendimiento general durante todo el plan de vuelo. ^{[ cita requerida ]}

El Boeing 2707 tenía alas oscilantes para brindar mayor eficiencia a bajas velocidades, pero el mayor espacio requerido para tal característica produjo problemas de capacidad que finalmente resultaron insuperables.

North American Aviation abordó este problema de una manera poco habitual con el XB-70 Valkyrie . Al bajar los paneles exteriores de las alas a números de Mach altos, pudieron aprovechar la sustentación por compresión en la parte inferior del avión. Esto mejoró la relación L/D en aproximadamente un 30%.

A velocidades supersónicas, un avión comprime adiabáticamente el aire que tiene delante. El aumento de temperatura del aire calienta el avión.

Los aviones subsónicos suelen estar fabricados en aluminio. Sin embargo, el aluminio, aunque es ligero y resistente, no es capaz de soportar temperaturas muy superiores a los 127 °C; por encima de esa temperatura, el aluminio va perdiendo gradualmente sus propiedades, que se debían al endurecimiento por envejecimiento. ^[31] Para los aviones que vuelan a Mach 3, se han utilizado materiales como el acero inoxidable ( XB-70 Valkyrie , MiG-25 ) o el titanio ( SR-71 , Sukhoi T-4 ), con un coste considerablemente superior, ya que las propiedades de estos materiales hacen que la fabricación de los aviones sea mucho más difícil.

En 2017 se descubrió un nuevo material de revestimiento cerámico de carburo que podría resistir temperaturas de Mach 5 o superiores, quizás hasta 3000 °C. ^[32]

El alcance de los aviones supersónicos se puede estimar mediante la ecuación de alcance de Breguet .

El elevado peso de despegue por pasajero dificulta la obtención de una buena fracción de combustible. Este problema, junto con el desafío que plantean las relaciones sustentación/resistencia supersónicas, limita enormemente el alcance de los aviones de transporte supersónicos. Como las rutas de larga distancia no eran una opción viable, las aerolíneas tenían poco interés en comprar los aviones. ^{[ cita requerida ]}

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Las aerolíneas valoran potencialmente los aviones muy rápidos, porque les permiten hacer más vuelos por día, lo que proporciona un mayor retorno de la inversión. Además, los pasajeros generalmente prefieren viajes más rápidos y de menor duración a viajes más lentos y de mayor duración, por lo que operar aviones más rápidos puede dar a una aerolínea una ventaja competitiva, incluso hasta el punto de que muchos clientes estarán dispuestos a pagar tarifas más altas por el beneficio de ahorrar tiempo y/o llegar antes. ^{[ cita requerida ]} Sin embargo, los altos niveles de ruido del Concorde alrededor de los aeropuertos, los problemas de zona horaria y la velocidad insuficiente significaron que solo se podía hacer un solo viaje de ida y vuelta por día, por lo que la velocidad adicional no fue una ventaja para la aerolínea más allá de como una característica de venta a sus clientes. ^[33] Los SST estadounidenses propuestos estaban destinados a volar a Mach 3, en parte por esta razón. Sin embargo, teniendo en cuenta el tiempo de aceleración y desaceleración, un viaje transatlántico en un SST de Mach 3 sería menos de tres veces más rápido que un viaje de Mach 1.

Dado que los SST producen explosiones sónicas a velocidades supersónicas, rara vez se les permite volar a velocidades supersónicas sobre tierra, y deben hacerlo sobre el mar. Dado que son ineficientes a velocidades subsónicas en comparación con los aviones subsónicos, el alcance se deteriora y el número de rutas que el avión puede volar sin escalas se reduce. Esto también reduce el atractivo de este tipo de aviones para la mayoría de las aerolíneas.

Los aviones supersónicos consumen más combustible por pasajero que los aviones subsónicos, lo que hace que el precio del billete sea necesariamente más alto, si todos los demás factores se mantienen constantes, y que el precio sea más sensible al precio del petróleo (también hace que los vuelos supersónicos sean menos respetuosos con el medio ambiente y la sostenibilidad, dos preocupaciones cada vez mayores del público en general, incluidos los viajeros aéreos).

La inversión en investigación y desarrollo para diseñar un nuevo tren de alta velocidad puede considerarse un esfuerzo por ampliar el límite de velocidad del transporte aéreo. En general, además de la necesidad de nuevos logros tecnológicos, la principal fuerza impulsora de tal esfuerzo es la presión competitiva de otros modos de transporte. La competencia entre diferentes proveedores de servicios dentro de un modo de transporte no suele conducir a tales inversiones tecnológicas para aumentar la velocidad. En cambio, los proveedores de servicios prefieren competir en calidad y costo del servicio. ^{[ cita requerida ]} Un ejemplo de este fenómeno es el ferrocarril de alta velocidad . El límite de velocidad del transporte ferroviario se ha llevado al límite para permitirle competir de manera efectiva con el transporte por carretera y aéreo. Pero este logro no se hizo para que las diferentes compañías operadoras ferroviarias compitieran entre sí. Este fenómeno también reduce la conveniencia de los trenes de alta velocidad para las aerolíneas, porque, para el transporte de muy larga distancia (un par de miles de kilómetros), la competencia entre diferentes modos de transporte es más bien como una carrera de un solo caballo: el transporte aéreo no tiene un competidor significativo. La única competencia es entre las compañías aéreas, y prefieren pagar moderadamente para reducir el costo y aumentar la calidad del servicio que pagar mucho más por un aumento de velocidad. ^{[ cita requerida ]} Además, las empresas con fines de lucro generalmente prefieren planes de negocios de bajo riesgo con altas probabilidades de ganancias apreciables, pero un costoso programa de investigación y desarrollo tecnológico de vanguardia es una empresa de alto riesgo, ya que es posible que el programa fracase por razones técnicas imprevisibles o se enfrente a sobrecostos tan grandes que obliguen a la empresa, debido a los límites de recursos financieros, a abandonar el esfuerzo antes de que produzca alguna tecnología SST comercializable, lo que potencialmente provocaría la pérdida de toda la inversión.

El Consejo Internacional de Transporte Limpio (ICCT) estima que un SST consumiría entre 5 y 7 veces más combustible por pasajero. ^[34] El ICCT muestra que un vuelo supersónico de Nueva York a Londres consumiría más del doble de combustible por pasajero que en clase ejecutiva subsónica , seis veces más que en clase económica y tres veces más que en clase ejecutiva subsónica de Los Ángeles a Sídney. ^[35] Los diseñadores pueden cumplir con los estándares ambientales existentes con tecnología avanzada o presionar a los responsables de las políticas para que establezcan nuevos estándares para los SST. ^[36]

Si hubiera 2.000 SST en 2035, habría 5.000 vuelos por día en 160 aeropuertos y la flota de SST emitiría ~96 millones de toneladas métricas de CO₂ por año (como American , Delta y Southwest juntas en 2017), de 1,6 a 2,4 gigatoneladas de CO₂ durante sus 25 años de vida útil: una quinta parte del presupuesto de carbono de la aviación internacional si la aviación mantiene su cuota de emisiones para permanecer por debajo de una trayectoria climática de 1,5 °C . El área expuesta al ruido alrededor de los aeropuertos podría duplicarse en comparación con los aviones subsónicos existentes del mismo tamaño, con más de 300 operaciones por día en Dubái y Londres Heathrow , y más de 100 en Los Ángeles , Singapur , San Francisco , Nueva York-JFK , Frankfurt y Bangkok . En Canadá, Alemania, Irak, Irlanda, Israel, Rumania, Turquía y partes de los Estados Unidos se oirían frecuentes explosiones sónicas , hasta 150-200 por día o una cada cinco minutos. ^[37]

El 21 de agosto de 1961, un avión Douglas DC-8-43 (matrícula N9604Z) superó la velocidad de Mach 1 en un picado controlado durante un vuelo de prueba en la Base Aérea Edwards. La tripulación estaba formada por William Magruder (piloto), Paul Patten (copiloto), Joseph Tomich (ingeniero de vuelo) y Richard H. Edwards (ingeniero de pruebas de vuelo). ^[38] Este es el primer vuelo supersónico de un avión de pasajeros civil. ^[38]

En total, se construyeron 20 Concorde: dos prototipos, dos aviones de desarrollo y 16 aviones de producción. De los dieciséis aviones de producción, dos no entraron en servicio comercial y ocho permanecían en servicio en abril de 2003. Todos menos dos de estos aviones se conservan; los dos que no lo están son el F-BVFD (cn 211), estacionado como fuente de repuestos en 1982 y desguazado en 1994, y el F-BTSC (cn 203), que se estrelló en las afueras de París el 25 de julio de 2000, matando a 100 pasajeros, 9 miembros de la tripulación y 4 personas en tierra.

En total se construyeron dieciséis Tupolev Tu-144 en condiciones de volar, pero nunca se completó el decimoséptimo Tu-144 (matrícula 77116). También se construyó al menos un fuselaje de prueba en tierra para realizar pruebas estáticas en paralelo con el desarrollo del prototipo 68001.

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El deseo por un avión supersónico de segunda generación se ha mantenido dentro de algunos elementos de la industria de la aviación, ^{[39] [40]} y han surgido varios conceptos desde el retiro del Concorde.

Según Aviation Week , el mercado de aviones supersónicos que cuestan 200 millones de dólares podría ser de 1.300 en un período de 10 años, con un valor de 260.000 millones de dólares. ^[41] El desarrollo y la certificación son probablemente una operación de 4.000 millones de dólares. ^[42]

En noviembre de 2003, EADS —la empresa matriz de Airbus— anunció que estaba considerando trabajar con empresas japonesas para desarrollar un reemplazo más grande y rápido para el Concorde. ^{[44] [45]} En octubre de 2005, JAXA , la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón, realizó pruebas aerodinámicas de un modelo a escala de un avión de pasajeros diseñado para transportar 300 pasajeros a Mach 2 ( Next Generation Supersonic Transport , NEXST , entonces Zero Emission Hyper Sonic Transport ). Si se lleva a cabo un despliegue comercial, se espera que esté en servicio alrededor de 2020-25. ^[46]

En mayo de 2008, se informó que Aerion Corporation había obtenido 3.000 millones de dólares en pedidos anticipados de su avión comercial supersónico Aerion SBJ . ^[47] A finales de 2010, el proyecto continuó con un vuelo de prueba de una sección del ala. ^[48] El Aerion AS2 se propuso como un trirreactor de 12 asientos, con un alcance de 4.750 millas náuticas (8.800 km; 5.470 mi) a Mach 1,4 sobre el agua o 5.300 millas náuticas (9.800 km; 6.100 mi) a Mach 0,95 sobre tierra, aunque se afirmó que era posible un vuelo "sin botavara" a Mach 1,1. Con el respaldo de Airbus y con 20 pedidos de lanzamiento de Flexjet, las primeras entregas se retrasaron dos años desde 2023 cuando GE Aviation fue seleccionada en mayo de 2017 para un estudio conjunto de motores. En mayo de 2021, la empresa anunció que cesaría sus operaciones debido a la imposibilidad de recaudar capital. ^[49]

El SAI Quiet Supersonic Transport es un diseño de Lockheed Martin con capacidad para 12 pasajeros que volará a Mach 1,6 y creará un estampido sónico con una potencia apenas un 1% superior a la del Concorde. ^[50]

También se han propuesto el avión supersónico Tupolev Tu-444 o el Gulfstream X-54 .

En marzo de 2016, Boom Technology reveló que se encuentra en las fases de desarrollo de la construcción de un avión supersónico con capacidad para 40 pasajeros capaz de volar a velocidad de Mach 1,7, y afirmó que la simulación de diseño muestra que será más silencioso y un 30% más eficiente que el Concorde y podrá volar de Los Ángeles a Sídney en 6 horas. Está previsto que entre en servicio en 2029. ^[51]

Por su viabilidad económica, la investigación de la NASA desde 2006 se ha centrado en reducir el estampido sónico para permitir el vuelo supersónico sobre la tierra. ^[52] En 2016, la NASA anunció que había firmado un contrato para el diseño de un prototipo moderno de SST de bajo ruido . ^[53] El equipo de diseño está dirigido por Lockheed Martin Aeronautics . ^[53] La NASA debería volar un demostrador de bajo estallido en 2019, reducido de dobles estallidos a golpes suaves mediante la conformación del fuselaje, para indagar la respuesta de la comunidad, en apoyo de un posible levantamiento de la prohibición de la FAA y la OACI a principios de la década de 2020. El avión X-59 QueSST de Lockheed Martin imitará la firma de onda de choque de un avión de pasajeros de 80 a 100 asientos de Mach 1,6 a 1,8 para 75 PNLdB en comparación con 105 PNLdB para el Concorde. ^[52]

El TsAGI exhibió en el Salón Aeronáutico MAKS 2017 en Moscú un modelo a escala de su jet comercial/jet de negocios supersónico que debería producir un estampido sónico bajo que permita el vuelo supersónico sobre tierra, optimizado para una velocidad de crucero de 2100 km/h (1300 mph) y un alcance de 7400–8600 km (4600–5300 mi). La investigación científica tiene como objetivo optimizar tanto para velocidades transónicas de Mach 0,8–0,9 como supersónicas de Mach 1,5–2,0; se prueba un diseño similar en un túnel de viento mientras se conceptualizan los motores en el Instituto Central de Motores de Aviación y los diseños son estudiados por Aviadvigatel y NPO Saturn . ^[54]

En la convención NBAA de octubre de 2017 en Las Vegas, con la NASA apoyando solo la investigación, varias empresas enfrentaron desafíos de ingeniería para proponer aeronaves sin motor disponible, velocidades máximas variables y modelos operativos: ^[55]

• El avión de prueba de tercera escala Boom XB-1 Baby Boom debería volar en 2018, ya que el motor ha sido seleccionado para un avión de pasajeros trirreactor de 45/55 asientos que alcanza Mach 2,2 sobre el agua durante 9.000 millas náuticas (17.000 km; 10.000 millas) con una escala para un pasaje en clase ejecutiva. Con el objetivo de realizar entregas en 2023, recibió 10 compromisos de Virgin y 15 de una aerolínea europea no revelada en 2016, totalizando 76 de cinco aerolíneas en junio de 2017;
• El Spike S-512 es un diseño birreactor autofinanciado que apunta a volar a Mach 1,6 sobre el agua durante 6.200 millas náuticas (11.500 km; 7.100 mi) con 22 pasajeros en una cabina sin ventanas, con motores de 20.000 lbf (89 kN) no especificados. Un modelo a escala SX-1.2 debería haber realizado su vuelo inaugural en septiembre de 2017 antes de un banco de pruebas tripulado en 2019 y el prototipo en 2021, con disponibilidad en el mercado para 2023.

De los cuatro mil millones de pasajeros aéreos en 2017, más de 650 millones volaron distancias de larga distancia entre 2.000 y 7.000 millas (3.200 y 11.300 km), incluidos 72 millones en clase ejecutiva y primera clase , llegando a 128 millones en 2025; Spike proyecta que 13 millones estarían interesados ​​en el transporte supersónico en ese momento. ^[57]

En octubre de 2018, la FAA reautorizó los estándares de ruido previstos para los transportes supersónicos, lo que les dio a los desarrolladores una certeza regulatoria para sus diseños, principalmente para la elección del motor. La FAA propondrá reglas para la autorización de pruebas de vuelo supersónico en los EE. UU. y la certificación de ruido a principios de 2019. ^[58] La FAA debería hacer una propuesta para el ruido de aterrizaje y despegue antes del 31 de marzo de 2020, para una regla después de 2022; y para el estampido sónico terrestre a partir de fines de 2020, mientras que la NASA planea volar el demostrador de vuelo de bajo estampido Lockheed Martin X-59 QueSST a partir de 2021 para los estándares de la OACI en 2025. ^[59]

En junio de 2019, inspirado en la iniciativa supersónica silenciosa de la NASA y el X-59 QueSST , Lockheed Martin presentó el Quiet Supersonic Technology Airliner , ^[60] un concepto de avión de pasajeros transpacífico Mach 1.8 para 40 pasajeros. El diseño de pluma en forma de V , la propulsión integrada de bajo ruido, el flujo laminar natural supersónico de ala en flecha y el sistema de visión externa de cabina (XVS) permiten un menor ruido del aeropuerto y un menor estampido sónico . El diseño de 225 pies (69 m) de largo es significativamente más largo que el Concorde , con una nariz de casi 70 pies (21 m) de largo y una cabina de 78 pies (24 m). El ala delta de flecha pronunciada tiene una envergadura de 73 pies (22 m), ligeramente más estrecha que el Concorde. ^[61]

Los objetivos de diseño son un alcance de 4.200-5.300 millas náuticas (7.800-9.800 km) y una longitud de campo de despegue de 9.500-10.500 pies (2.900-3.200 m), un estampido sónico de 75-80 PLdB y una velocidad de crucero de Mach 1,6-1,7 sobre tierra y Mach 1,7-1,8 sobre el agua. Dos motores sin postcombustión de 40.000 lbf (180 kN) montados en la cola están ubicados entre las colas en V. La propulsión integrada de bajo ruido incluye diseños avanzados de toberas enchufables , conceptos de protección contra el ruido y aspas de ventilador tolerantes a la distorsión . ^[61]

En 2019, se fundó Exosonic, Inc. con el objetivo de desarrollar un avión supersónico de 70 pasajeros capaz de volar a Mach 1,8 y con un alcance de 5000 millas náuticas (9300 km; 5800 mi). La empresa pretende introducir el avión comercialmente en la década de 2030. ^{[62] [63]} En abril de 2021, Exosonic recibió un contrato para desarrollar un avión supersónico que pudiera utilizarse como Air Force One. ^[64]

En agosto de 2020, Virgin Galactic junto con Rolls-Royce presentaron el concepto de un avión bimotor de ala delta capaz de alcanzar Mach 3 y que puede transportar hasta 19 pasajeros. ^{[65] [66]}

La NASA está trabajando con dos equipos liderados por Boeing y Northrop Grumman en el desarrollo de conceptos para un avión de pasajeros que alcance Mach 4. ^[67]

En abril de 2024, Boom recibió la licencia de la FAA para realizar pruebas de Mach 1 y más de su XB-1, que se llevarán a cabo en el Corredor Supersónico Black Mountain, en Mojave, California. ^[68]

Aunque los motores turbo y estatorreactores convencionales pueden mantener una eficiencia razonable hasta Mach 5,5, también se discuten algunas ideas para vuelos a velocidades muy altas, por encima de Mach 6, con el objetivo de reducir los tiempos de viaje a una o dos horas en cualquier parte del mundo. Estas propuestas de vehículos suelen utilizar motores cohete o estatorreactores ; también se han propuesto motores de detonación por pulsos . Existen muchas dificultades con este tipo de vuelos, tanto técnicas como económicas.

Los vehículos con motores cohete, si bien son técnicamente prácticos (ya sea como transportes balísticos o como transportes semibalísticos con alas), utilizarían una gran cantidad de combustible y funcionarían mejor a velocidades de entre Mach 8 y velocidades orbitales. Los cohetes compiten mejor con los motores a reacción que respiran aire en cuanto a costo a muy larga distancia; sin embargo, incluso para viajes antípodas, los costos serían solo un poco más bajos que los costos de lanzamiento orbital. ^{[ cita requerida ]}

En el Salón Aeronáutico de París de junio de 2011 , EADS presentó su concepto ZEHST , que vuela a Mach 4 (4400 km/h; 2400 nudos) a 105 000 pies (32 000 m) y atrajo el interés japonés. ^{[69] El} SpaceLiner alemán es un proyecto de avión espacial de pasajeros con alas hipersónicas suborbitales en desarrollo preliminar. ^{[ ¿cuándo? ]}

Los motores a reacción preenfriados son motores a reacción con un intercambiador de calor en la entrada que enfría el aire a velocidades muy altas. Estos motores pueden ser prácticos y eficientes hasta aproximadamente Mach 5,5, y este es un área de investigación en Europa y Japón. La empresa británica Reaction Engines Limited , con un 50% de dinero de la UE, ha participado en un programa de investigación llamado LAPCAT , que examinó un diseño para un avión propulsado por hidrógeno que transporta 300 pasajeros llamado A2 , potencialmente capaz de volar a Mach 5+ sin escalas desde Bruselas a Sydney en 4,6 horas. ^[70] El esfuerzo de investigación de seguimiento, LAPCAT II , ​​comenzó en 2008 y debía durar cuatro años. ^[71]

STRATOFLY MR3 es un programa de investigación de la UE ( Centro Aeroespacial Alemán , ONERA y universidades) cuyo objetivo es desarrollar un avión de pasajeros de 300 pasajeros alimentado con combustible criogénico capaz de volar a unos 10.000 km/h (Mach 8) por encima de 30 km de altitud. ^{[72] [73]}

Destinus , Hermeus y Venus Aerospace están desarrollando aviones de pasajeros hipersónicos. ^{[74] [75] [76] [77]}

Boeing presentó en la conferencia AIAA 2018 un avión de pasajeros de Mach 6 (6.500 km/h; 3.500 kn). Cruzar el Atlántico en 2 horas o el Pacífico en 3 a 100.000 pies (30 km) permitiría vuelos de ida y vuelta en el mismo día, aumentando la utilización de los activos de las aerolíneas . Al utilizar un fuselaje de titanio , su capacidad sería menor que la de un Boeing 737 , pero mayor que la de un jet de negocios de largo alcance . Un demostrador reutilizable podría volar tan pronto como en 2023 o 2024 para una posible entrada en servicio a finales de la década de 2030. La aerodinámica se beneficiaría de la experiencia del Boeing X-51 Waverider , aprovechando la onda de choque del borde de ataque para una menor resistencia inducida . El control de flujo mejoraría la sustentación a velocidades más lentas, y evitar los postquemadores en el despegue reduciría el ruido . ^[78] El avión hipersónico de Boeing estaría propulsado por un turborreactor , un turbofán que se transforma en un estatorreactor a Mach 6 y evitaría la necesidad de un estatorreactor, similar al Pratt & Whitney J58 del SR-71 Blackbird , pero apagando la turbina a velocidades más altas. Estaría integrado en un diseño anular axisimétrico con una sola entrada y boquilla , y un conducto de derivación alrededor del motor de turbina hacia una combinación de postcombustión /estatorreactor en la parte trasera. Necesitaría tecnología de refrigeración avanzada como el intercambiador de calor desarrollado por Reaction Engines , tal vez usando metano líquido y/o combustible para aviones . ^[78] El crucero a 90.000–100.000 pies (27.000–30.000 m) hace que la despresurización sea un riesgo mayor. Mach 6 fue elegido como el límite alcanzable con la tecnología disponible . Tendría una alta capacidad de utilización , pudiendo cruzar el Atlántico cuatro o cinco veces al día, frente a las dos veces al día posibles con el Concorde . ^[79]

• Lista de aviones supersónicos
• Supercrucero

• "Los contendientes estadounidenses del SST". Flight International . 13 de febrero de 1964.
• Consejo Nacional de Investigación (1997). Aviones comerciales supersónicos de EE. UU., National Academies Press, ISBN 978-0309058780.
• "Descripción general: motores civiles" (extracto de un artículo sobre el mercado de motores civiles, que incluye un análisis de la SST). Jane's. Agosto de 2006. Archivado desde el original el 21 de agosto de 2006.
• Peter Coen (15-17 de marzo de 2011). «Fundamental Aeronautics Program – Supersonics Project» (PDF) . Descripción general del proyecto . Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio. Archivado desde el original (PDF) el 21 de enero de 2022. Consultado el 28 de diciembre de 2020 .
• "Estudios conceptuales avanzados para los transportes comerciales supersónicos que entrarán en servicio en el período 2018 a 2020". Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio . Febrero de 2013.
• Hargreaves, Steve (26 de noviembre de 2014). "Los aviones supersónicos pueden volar de Nueva York a Los Ángeles en 2,5 horas (o menos)". CNN Money .
• "El ascenso y la caída del SST". AirVectors. 1 de agosto de 2015.
• Clarke, Chris (24 de noviembre de 2015). "11 intentos extravagantes de construir el próximo Concorde". Popular Mechanics . Las pruebas y tribulaciones de intentar resucitar los viajes supersónicos de pasajeros.
• Sun, Yicheng; Smith, Howard (diciembre de 2016). "Revisión y perspectivas del diseño de aviones comerciales supersónicos". Progreso en las ciencias aeroespaciales . 90 : 12–38. doi :10.1016/j.paerosci.2016.12.003. hdl : 1826/11307 .
• Lampert, Allison; Freed, Jamie (12 de julio de 2018). "Estados Unidos y Europa se enfrentan por los estándares globales de ruido para aviones supersónicos". Reuters .