Concorde - więcej niż samolot. Cześć I
Marek Górecki
W przeszło stuletniej już historii podniebnych podróży powstało niewiele samolotów, które zasługiwałyby na miano ikony lotnictwa. Concorde jednak jest bez wątpienia jednym z nich. Osiągający dwukrotną prędkość dźwięku samolot pasażerski, który zrodził się dzięki kooperacji dwóch państw rywalizujących ze sobą przez wieki, do dziś uważany jest za odwzorowanie piękna i elegancji. Charakterystyczna smukła sylwetka z umieszczonym z tyłu maszyny skrzydłem delta, ostry dziób i długie golenie podwozia wzbudzały podziw, lecz były poniekąd jedynie efektem ubocznym zaawansowanej technologicznie konstrukcji. Samolot, obok którego nie potrafili przejść obojętnie nawet lotniczy laicy, zawdzięczał swój wygląd żelaznym prawom fizyki. Czerpał z wieloletnich badań naukowych i doświadczeń lotnictwa wojskowego, a osiągi i kształt jego konstrukcji zostały zdeterminowane przez liczne konstrukcje poprzednich lat. Dzięki temu stał się cudem techniki, który wyprzedził swoją epokę: symbolem luksusu, pozwalającym podróżować z szybkością większą niż prędkość obrotu kuli ziemskiej.
Pokonać barierę dźwięku
Aby zrozumieć fenomen przedsięwzięcia, jakim był program Concorde’a, należy cofnąć się do pierwszej połowy ubiegłego stulecia. Concorde powstał bowiem dzięki naukom czerpanym z sukcesów i porażek programów wojskowych i cywilnych, realizowanych wcześniej w Europie i Stanach Zjednoczonych. W czasach, w których uważano, że duża prędkość podróży przełoży się bezpośrednio na wysokie zarobki przewoźnika, a firmy i rządy prześcigały się w opracowywaniu przełomowych technologii, samolot komunikacyjny pokonujący barierę dźwięku po prostu musiał powstać. Uznano, że taka produkcja jest naturalną ewolucją transportu lotniczego, a dążenie do jej stworzenia ustępowało jedynie programom kosmicznym.
Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej w powietrzu próbowano obliczyć już w XVII wieku. Dokonał tego Isaac Newton, choć zaproponowana przez niego wartość była mniejsza od rzeczywistej. Niemniej jednak wyniki badań angielskiego naukowca pozwoliły na dalsze prace i ostateczne określenie wzoru umożliwiającego obliczenie prędkości rozchodzenia się dźwięku w określonych warunkach. Zależność między prędkością danego obiektu a prędkością dźwięku była badana przez austriackiego fizyka Ernsta Macha, żyjącego na przełomie XIX i XX wieku. Jego badania znalazły zastosowanie w lotnictwie. Stosunek prędkości statku powietrznego względem powietrza do prędkości, z jaką dźwięk rozchodzi się w tym samym środowisku, określa się liczbą Macha – nazwaną tak przez szwajcarskiego aerodynamika, Jacoba Ackereta, kilkanaście lat po śmierci Ernsta Macha.
Tak więc machometr (przyrząd pokładowy uwzględniający liczbę Macha) samolotu poruszającego się z prędkością dźwięku wskaże Ma = 1,0. W atmosferze wzorcowej (warunki ISA, ang. International Standard Atmosphere) prędkość dźwięku to około 1226 km/h na poziomie morza; wraz ze wzrostem wysokości temperatura spada o około 1,98°C na każde 1000 stóp [304,8 m]. W efekcie tego na wysokości 10 972 m [36 000 stóp, FL360], czyli na początku stratosfery, fale dźwiękowe rozchodzą się z prędkością 1059 km/h. Powyżej tego poziomu, aż do wysokości bliskiej 20 km (okolice FL 650) utrzymuje się stała temperatura -56,5°C, toteż prędkość dźwięku również pozostaje na stałym poziomie.
Już siedemdziesiąt lat temu zakorzeniło się w opinii publicznej określenie „bariera dźwięku”, które miało być użyte po raz pierwszy w notatkach dziennikarskich. Pochodzi jeszcze z czasów, gdy loty z prędkością naddźwiękową uważano za niemożliwe albo niezwykle trudne do realizacji. W późniejszych latach towarzyszący samolotom poruszającym się z prędkością dźwięku hałas docierający na ziemię wraz z falą uderzeniową oraz rozpowszechnienie zdjęć płatowców otoczonych charakterystycznym kokonem utwierdziły ludzi w przekonaniu, że statki powietrzne przyśpieszające ponad prędkość dźwięku faktycznie przekraczają mityczną barierę. Niejasności te od lat próbują sprostować naukowcy, chociaż ich argumenty opierają się na skomplikowanych prawach fizyki i są zdecydowanie mniej medialne. Samoloty zbliżające się do Ma = 1,0 wchodzą w zakres prędkości, w których opór gwałtownie rośnie, a powietrze zaczyna opływać niektóre elementy konstrukcji z prędkością dźwięku, co tworzy fale uderzeniowe. Przy tej prędkości nie są one jednak bardzo głośne. Efektowne obłoki skroplonej pary wodnej to z kolei tak zwane obłoki Prandtla-Glauerta, pojawiające się faktycznie już poniżej prędkości dźwięku samolotu wskutek różnicy ciśnień i temperatur. Podwójny grzmot natomiast, o którym donoszono już od czasów testów, to grom dźwiękowy (sonic boom), czyli efekt akustyczny towarzyszący powstawaniu fal uderzeniowych przy prędkości powyżej Ma = 1,0. Fale te rozchodzą się dookoła samolotu, aż dotrą do ziemi. Obserwująca przelatującą maszynę osoba słyszy tylko przednią i tylną falę uderzeniową, które tworzą wrażenie podwójnego grzmotu, faktycznie jednak płatowiec wytwarza grom dźwiękowy podczas całego lotu naddźwiękowego. Nie jest słyszalny przez pilotów ani pasażerów znajdujących się na pokładzie, ponieważ oni również poruszają się z prędkością dźwięku, dociera natomiast do powierzchni ziemi, co okazało się być brzemienne w skutkach dla całej koncepcji komunikacyjnego lotnictwa naddźwiękowego.
Pełna wersja artykułu w magazynie Lotnictwo 12/2017