Hvordan Hypersonisk Flyvningsteknologi Flytter Sig Fra Laboratorium Til Himlen

Forestil dig, at du kunne flyve fra den ene del af verden til den anden på en time, i stedet for at bruge en hel dag. Er det ikke spændende? 

Selv om det måske føles som ønsketænkning, er det tæt på at blive muligt i en ikke så fjernt fremtid, da en ny studie bringer hypersoniske flyvninger et større skridt nærmere virkeligheden.

Udgivet i Nature Communications, beskriver studiet et gennembrud i forståelsen af hypersonisk turbulens¹, der kan transformere langdistance-rejsen. 

Når det kommer til hypersoniske flyvninger, er designet af flyet kritisk for dens succes. For at designe sådant et højhastigheds-køretøj, er det vigtigt at kunne forudsige aerodynamisk drag og varmeoverførsel nøjagtigt, hvilket kræver en fysisk forståelse af turbulens ved disse ekstreme hastigheder.

For at opnå denne forståelse, testede forskere fra den private forskningsuniversitet Stevens Institute of Technology for det samme, og deres laser-baserede krypton-eksperimenter tydede på, at turbulens ved hypersoniske hastigheder opfører sig mere som langsommere luftstrøm end forventet. 

Med resultater, der viser, at turbulens ved ekstreme hastigheder måske ikke adskiller sig meget fra den ved lavere hastigheder, kan dette simplificere og strømline designet af hypersoniske køretøjer og accelerere fremgangen mod at gøre ultra-hurtig rejse til virkelighed.

Og hvis det overvinder grænsen mellem science fiction og virkelighed, kan hypersoniske flyvninger helt ændre global rejse. Langdistance-ruter, der i øjeblikket tager 10 til 20 timers flyvetid, kan blive til korte pendle-ture, der kun tager en time. 

“Det gør virkelig kloden mindre,” sagde studiets medforfatter Nicholaus Parziale fra Institut for maskinteknik, Stevens Institute of Technology, Hoboken, NJ, USA. “Det vil gøre rejsen hurtigere, lettere og mere behagelig.”

Fokus for Parziales forskning er på at gøre hypersonisk flyvning til virkelighed. Dette betyder en flyvning gennem atmosfæren under højder på omkring 56 miles (omkring 90 km) med en hastighed på mere end fem gange lydens hastighed, hvilket henvises til som Mach 5.

Mach 1 er blot lydens hastighed, dvs. 761 miles i timen. Forskere forsøger at få fly til at flyve med op til Mach 10 for at drastisk reducere tiden, men selvfølgelig, ved så høje hastigheder, opfører luften sig ikke omkring flyet på samme måde som ved lave hastigheder.Videnskabeligt set er der ved lave hastigheder, under 1 Mach, en ukompressibel strøm. Dette betyder, at lufttettheden forbliver næsten konstant, og flydesign er simpelt.

Men dette ændrer sig ved højere hastigheder, hvor kompressibel strøm opstår, og det skyldes, at gas kan komprimeres. Hvad dette betyder, er, at på grund af variationer i tryk og temperatur, lufttettheden ændrer sig betydeligt, og denne kompression påvirker, hvordan et fly flyver.

“Kompressibilitet påvirker, hvordan luftstrømmen bevæger sig omkring legemet, og det kan ændre ting som lift, drag og thrust, der er nødvendig for at lette eller forblive i luften,” hvilket alle er afgørende for flydesignet.

Ved ‘lave Mach’-tal har ingeniører en god forståelse af, hvordan denne luftstrøm virker med og påvirker fly. Men ikke så meget ved højere Mach-tal.

Der er dog Morkovins hypotese. Hypotesen er grundlæggende for vores forståelse af supersonisk og hypersonisk kompressibel turbulens. Ifølge hypotesen “kan vi forvente med sikkerhed, at de væsentlige dynamikker af disse supersoniske skæreflader vil følge den ukompressible mønster.”

Komponeret for over halvandet århundrede siden af Mark Morkovin, antyder hypotesen, at ved Mach 5 eller 6, er turbulensadfærd ikke meget forskellig fra den ved lavere hastigheder. Selvom lufttettheden og temperaturen ændrer sig mere i hurtigere strømme, siger hypotesen, at den grundlæggende “choppy”-bevægelse af turbulens forbliver næsten den samme.

“I grund og grund betyder Morkovins hypotese, at måden, hvorpå den turbulente luft bevæger sig ved lave og høje hastigheder, ikke er så forskellig. Hvis hypotesen er korrekt, betyder det, at vi ikke behøver en helt ny måde at forstå turbulens på disse højere hastigheder. Vi kan bruge de samme begreber, vi bruger til de langsommere strømme.”

– Parziale

Dette betyder også, at der ikke er brug for væsentligt forskellige designtilgange, hvilket simplificerer hypersoniske fly.

Indtil nu har der dog ikke været tilstrækkelig eksperimentel bevis til at støtte hypotesen. Som sådan tog Parziale og hans team udfordringen og brugte over et årti på at bygge setuppet til det samme.

I deres studie med titlen “Hypersonisk Turbulent Kvanta til Støtte for Morkovins Hypotese” brugte hans team krypton, en farveløs, smagløs, lugtløs og lettest nobelgas, som kun forekommer i spor i atmosfæren.

Med laser ioniserede Parziales team først krypton. Gassen blev sået ind i luftstrømmen inde i en vindtunnel, og dens atomer dannede midlertidigt en lyslinje. Mens den først var lige, bøjede og krøllede den fluorescerende kryptonlinje, da den bevægede sig gennem vindtunnelens luft. Holdet brugte ultra-højopløsningskameraer til at fange dens bevægelse. Mens den først var lige, bøjede og krøllede den fluorescerende kryptonlinje, da den bevægede sig gennem vindtunnelens luft. Holdet brugte ultra-højopløsningskameraer til at fange dens bevægelse.

“Da linjen bevæger sig med gassen, kan du se krøller og struktur i strømmen, og derfra kan vi lære meget om turbulens,” sagde Parziale. “Og hvad vi fandt, var, at ved Mach 6, er turbulensadfærd ret tæt på den ukompressible strøm.”

Ifølge studiet støtter deres eksperimentelle data Morkovins hypotese, som er grundlæggende for vores forståelse af hypersonisk og supersonisk kompressibel turbulens.Morkovins hypotese er ikke fuldt bekræftet, men det er en præstation. Ved at foreslå, at fly ikke behøver en helt ny designapproach for at flyve i hypersoniske hastigheder, simplificerer det tingene og bringer os et stort skridt nærmere hypersonisk flyvning.

“I dag må vi bruge computere til at designe et fly, og de computermæssige ressourcer til at designe et fly, der kan flyve med Mach 6, og simulere alle de små, fine detaljer, ville være umuligt,” sagde Parziale. “Morkovins hypotese giver os mulighed for at gøre forenklingende antagelser, så de computermæssige krav til at designe hypersoniske køretøjer kan blive mere gennemførlige.”

Ifølge Parziale, der har modtaget Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers for sin forskning i fluidmekanikken, der påvirker højhastighedsflyvning, kan studiens resultater hjælpe med at forvandle rumtransporten. Han sagde:

“Hvis vi kan bygge fly, der flyver med hypersonisk hastighed, kan vi også flyve dem ind i rummet i stedet for at affyre raketter, hvilket ville gøre transporten til og fra lav jordbane lettere. Det vil være en game-changer for transport ikke kun på jorden, men også i lav orbit.”

Kapløbet om at låse op for hypersonisk flyvning, mobilitet og forsvar

Selv om hypersonisk flyvning endnu ikke er en realitet, foretog den første supersoniske passagerjet sin første kommercielle flyvning i 1976. Concorde, et fælles projekt mellem Storbritannien og Frankrig, var det supersoniske kommercielle fly, der kunne flyve hurtigere end lydens hastighed. Det var kendt for sin luksus og hastighed, og opererede transatlantiske ruter og reducerede flyvetiderne med halvdelen. 

Men efter kun 50.000 flyvninger blev det pensioneret i 2003 efter en dødelig ulykke, lav passagerantal og høje vedligeholdelsesomkostninger. Denne tidlige kapitel i højhastighedsflyvning satte både potentialet og begrænsningerne for fremtidige bestræbelser.

Selv om Concorde fejlede, viste det , at det var muligt at krydse Atlanterhavet på få timer, og nu fokuserer organisationer på at øge brændstofeffektiviteten og designe fly, der kan opnå høje hastigheder. En ny generation af jetfly er også i gang med at opfylde løftet om hypersonisk flyvning.

Selv om kommercielle fly endnu ikke har opnået ekstreme hastigheder, flyver militærfly allerede med omtrent tre gange lydens hastighed, også kendt som Mach 3. Imens er mange hypersoniske flyvninger blevet testet, med hastigheder langt højere end Mach 5 eller sogar Mach 10.

Disse milepæle kan spores tilbage til de første objekter, der var i stand til hypersonisk bevægelse. Det første objekt, der blev fremstillet til hypersonisk flyvning, var Bumper-raketa, som i 1949 nåede en hastighed på omtrent Mach 6. Det overlevede dog ikke genindtrængen i atmosfæren.

For at opretholde og kontrollere sådanne hastigheder i fly, blev nye fremdriftsløsninger essentielle.

En nøgleteknologi for hypersonisk flyvning har været scramjet. En supersonisk forbændingsramjet, eller scramjet, er en variant af en ramjet-luft-åndende jetmotor, der udfører forbænding i supersonisk luftstrøm, hvilket gør den mere effektiv til hypersonisk flyvning end en traditionel ramjet.

En avanceret type af luft-åndende jetmotor, en scramjet, opererer ved Mach 5 og derover. Den har ingen bevægelige dele og bruger flyets fremadretning til at komprimere luft til forbænding.  

Før scramjets tilbudte ramjets den mest effektive vej til Mach 3 til Mach 5 og fungerede som den laveste etape i mange hypersoniske systemer. Mellem ramjet og scramjet findes dual-mode ramjets, der muliggør Mach 3 til Mach 8-flyvning i ét motor.Dernæst er der turbo-baserede kombinerede cyklus (TBCC) motorer, som er en hybrid af en traditionel turbojet og en ramjet/scramjet. Mens turbojets kan fungere op til omkring Mach 2 til Mach 3, skifter de til ramjet/scramjet-læget ved højere hastigheder.Andre typer af motorer omfatter luft-turbo-raket (ATR)-motorer, der bruger atmosfærisk ilt til at brænde brændstof, roterende detonationsmotorer (RDE), der bruger en kontinuerlig roterende detonationsbølge til forbrænding, og kombinerede cyklusmotorer fra Reaction Engines (SABRE), der er en luft-åndende og raket-hybrid med en forkøler, der afkøler indkommende hypersonisk luft til omgivelse.
Swipe for at rulle →

Disse innovationer har banet vejen for ambitiøse kommercielle koncepter. For eksempel forestiller A-HyM Hypersonic Air Master sig et kommercielt fly, der opererer ved Mach 7,3. Dette futuristiske jet-koncept er designet til et kommercielt fly, der ville tillade en tur fra London til Los Angeles at væres afsluttet på kun 90 minutter. Det estimeres at have en kapacitet på omkring 170 passagerer.Dets motorsystem ville kombinere skæv detonation motor (ODE), ramjet og turbojet-teknologier i en kombineret-cyklus-konfiguration. Derudover ville det blive drevet af en brintmotor. Desuden ville A-HyM have en titan og carbonfiber-struktur, og for at imødekomme støjproblemerne, vil det inkludere et Sonic Boom Mitigation System.

En sonisk boom er en dunkel lyd forårsaget af et objekt, der flyver hurtigere end lydens hastighed. Det er ikke bare en enkelt “boom”, men snarere en kontinuert lyd, der udsendes, så længe objektet flyver i overlyds-hastigheder. 

Så er der det genbrugelige hypersoniske rumfly-koncept kaldet Stargazer, foreslået af Venus Aerospace, som sigter mod hastigheder på omkring Mach 9, en række på omkring 5.000 miles og kryvningshøjder langt over 100.000 fod – hvilket positionerer det som en ultra-hurtig platform for global rejse.

For nylig Lockheed Martin (LMT ) Ventures erhvervede en strategisk aktiepost i raketdrifts-startup’pen midt i en stigende konkurrence for at accelerere hypersonisk missiludvikling.

Venus Aerospace har udviklet et drivsystem, en roterende detonation-raketmotor (RDRE), der bruger en kontinuert roterende detonation-chokbølge til at generere tryk og gennemførte en flyvetest af en 2.000-pund-tryk-RDRE tidligere på året. Den ikke-offentliggjorte finansiering vil hjælpe virksomheden med at udvikle sine “evner til at levere i stor målestok og udrulle motoren.”

Så private luftfartsfirmaer accelererer mod genbrugelige hypersoniske platforme, men de er ikke alene; regeringsagenturer verden over investerer også i avanceret hypersonisk forskning.

Ingeniører på NASA arbejder med Air Force Research Laboratory (AFRL) og Australiens Defence Science and Technology Organisation (DSTO) på et Hypersonic International Flight Research Experimentation Program (HIFiRE) Program, der vil teste en dual-mode ramjet/scramjet for en mål-hastighed på Mach 8. 

Den australske regering har for nylig gjort en $10 millioner equity-investering i den lokale luftfartsfirma Hypersonix Launch Systems (HLS), som udvikler et fly, der vil flyve i over Mach 12 og vil blive drevet af brintbrændstof. Deres proprietære scramjet-motor er kaldt “SPARTAN,” og den er genbrugelig og 3D-printet.

Sidste måned GE Aerospace (GE ) gennemførte en flyvetest af ATLAS, en demonstrator drevet af virksomhedens nye faststof-ramjet, under det amerikanske forsvarsministeriums Defense Production Act Title III-program.

Den Europæiske Rumfartsorganisation (ESA) har også lanceret et forskningsprogram kaldt INVICTUS for at udvikle sine egne hypersoniske flyteknologier. Det vil demonstrere nøgleteknologier for bæredygtig hypersonisk flyvning og vil være et fuldt genbrugeligt køretøj i stand til at flyve i Mach 5.

Investering i hypersonisk flyteknologi

Lockheed Martin Corporation er et luft- og sikkerhedsfirma, der designer, fremstiller, integrerer og supporterer avancerede teknologisystemer. Det opererer gennem:

• Aeronautics
• Missiler og ildkontrol (MFC)
• Rotary og Mission Systems (RMS)
• Rumsegmenter

Firmaet beskæftiger sig hovedsageligt med udviklingen af militærfly, luft-, hav- og landbaserede missilforsvarssystemer, militære og kommercielle helikoptere, bemandede og ubemandede køretøjer, satellitter, rumtransportsystemer og energistyringsløsninger.

I partnerskab med NASA har Lockheed Martin udviklet X-59 for at løse problemet med sonisk boom.

Med en forlænget skrog, sigter X-59’s design til at redistribuere chokbølgen, når den bryder lydmuren. Den har reduceret den opfattede støj på jorden til omkring 75 decibel, og skaber kun en sonisk “dunken”, som er “lige så høj som en bil dør, der lukkes.”

For nylig fløj X-59 for første gang, fra Skunk Works’ Palmdale-facilitet til NASA’s Armstrong Flight Research Center, hvilket Lockheed Martin beskriver som en “momentum”, der viser, at “fremtiden for flyvning kan være hurtigere og stillede end nogensinde før.”

Det er mindre end 100 fod langt, har en vingespænd på omkring 30 fod og er omkring 14 fod højt. Det krydser i omkring 55.000 fod og kan nå Mach 1,4 hastigheder på 925 mph.

“X-59 vil blive brugt til at indsamle data om samfundets reaktion på acceptabiliteten af en stille sonisk boom genereret af flyets unikke design. Dataene vil hjælpe NASA med at give regulatorerne den nødvendige information til at etablere en acceptabel kommerciel supersonisk støjstandard til at løfte forbuddet mod kommerciel supersonisk rejse over land,” siger firmaet. “Dette gennembrud vil åbne døren til en helt ny global marked for flyproducenter, og gøre det muligt for passagerer at rejse hvor som helst i verden på halv tid af, hvad det tager i dag.“

Ikke kun har det udviklet X-59 med NASA, men det arbejder også på SR-72, med et operationsmål på omkring Mach 6. Mens ikke meget er kendt om dette konceptuelle efterfølger til SR-71 Blackbird, SR-72 er tænkt til efterretning, overvågning og rekognoscering og er almindeligt kendt som “Søn af Blackbird.”

Denne er positioneret som et hypersonisk fly, der kan komme i tjeneste i 2030’erne.Med en markedsværdi på 109 milliarder dollars, handles Lockheed Martin-aktier i øjeblikket til 470,78 dollars, med dets 52-uge interval værende 410,11 dollars og 546,00 dollars. Det har en EPS (TTM) på 17,95 og en P/E (TTM) på 26,22.

Lockheed betaler en udbytteafkast på 2,93%. Tidligt sidste måned autoriserede det en fjerde-kvartals udbyttebetaling på 3,45 dollars pr. aktie, en stigning på 5% i forhold til den foregående kvartalsvise udbyttebetaling på. Selskabet returnerede også 1,8 milliarder dollars i kontanter til dets aktionærer i Q3 2024 gennem udbytte og aktietilbagekøb, som blev øget med 2 milliarder dollars til en samlet sum på 9 milliarder dollars.

Under denne periode opnåede det en omsætning på 18,6 milliarder dollars og et nettooverskud på 1,6 milliarder dollars, eller 6,95 dollars pr. aktie. Dets kontantflow fra drift var 3,7 milliarder dollars, mens den frie kontantflow var 3,3 milliarder dollars.

Lockheed rapporterede også en rekordhøj ordrerestance på 179 milliarder dollars, som CEO Jim Taiclet sagde, “understreger den tillid, vores kunder har til os, og understøtter vores selskabs langsigtede vækstmuligheder.” Han bemærkede også, at som følge af “usædvanlig efterspørgsel, øger vi produktionseffekten betydeligt på tværs af en bred vifte af vores forretningsområder.”

Seneste Lockheed Martin Corporation (LMT) Aktienyheder

Konklusion

Hypersonisk flyvning er ikke længere en fjernt grænse, men en testbar ingeniørudfordring, som er ved at blive tættere på at blive en realitet med gennembrud i propel-systemer, global investering i genbrugelige højhastigheds-køretøjer og nye eksperimenter, der validerer årtier gamle hypoteser.

Referencer

1. Segall, B. A., Keenoy, T. C., Kokinakos, J. C., Langhorn, J. D., Hameed, A., Shekhtman, D., & Parziale, N. J. “Hypersoniske turbulente størrelser til støtte for Morkovins hypotese.” Nature Communications 16, Artikel 9584 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65398-4