Hvordan hypersonisk flyteknologi flytter sig fra laboratoriet 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? 

Selvom det kan føles som ønsketænkning, er det tæt på at blive muligt i en ikke så fjern fremtid, da en ny undersøgelse bringer hypersoniske flyvninger endnu et stort skridt tættere på virkeligheden.

Studiet er udgivet i Nature Communications og indeholder detaljer. a gennembrud i forståelsen af ​​hypersonisk turbulens¹ at kunne forandre langdistancerejser. 

Når det kommer til hypersonisk fly, og design af flyet er kritisk til dens succes. For at designe et så højhastighedskøretøj er det vigtigt præcist at forudsige aerodynamisk modstand og varmeoverførsel, hvilket kræver en fysisk forståelse af turbulens ved disse ekstreme hastigheder.

For at få den forståelse testede forskere fra det private forskningsuniversitet Stevens Institute of Technology det samme, hvor deres laserbaserede krypton-eksperimenter tyder på, at turbulens ved hypersoniske hastigheder opfører sig mere som en langsommere luftstrøm end forventet. 

Med resultaterne, der viser, at turbulens ved ekstreme hastigheder muligvis ikke afviger meget fra den ved lavere hastigheder kunne dette forenkle og strømline designet af hypersoniske køretøjer og fremskynde fremskridtene hen imod at gøre ultrahurtig rejse til virkelighed.

Og hvis det går fra science fiction-verdenen til virkeligheden, kan hypersoniske flyvninger fuldstændig ændre den globale rejseaktivitet. Langdistanceruter, der i øjeblikket tager 10 til 20 timers flyvetid, kan blive til korte pendlerture, der kan tage kun en time. 

"Det krymper virkelig planeten," sagde studiets medforfatter Nicholaus Parziale fra Institut for Maskinteknik, Stevens Institute of Technology, Hoboken, NJ, USA. "Det vil gøre rejsen hurtigere, nemmere og mere behagelig."

Fokus i Parziales forskning er på at gøre hypersonisk flyvning til virkelighed. Det betyder en flyvning gennem atmosfæren under højder på omkring 90 km med en hastighed, der er større end fem gange lydens hastighed, hvilket henvises til som Mach 5.

Mach 1 er simpelthen lydens hastighed, dvs. 761 miles i timen. Forskere forsøger at få fly flyvende at så meget som Mach 10 at reducere tiden drastisk, men selvfølgelig opfører luften sig ikke på samme måde omkring flyet ved så høje hastigheder som ved lave hastigheder.

Videnskabeligt set er der ved lave hastigheder, under 1 Mach, en ukomprimerbar strømning. Denne betyder, at lufttætheden forbliver næsten konstant, og flydesignet er enkelt.

Men dette ændrer sig ved højere hastigheder, hvor der forekommer kompressibel strømning, og det skyldes, at gas kan komprimeres. Hvad er det midler is at på grund af variationer i tryk og temperatur, og Luftdensiteten ændrer sig betydeligt, og den kompression påvirker, hvordan et fly flyver.

"Kompressibilitet påvirker, hvordan luftstrømmen bevæger sig rundt i kroppen, og det kan ændre ting som løft, modstand og tryk, der kræves for at lette eller forblive i luften," som alle er nøglen til flyets design.

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

Der er dog Morkovins hypotese. Hypotesen er fundamental for vores forståelse af supersonisk og hypersonisk kompressibel turbulens. Ifølge hypotesen "kan vi med sikkerhed forvente, at den væsentlige dynamik i disse supersoniske forskydningsstrømme vil følge det inkompressible mønster."

Hypotesen, der blev udarbejdet for over et halvt århundrede siden af ​​Mark Morkovin, antyder, at turbulensens adfærd ved Mach 5 eller 6 ikke er meget anderledes end ved lavere hastigheder. Mens lufttæthed og temperatur ændrer sig mere i hurtigere strømninger, siger hypotesen, at den grundlæggende "hakkende" bevægelse ved turbulens forbliver for det meste det samme. 

"Grundlæggende set betyder Morkovins hypotese, at den måde, hvorpå turbulent 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 ved disse højere hastigheder. Vi kan bruge de samme koncepter, som vi bruge til de langsommere strømme.” 

- Delvis

Denne betyder også, at der ikke er behov for væsentligt forskellige designtilgange, hvilket forenkler hypersoniske fly.

Indtil videre har der dog ikke været tilstrækkeligt eksperimentelt bevismateriale til at understøtte hypotesen. Derfor tog Parziale og hans team udfordringen op og brugte over et årti på at bygge opsætningen. for det samme.

I deres undersøgelse med titlen "Hypersoniske turbulente mængder til støtte for Morkovins hypotese" anvendte hans team krypton, en farveløs, smagløs, lugtfri og letteste ædelgas, som kun forekommer i spormængder i atmosfæren.

Ved hjælp af lasere ioniserede Parziales hold først krypton. Gassen blev tilført luftstrømmen inde i en vindtunnel, hvilket midlertidigt fik dens atomer til at danne en lysende linje. Selvom den fluorescerende kryptonlinje oprindeligt var lige, bøjede og snoede den sig, mens den bevægede sig gennem vindtunnelens luft. Holdet brugte kameraer med ultrahøj opløsning til at fange dens bevægelse.

"Når den linje bevæger sig med gassen, kan man se rynker og struktur i strømmen, og ud fra det kan vi lære meget om turbulens," sagde Parziale. "Og det, vi fandt, var, at turbulensen ved Mach 6 er ret tæt på den ukomprimerbare strømning."

Ifølge undersøgelsen understøtter deres eksperimentelle data Morkovins hypotese, som er fundamental for vores forståelse af hypersonisk og supersonisk kompressibel turbulens.

Selvom Morkovins hypotese ikke er fuldt ud bekræftet, er det en præstation. Ved at antyde, at fly ikke behøver en helt ny designtilgang for at flyve med hypersoniske hastigheder, forenkler det tingene og bringer os et stort skridt tættere på hypersonisk flyvning.

"I dag er vi nødt til at bruge computere til at designe et fly, og de beregningsmæssige ressourcer til at designe et fly, der kan flyve med Mach 6, ville være umulige at simulere alle de små, fine, små detaljer," sagde Parziale. "Morkovins hypotese giver os mulighed for at forenkle antagelser, så de beregningsmæssige krav til design af hypersoniske fartøjer kan blive mere gennemførlige."

Ifølge Parziale, som har modtog præsidentens pris for tidlig karriere for forskere og ingeniører for Hans forskning i fluidmekanikken, der påvirker højhastighedsflyvning, kan hjælpe med at transformere rumtransport. Han sagde:

"Hvis vi kan bygge fly, der flyver med hypersonisk hastighed, kan vi også flyve dem ud i rummet i stedet for at affyre raketter, hvilket ville gøre transport til og fra lavt kredsløb om Jorden lettere. Det vil være revolutionerende for transport, ikke kun på Jorden, men også i lavt kredsløb."

Kapløbet om at frigøre hypersonisk flyvning, mobilitet og forsvar

Selvom hypersonisk flyvning ikke er her, foretog det første supersoniske passagerfly sin første kommercielle flyvning i 1976. Concorde, et fælles projekt mellem Storbritannien og Frankrig, var det supersoniske kommercielle passagerfly, der kunne flyve hurtigere end lydens hastighed. Det var kendt for sin luksus og hastighed, at det opererede transatlantiske ruter og halverede flyvetiden. 

Men lige efter 50,000 flyvninger blev den taget ud af drift i 2003 efter et fatalt styrt, lavt passagertal og høje vedligeholdelsesomkostninger. Dette tidlige kapitel i højhastighedsflyvning satte både potentialet og begrænsningerne for fremtidige indsatser.

Selvom Concorde mislykkedes, viste at det var muligt at krydse Atlanten på få timer, og nu fokuserer organisationerne på stigende brændstofeffektivitet og design af fly der kan opnå høje hastigheder. En ny generation af jetfly arbejder også på at opfylde løftet om hypersonisk flyvning.

Mens kommercielle fly er endnu ikke opnå ekstreme hastigheder, militærfly flyver allerede med omtrent tre gange lydens hastighed, alias Mach 3. I mellemtiden er mange hypersoniske flyvninger blevet testet, ved hastigheder meget højere end Mach 5 or selv Mach 10.

Disse milepæle spores tilbage til de tidligste objekter, der er i stand til at bevæge sig hypersonisk. Den første en fremstillet til Hypersonisk flyvning var Bumper-raketten, som tilbage i 1949, nåede en hastighed på omkring Mach 6. Den overlevede dog ikke genindtræden.

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

En nøgleteknologi til hypersonisk flyvning har været scramjet-flyet. En supersonisk forbrændingsramjet, eller scramjet, er en variant af en ramjet luftåndende jetmotor, der udfører forbrænding i supersonisk luftstrøm, hvilket gør den mere effektiv til hypersonisk flyvning end en traditionel ramjet.

En scramjet er en avanceret type luftåndende jetmotor, der opererer ved Mach 5 og derover. Den har ingen bevægelige dele og bruger flyets fremadgående bevægelse til at komprimere luft til forbrænding.  

Før scramjets tilbød ramjets den mest effektive vej til Mach 3 til Mach 5 og fungerede som det lavere trin i mange hypersoniske systemer. Mellem ramjet og scramjet er dual-mode ramjets, der muliggør flyvning fra Mach 3 til Mach 8 i en motor.

Derudover er der turbobaserede kombinerede cyklusmotorer (TBCC), som er en hybrid af en traditionel turbojet og en ramjet/scramjet. Mens turbojetmotorer kan arbejde op til omkring Mach 2 til Mach 3, skifter de til ramjet/scramjet-tilstand ved højere hastigheder.

Andre typer motorer inkluderer luft-turbo-raketmotorer (ATR), der bruger atmosfærisk ilt til at forbrænde brændstof, roterende detonationsmotorer (RDE'er), der bruger en kontinuerlig roterende detonationsbølge til forbrænding, og kombinerede cyklusmotorer fra Reaction Engines (SABRE), som er en luftåndings- og rakethybrid med en forkøler, der køler indkommende hypersonisk luft ned til omgivelsestemperaturen.
Stryg for at scrolle →

Disse innovationer har banet vejen for ambitiøse kommercielle koncepter. For eksempel forestiller A-HyM Hypersonic Air Master sig et kommercielt fly, der opererer med en hastighed på Mach 7.3. Dette futuristiske jetkoncept er designet for et kommercielt passagerfly, der ville muliggøre en rejse fra London til Los Angeles til være afsluttet på bare 90 minutter. Det anslås at have en kapacitet til omkring 170 passagerer.

Dens motorsystem ville kombinere skrå detonationsmotor (ODE), ramjet- og turbojet-teknologier i en kombineret cykluskonfiguration. Det ville også være drevet ved en brintmotorDesuden ville A-HyM have en titan og kulfiberstruktur, og for at imødegå støjbekymringerne vil den indbygge et Sonic Boom Mitigation System.

Et sonisk boom er en tordnende lyd forårsaget af en genstand bevæger sig hurtigere end lydens hastighed. Det er ikke bare et enkelt "bum", men snarere en kontinuerlig lydudsendelsed så længe objektet flyver med supersoniske hastigheder. 

Så er der det genanvendelige hypersoniske rumflykoncept kaldet Stargazer, foreslået af Venus Aerospace, der sigter mod hastigheder omkring Mach 9, en rækkevidde i størrelsesordenen 5,000 miles og marchhøjder langt over 100,000 fod – hvilket positionerer det som en ultrahurtig platform til global rejse.

For nylig, Lockheed Martin (LMT ) Ventures erhvervede en strategisk andel i raketfremdriftsstartupen midt i stigende konkurrence om at accelerere udviklingen af ​​hypersoniske missiler.

Venus Aerospace har udviklet et fremdriftssystem, en roterende detonationsraketmotor (RDRE), der bruger en kontinuerligt roterende detonationschokbølge til at generere fremdrift, og har afsluttet sin flyvetest af en RDRE med en fremdrift på 2,000 kg tidligere i år. Den ikke-offentliggjorte finansiering vil hjælpe virksomheden med at forbedre sine "evner til at levere i stor skala og implementere motoren".

Så private luftfartsvirksomheder accelererer mod genanvendelig hypersonisk platforme, men de er ikke alene; offentlige myndigheder verden over er også investering i avanceret hypersonisk forskning.

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

Den australske regering har for nylig foretaget en aktieinvestering på 10 millioner dollars ind det lokale luftfartsfirma Hypersonix Launch Systems (HLS), som udvikler et fly, der ville flyve med over Mach 12 og vilje være drevet ved hjælp af brintbrændstof. Deres proprietære scramjet-motor is kaldet "SPARTANSK", og det er genanvendelig og 3D-printet.

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

Den Europæiske Rumorganisation (ESA) har også lanceret et forskningsprogram kaldet INVICTUS skal udvikle sine egne hypersoniske flyteknologier. Det vil demonstrere nøgleteknologier til vedvarende hypersonisk flyvning og vil være et fuldt genanvendeligt fartøj, der kan flyve med Mach 5.

Investering i hypersonisk flyteknologi

Lockheed Martin Corporation er en virksomhed inden for luftfart og sikkerhed, der designer, producerer, integrerer og understøtter avancerede teknologisystemer. Virksomheden opererer gennem:

• Luftfart
• Missiler og ildkontrol (MFC)
• Rotary- og missionssystemer (RMS)
• Rumsegmenter

OM FIRMAET beskæftiger sig primært med udvikling af militærfly, luft-, sø- og landbaserede missilforsvarssystemer, militære og kommercielle helikoptere, bemandede og ubemandet jordkøretøjer, satellitter, rumtransportsystemer og energistyringsløsninger.

I samarbejde med NASA har Lockheed Martin udviklet X-59 for specifikt at adressere problemet med sonisk boom.

Med en aflang flykrop sigter X-59's design mod at omfordele chokbølgen, når lydbarrieren brydes. Den har reduceret den opfattede støj på jorden til omkring 75 decibel, hvilket kun skaber et sonisk "dunk", som er "omtrent lige så højt som en bildør, der lukker sig".

Sidst i sidste måned fløj X-59 for allerførste gang fra Skunk Works' Palmdale-anlæg til NASAs Armstrong Flight Research Center, hvilket Lockheed Martin beskriver som et "momentum", der beviser, at "fremtidens flyvning kan være hurtigere og mere støjsvag end nogensinde før."

Den er mindre end 30 meter lang, har et vingefang på omkring 100 meter og er omkring 55,000 meter høj. Den flyver i en højde på omkring 1.4 meter og kan nå en fart på Mach 14. hastigheder på 925 mph.

"X-59 vil blive brugt til at indsamle data fra lokalsamfundet om acceptabiliteten af ​​et stille sonisk brag genereret af flyets unikke design. Dataene vil hjælpe NASA med at give myndighederne de oplysninger, der er nødvendige for at etablere en acceptabel kommerciel supersonisk støjstandard for at ophæve forbuddet mod kommerciel supersonisk støjflyvning over land." siger virksomheden."Dette gennembrud ville åbne døren til et helt nyt globalt marked for flyproducenter, hvilket ville gøre det muligt for passagerer at rejse overalt i verden på den halve tid, det tager i dag."

Ikke alene har den udviklet X-59 sammen med NASA, men den arbejder også på SR-72 med et operationelt mål på omkring Mach 6. Selvom det ikke er meget er kendt Om denne konceptuelle efterfølger til SR-71 Blackbird, er SR-72 beregnet til efterretningsarbejde, overvågning og rekognoscering og er almindeligvis omtalt til som "Solsortens søn".

Denne er placeret som et hypersonisk fly, der kunne træde i tjeneste i 2030'erne.

Med en markedsværdi på 109 milliarder dollars handles Lockheed Martin-aktier i øjeblikket til 470.78 dollars. dens 52-ugers rækkevidde være $410.11 og $ 546.00. Den har en EPS (TTM) på 17.95 og en P/E (TTM) på 26.22.

Lockheed land har udbytteprocent of 2.93%. I starten af ​​sidste måned godkendte den et udbytte for fjerde kvartal betaling på 3.45 dollars pr. aktie, en stigning på 5 % i forhold til den foregående kvartalsvis udbytte betaling. Virksomheden returnerede også 1.8 milliarder dollars i kontanter til sine aktionærer i 3. kvartal 2024 gennem udbytte og aktietilbagekøb, som blev øget med 2 milliarder dollars til i alt 9 milliarder dollars.

I denne periode registrerede virksomheden et salg på 18.6 milliarder dollars og et nettoresultat på 1.6 milliarder dollars eller 6.95 dollars pr. aktie. Dens pengestrømme fra driften var 3.7 milliarder dollars, mens den frie pengestrøm var 3.3 milliarder dollars. 

Lockheed rapporterede også en rekordstor ordrebeholdning på 179 milliarder dollars, hvilket ifølge administrerende direktør Jim Taiclet "understreger den tillid, vores kunder har til os, og understøtter vores virksomheds langsigtede vækstmuligheder." Han bemærkede også, at som følge af "hidtil uset efterspørgsel øger vi produktionskapaciteten betydeligt på tværs af en bred vifte af vores forretningsområder."

Seneste Lockheed Martin Corporation (LMT) Aktienyheder

Konklusion

Hypersonisk flyvning er ikke længere en fjern grænse, men en afprøvelig ingeniørudfordring. som bliver tættere på bliver en virkelighed med gennembrud inden for fremdriftssystemer, globale investeringer i genanvendelige højhastighedskøretøjer og nye eksperimenter, der validerer årtier gamle hypoteser.

Referencer

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