Hur hypersonisk flygteknik går från laboratorium till himlen

Föreställ dig att du kunde flyga från en del av världen till en annan på en timme, istället för att ta en hel dag. Är inte det spännande? 

Även om det kan kännas som önsketänkande, är det nära att bli möjligt inom en inte så avlägsen framtid då en ny studie tar hypersoniska flyg ett stort steg närmare verkligheten.

Publicerad i Nature Communications beskriver studien en banbrytande förståelse av hypersonisk turbulens¹ som kan förändra långdistansresor. 

När det gäller hypersoniska flyg är designen av flygplanet avgörande för dess framgång. För att designa ett sådant höghastighetsfordon är det viktigt att exakt förutsäga aerodynamiskt drag och värmeöverföring, vilket kräver en fysisk förståelse av turbulens vid dessa extrema hastigheter.

För att få den förståelsen testade forskare från den privata forskningsuniversiteten Stevens Institute of Technology samma sak, med deras laserbaserade kryptonexperiment som tyder på att turbulens vid hypersoniska hastigheter beter sig mer som långsammare luftflöde än förväntat. 

Med resultaten som visar att turbulens vid extrema hastigheter kanske inte skiljer sig mycket från den vid lägre hastigheter, kan detta förenkla och effektivisera designen av hypersoniska fordon och påskynda framsteg mot att göra ultrasnabb resa till verklighet.

Och om det verkligen går från science fiction till verklighet kan hypersoniska flyg helt förändra global resa. Långdistansrutter som idag tar 10 till 20 timmars flygtid kan bli korta pendlingar som kan ta bara en timme. 

“Det krymper verkligen planeten,” sade studiens medförfattare Nicholaus Parziale från Department of Mechanical Engineering, Stevens Institute of Technology, Hoboken, NJ, USA. “Det kommer göra resor snabbare, enklare och roligare.”

Parziales forskning fokuserar på att göra hypersonisk flyg till verklighet. Det innebär en flygning genom atmosfären under en höjd på cirka 56 miles (ungefär 90 km) med en hastighet som är mer än fem gånger ljudets hastighet, vilket kallas Mach 5.

Mach 1 är helt enkelt ljudets hastighet, dvs. 761 miles per timme. Forskare försöker få flygplan att flyga så högt som Mach 10 för att drastiskt minska restiden, men naturligtvis beter sig luften runt flygplanet annorlunda vid så höga hastigheter jämfört med låga hastigheter.

Vetenskapligt, vid låga hastigheter, under 1 Mach, finns ett inkompressibelt flöde. Detta betyder att luftdensiteten förblir nästan konstant, och flygplansdesign är enkel.

Men detta förändras vid högre hastigheter, där kompressibelt flöde uppstår, eftersom gas kan komprimeras. Detta betyder att på grund av variationer i tryck och temperatur förändras luftdensiteten avsevärt, och den kompressionen påverkar hur ett flygplan flyger.

“Kompressibilitet påverkar hur luftflödet rör sig runt kroppen, och det kan förändra saker som lyftkraft, drag och den drivkraft som krävs för att lyfta eller hålla sig i luften,” vilket alla är nyckeln till flygplansdesign.

Vid ‘låga Mach’-tal har ingenjörer en god förståelse för hur detta luftflöde fungerar och påverkar flygplan. Men inte lika mycket vid högre Mach-tal.

Det finns dock Morkovins hypotes. Hypotesen är grundläggande för vår förståelse av supersonisk och hypersonisk kompressibel turbulens. Enligt hypotesen “kan vi med förtroende förvänta att de grundläggande dynamikerna i dessa supersoniska skjuvflöden följer det inkompressibla mönstret.”

Formulerad för mer än ett halvt sekel sedan av Mark Morkovin föreslår hypotesen att vid Mach 5 eller 6 är turbulensbeteendet inte mycket annorlunda än vid lägre hastigheter. Även om luftdensitet och temperatur förändras mer i snabbare flöden, säger hypotesen att den grundläggande “gropiga” rörelsen av turbulens i huvudsak förblir densamma. 

I princip betyder Morkovins hypotes att hur den turbulenta luften rör sig vid låga och höga hastigheter inte är så olika. Om hypotesen är korrekt betyder det att vi inte behöver ett helt nytt sätt att förstå turbulens vid dessa högre hastigheter. Vi kan använda samma koncept som vi använder för de långsammare flödena. 

– Parziale

Detta innebär också att det inte behövs betydligt olika designmetoder, vilket förenklar hypersoniska plan.

Hittills har det dock inte funnits tillräcklig experimentell evidens för att stödja hypotesen. Därför tog Parziale och hans team sig an utmaningen och tillbringade över ett decennium med att bygga upp utrustningen för samma.

I deras studie med titeln “Hypersonic Turbulent Quantities in Support of Morkovin’s Hypothesis” använde hans team krypton, en färglös, smaklös, luktfri och lättaste ädelgas, som bara förekommer i spårmängder i atmosfären.

Genom att använda laser ioniserade Parziales team först krypton. Gasen såddes in i luftflödet i en vindtunnel, vilket tillfälligt fick dess atomer att bilda en glödande linje. Medan den initialt var rak, böjde och vridde den fluorescerande kryptonlinjen sig när den rörde sig genom vindtunnelns luft. Teamet använde ultrahögupplösta kameror för att fånga dess rörelse.

“När den linjen rör sig med gasen kan du se veck och struktur i flödet, och utifrån det kan vi lära oss mycket om turbulens,” sade Parziale. “Och vad vi fann var att vid Mach 6 är turbulensbeteendet ganska nära det inkompressibla flödet.”

Enligt studien stödjer deras experimentella data Morkovins hypotes, som är grundläggande för vår förståelse av hypersonisk och supersonisk kompressibel turbulens.

Även om Morkovins hypotes ännu inte är fullt bekräftad, är det en prestation. Genom att föreslå att flygplan inte behöver en helt ny designmetod för att flyga i hypersoniska hastigheter förenklar den saker och tar oss ett stort steg närmare hypersonisk flygning.

“Idag måste vi använda datorer för att designa ett flygplan, och de beräkningsresurser som krävs för att designa ett plan som ska flyga i Mach 6, genom att simulera alla små, fina detaljer, skulle vara omöjligt,” sade Parziale. “Morkovins hypotes gör det möjligt att göra förenklande antaganden så att de beräkningsmässiga kraven för att designa hypersoniska fordon blir mer hanterbara.”

Enligt Parziale, som har mottagit Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers för sin forskning om fluidmekanik som påverkar hög hastighetsflyg, kan studiens resultat hjälpa till att omvandla rymdtransport. Han sade:

“Om vi kan bygga plan som flyger i hypersonisk hastighet, kan vi också flyga dem in i rymden, snarare än att skjuta upp raketer, vilket skulle göra transport till och från låg jordbana enklare. Det kommer att bli en spelväxlare för transport inte bara på jorden, utan också i låg omloppsbana.”

Tävlingen om att låsa upp hypersonisk flygning, mobilitet & försvar

Även om hypersonisk flygning ännu inte är här, tog det första supersoniska passagerarflygplanet sin första kommersiella flygning 1976. Concorde, ett gemensamt projekt av Storbritannien och Frankrike, var det supersoniska kommersiella flygplanet som kunde flyga snabbare än ljudets hastighet. Det var känt för sin lyx och hastighet, opererade transatlantiska rutter och halverade flygtider.

Men efter bara 50 000 flygningar pensionerades det 2003 efter en dödlig krasch, lågt passagerarantal och höga underhållskostnader. Detta tidiga kapitel i hög hastighetsflyg satte både potentialen och begränsningarna för framtida insatser.

Även om Concorde misslyckades visade det att det var möjligt att korsa Atlanten på några timmar, och nu fokuserar organisationer på att öka bränsleeffektiviteten och designa flygplan som kan uppnå höga hastigheter. En ny generation av jetplan arbetar också med att uppfylla löftet om hypersonisk flygning.

Medan kommersiella flygplan ännu inte har nått extrema hastigheter, flyger militära flygplan redan i ungefär tre gånger ljudets hastighet, dvs. Mach 3. Samtidigt har många hypersoniska flyg testats, vid hastigheter mycket högre än Mach 5 eller till och med Mach 10.

Dessa milstolpar spåras tillbaka till de tidigaste objekten som kunde uppnå hypersonisk rörelse. Det första som tillverkades för hypersonisk flygning var Bumper-raketen, som redan 1949 nådde en hastighet på cirka Mach 6. Den överlevde dock inte återinträdet.

För att upprätthålla och kontrollera sådana hastigheter i flygplan blev nya framdrivningslösningar avgörande.

En nyckelteknologi för hypersonisk flygning har varit scramjet. En supersonisk förbränningsramjet, eller scramjet, är en variant av en ramjet luftandningsjetmotor, som utför förbränning i supersoniskt luftflöde, vilket gör den mer effektiv för hypersonisk flygning än en traditionell ramjet.

En avancerad typ av luftandningsjetmotor, en scramjet, opererar vid Mach 5 och högre. Den har inga rörliga delar och använder flygplanets framåtrörelse för att komprimera luft för förbränning.  

Före scramjets erbjöd ramjets den mest effektiva vägen till Mach 3 till Mach 5, och tjänade som den lägre etappen i många hypersoniska system. Mellan ramjet och scramjet finns dual-mode ramjets som möjliggör flygning från Mach 3 till Mach 8 i en motor.

Sedan finns turbo-baserade kombinerade cykelmotorer (TBCC), som är en hybrid av en traditionell turbojet och en ramjet/scramjet. Medan turbojetar kan fungera upp till cirka Mach 2 till Mach 3, övergår de för högre hastigheter till ramjet-/scramjetläge.

Andra typer av motorer inkluderar luft-turbo-rocket (ATR)-motorer som använder atmosfärisk syre för att bränna bränsle, roterande detonationsmotorer (RDE) som använder en kontinuerlig roterande detonationsvåg för förbränning, och kombinerade cykelmotorer av Reaction Engines (SABRE), som är en luftandnings- och rakethybrid med en förkylare som kyler den inkommande hypersoniska luften till omgivningstemperatur.
Swipe för att rulla →

Dessa innovationer har banat vägen för ambitiösa kommersiella koncept. Till exempel föreställer sig A-HyM Hypersonic Air Master ett kommersiellt flygplan som opererar vid Mach 7,3. Detta futuristiska jetkoncept är designat för ett kommersiellt flygplan som skulle möjliggöra en resa från London till Los Angeles på bara 90 minuter. Det beräknas ha en kapacitet på cirka 170 passagerare.

Dess motorsystem skulle kombinera en sneddetonationsmotor (ODE), ramjet och turbojet-teknologier i en kombinerad cykelkonfiguration. Dessutom skulle den drivas av en vätengasmotor. Vidare skulle A-HyM ha en struktur av titan och kolfiber, och för att hantera bullerproblem kommer den att inkludera ett system för att dämpa soniska smällar.

En sonisk smäll är ett dundrande ljud som orsakas av ett föremål som färdas snabbare än ljudets hastighet. Det är inte bara ett enskilt “boom” utan snarare ett kontinuerligt ljud som utsänds så länge föremålet flyger i supersonisk hastighet. 

Sedan finns det återanvändbara hypersoniska rymdflygplankonceptet kallat Stargazer, föreslaget av Venus Aerospace, som siktar på hastigheter runt Mach 9, ett räckvidd på omkring 5 000 miles, och kryssningshöjder långt över 100 000 fot – vilket placerar det som en ultrarapid plattform för global resa.

Nyligen förvärvade Lockheed Martin (LMT ) Ventures ett strategiskt innehav i raketframdrivningsstartupen mitt i en växande konkurrens för att påskynda utvecklingen av hypersoniska missiler.

Venus Aerospace har utvecklat ett framdrivningssystem, en roterande detonationsraketmotor (RDRE), som använder en kontinuerligt roterande detonationschockvåg för att generera dragkraft och slutförde sitt flygtest av en 2 000 punds dragkraft RDRE tidigare i år. Den oannonserade finansieringen kommer att hjälpa företaget att förbättra sina “kapaciteter att leverera i skala och distribuera motorn.”

Alltså accelererar privata rymdföretag mot återanvändbara hypersoniska plattformar, men de är inte ensamma; regeringsorgan världen över investerar också i avancerad hypersonisk forskning.

Ingenjörer på NASA arbetar med Air Force Research Laboratory (AFRL) och Australiens Defence Science and Technology Organisation (DSTO) på ett Hypersonic International Flight Research Experimentation Program (HIFiRE) som skulle testa en dual-mode ramjet/scramjet för en målhastighet på Mach 8.

Den australiensiska regeringen har nyligen avsatt en aktieinvestering på 10 miljoner dollar i det lokala rymdföretaget Hypersonix Launch Systems (HLS), som utvecklar ett flygplan som skulle flyga över Mach 12 och kommer att drivas av vätgas. Deras proprietära scramjet-motor heter “SPARTAN” och är återanvändbar samt 3D-printad.

Förra månaden testade GE Aerospace (GE ) ATLAS, en demonstrator drivs av företagets nya fastbränsle-ramjet, under USA:s försvarsdepartements Defense Production Act Title III-program.

Den Europeiska rymdorganisationen (ESA) har också lanserat ett forskningsprogram kallat INVICTUS för att utveckla sina egna hypersoniska flygteknologier. Det kommer att demonstrera nyckelteknologier för uthållig hypersonisk flygning och kommer att vara ett helt återanvändbart fordon som kan flyga i Mach 5.

Investering i hypersonisk flygteknik

Lockheed Martin Corporation är ett rymd- och säkerhetsföretag som designar, tillverkar, integrerar och stödjer avancerade tekniska system. Det verkar genom:

• Aeronautik
• Missiler och eldkontroll (MFC)
• Rotations- och missionssystem (RMS)
• Rymdsegment

Företaget är huvudsakligen engagerat i utvecklingen av militära flygplan, luft-, havs- och markbaserade missilsystem för försvar, militära och kommersiella helikoptrar, bemannade och obemannade markfordon, satelliter, rymdtransportssystem och energihanteringslösningar.

I samarbete med NASA har Lockheed Martin utvecklat X-59 för att specifikt ta itu med problemet med sonisk smäll.

Med en förlängd flygkropp syftar X-59:s design till att omfördela chockvågen när ljudvallen bryts. Den har minskat det upplevda ljudet på marken till cirka 75 decibel, och skapar bara en sonisk “duns”, vilket är “ungefär lika högt som att en bildörr stängs.”

Sent i slutet av förra månaden flög X-59 för allra första gången, från Skunk Works anläggning i Palmdale till NASA:s Armstrong Flight Research Center, vilket Lockheed Martin beskriver som ett “momentum” som bevisar att “framtiden för flygning kan vara snabbare och tystare än någonsin tidigare.”

Den är mindre än 100 fot lång, har ett vingspann på cirka 30 fot och är omkring 14 fot hög. Den kryssar på omkring 55 000 fot och kan nå Mach 1,4 med hastigheter på 925 mph.

“X-59 kommer att användas för att samla in samhällsresponsdata om acceptansen av en tyst sonisk smäll som genereras av flygplanets unika design. Data kommer att hjälpa NASA att ge regulatorer den information som behövs för att etablera en acceptabel kommersiell supersonisk bullerstandard för att häva förbudet mot kommersiell supersonisk resa över land,” säger företaget. “Detta genombrott skulle öppna dörren till en helt ny global marknad för flygplanstillverkare, vilket möjliggör för passagerare att resa var som helst i världen på hälften av den tid det tar idag.”

Inte bara har de utvecklat X-59 med NASA, utan de arbetar också på SR-72, med ett operativt mål på cirka Mach 6. Även om det inte är mycket känt om denna konceptuella eftertraktare till SR-71 Blackbird, är SR-72 avsedd för underrättelse, övervakning och spaning och kallas ofta “Son of Blackbird.”

Denna är positionerad som ett hypersoniskt flygplan som kan tas i tjänst under 2030-talet.

Med ett börsvärde på 109 miljarder dollar handlas Lockheed Martins aktier för närvarande till 470,78 dollar, med ett 52‑veckorsintervall på 410,11 dollar och 546,00 dollar. Den har en EPS (TTM) på 17,95 och ett P/E (TTM) på 26,22.

Lockheed betalar en utdelningsavkastning på 2,93 %. Tidigt förra månaden godkände den en fjärde kvartalets utdelning på 3,45 dollar per aktie, en ökning med 5 % jämfört med föregående kvartalsutdelning. Företaget återförde också 1,8 miljarder dollar i kontanter till sina aktieägare under Q3 2024 genom utdelningar och återköp av aktier, vilka ökades med 2 miljarder dollar till totalt 9 miljarder dollar.

Under denna period registrerade den en försäljning på 18,6 miljarder dollar och en nettovinst på 1,6 miljarder dollar, eller 6,95 dollar per aktie. Dess kassaflöde från verksamheten var 3,7 miljarder dollar, medan fritt kassaflöde var 3,3 miljarder dollar. 

Lockheed rapporterade också en rekordbakgrund på 179 miljarder dollar, vilket VD Jim Taiclet sade, “understryker det förtroende våra kunder har för oss och underbygger vårt företags långsiktiga tillväxtutsikter.” Han noterade också att som ett resultat av “oöverträffad efterfrågan” ökar vi produktionskapaciteten avsevärt över ett brett spektrum av våra affärsområden.

Senaste nyheter om Lockheed Martin Corporation (LMT) aktie

Slutsats

Hypersonisk flygning är inte längre en avlägsen gräns utan en testbar ingenjörsutmaning, som närmar sig att bli verklighet med genombrott i framdrivningssystem, globala investeringar i återanvändbara höghastighetsfordon och nya experiment som validerar årtionden gamla hypoteser.

Referenser

1. Segall, B. A., Keenoy, T. C., Kokinakos, J. C., Langhorn, J. D., Hameed, A., Shekhtman, D., & Parziale, N. J. “Hypersoniska turbulenta kvantiteter i stöd för Morkovins hypotes.” Nature Communications 16, Article 9584 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65398-4