نسبت‌های بای‌پس و جریمه‌ی مافوق صوت: چرا سه برابر شدن سرعت جت، مصرف سوخت را سه برابر می‌کند

در ارزیابی سال ۱۹۷۷ ناسا از موتورهای با چرخه متغیر برای هواپیماهای مافوق صوت با سرعت ماخ ۲.۷، مهندسان مصرف سوخت ویژه (SFC) را تقریباً ۱.۵ تا ۱.۸ پوند سوخت به ازای هر پوند نیروی رانش در ساعت ثبت کردند. نزدیک به پنجاه سال بعد، با وجود سرازیر شدن میلیاردها دلار سرمایه خطرپذیر به استارتاپ‌های هوافضا که وعده بازگشت «سبز» به سفرهای مسافری مافوق صوت را می‌دهند، این کف ترمودینامیکی تقریباً تکان نخورده است. فیزیک حرکت هوا از طریق توربین، جریمه‌ای سخت را برای سرعت دیکته می‌کند، جریمه‌ای که زبان بازاریابی مدرن اغلب سعی در پنهان کردن آن دارد.[1]

معیار اصلی حاکم بر این واقعیت، نسبت بای‌پس است—میزان هوایی که از اطراف محفظه احتراق موتور عبور می‌کند در مقایسه با هوایی که مستقیماً از آن می‌گذرد. طبق دانشنامه بریتانیکا، یک موتور با نسبت بای‌پس بالا، حجم زیادی از هوا را با سرعت نسبتاً کم شتاب می‌دهد، که برای پرواز زیرصوت بسیار کارآمدتر از شتاب دادن به حجم کمی از هوا با سرعت بالا است.[2]

هواپیماهای تجاری مدرن از توربوفن‌های با نسبت بای‌پس فوق‌العاده بالا استفاده می‌کنند که این نسبت اغلب از ۱۰:۱ یا ۱۲:۱ فراتر می‌رود. تجزیه و تحلیل انجام شده توسط سمپوزیوم بین‌المللی پدیده‌های حمل و نقل و دینامیک ماشین‌آلات دوار (ISROMAC) نشان می‌دهد که این موتورهای معمولی و با بای‌پس فوق‌العاده بالا، در طول پرواز زیرصوت به مصرف سوخت ویژه (SFC) حدود ۰.۴ تا ۰.۵ پوند بر پوند نیروی رانش در ساعت دست می‌یابند. این‌ها دلیل مکانیکی هستند که چرا یک پرواز بین قاره‌ای با بوئینگ ۷۸۷ یا ایرباس آ۳۵۰ از نظر اقتصادی برای طبقه متوسط مقرون به صرفه است.[4]

با این حال، موتورهای با بای‌پس بالا سطح مقطع جلویی عظیمی را ارائه می‌دهند که با نزدیک شدن هواپیما به ماخ ۱، درگ آیرودینامیکی بازدارنده‌ای ایجاد می‌کند. برای پرواز مافوق صوت، هواپیما به یک موتور با نسبت بای‌پس پایین (اغلب زیر ۱:۱) یا یک توربوجت خالص نیاز دارد، که اگرچه نمای باریک‌تری دارد، اما متکی بر پرتاب حجم کمی از هوا با سرعت‌های بسیار زیاد است. مقاله‌ای از دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس در مورد نسبت‌های بای‌پس موتور توربوفن تأیید می‌کند که با افزایش نیاز به نیروی رانش برای سرعت‌های مافوق صوت، نسبت بای‌پس باید کاهش یابد، که ذاتاً باعث افزایش جریان سوخت می‌شود.[3]

بررسی مفاهیم موتور با چرخه متغیر در مجموعه دیجیتال ASME خاطرنشان می‌کند: «چرخه ترمودینامیکی بنیادی یک موتور توربین گازی حکم می‌کند که بازده پیشرانش زمانی به اوج خود می‌رسد که سرعت خروجی اگزوز تقریباً با سرعت پرواز هواپیما مطابقت داشته باشد.» برای یک هواپیمای زیرصوت که با سرعت ۵۵۰ مایل در ساعت پرواز می‌کند، یک ستون اگزوز پهن و آهسته ایده‌آل است. اما برای یک جت که با سرعت ماخ ۲ (تقریباً ۱۵۰۰ مایل در ساعت) پرواز می‌کند، اگزوز باید به شدت سریع باشد، که مستلزم سوزاندن سوخت جت به مراتب بیشتری است.[6]

این امر در کنار جریمه سوخت، یک مشکل جدی نویز ایجاد می‌کند. یک مقاله فنی تاریخی SAE که در مورد نویز موتورهای بای‌پس بالا در مقیاس کامل تحقیق کرده، نشان می‌دهد که سرعت محض اگزوز بای‌پس پایین که با هوای محیط برخورد می‌کند، امضاهای صوتی کرکننده‌ای تولید می‌کند. این دلیل اصلی ممنوعیت پرواز کنکورد بر فراز مسیرهای زمینی بود، مانع نظارتی که امروز نیز به قوت خود باقی است.[5]

برای پر کردن این شکاف، مهندسان دهه‌ها را صرف توسعه موتور با چرخه متغیر (VCE) کرده‌اند، که تلاش می‌کند هندسه داخلی خود را در حین پرواز تغییر دهد. یک روش طراحی مفهومی MDPI برای ارزیابی مزایای VCE در هواپیماهای غیرنظامی مافوق صوت، توضیح می‌دهد که چگونه این موتورها در طول پرواز مافوق صوت مانند یک توربوجت با بای‌پس پایین عمل می‌کنند و برای پرواز زیرصوت و فرود به حالت بای‌پس بالاتر تغییر وضعیت می‌دهند.[7]

با این حال، در حالی که VCEها یک مصالحه ارائه می‌دهند، جریمه سوخت مافوق صوت را از بین نمی‌برند. آن‌ها صرفاً هواپیما را زمانی که مجبور است به آرامی بر فراز خشکی پرواز کند، کمتر ناکارآمد می‌سازند. داده‌های MDPI نشان می‌دهد که در حالی که VCE بازده پرواز زیرصوت را بهبود می‌بخشد، به محض اینکه هواپیما از ماخ ۱ فراتر می‌رود، باید به حالت بای‌پس پایین و تشنه سوخت بازگردد و بلافاصله مصرف سوخت ویژه آن در مقایسه با یک هواپیمای استاندارد زیرصوت، سه برابر می‌شود.[7]

این واقعیت ترمودینامیکی مستقیماً بیانیه‌های مطبوعاتی استارتاپ‌های مافوق صوت مدرن را به چالش می‌کشد. ادعاهای پرواز مافوق صوت «بدون انتشار خالص کربن» کاملاً متکی به در دسترس بودن مقادیر انبوه سوخت هوانوردی پایدار (SAF) در آینده است، نه بر یک پیشرفت بنیادی در معماری موتور. اگر یک جت مافوق صوت به ازای هر مایل مسافر، سه برابر سوخت نیاز داشته باشد، به سه برابر SAF نیاز خواهد داشت، منبعی که در حال حاضر کمیاب و گران است.[8]

صنعت هوانوردی با یک مرز فیزیکی سخت روبرو است. شما می‌توانید حجم زیادی از هوا را به آرامی و کارآمد حرکت دهید، یا می‌توانید حجم کمی از هوا را به شدت و با هزینه بالا حرکت دهید. تا زمانی که یک روش پیشرانش اساساً جدید اختراع نشود، بده‌بستان بین نسبت بای‌پس و دیوار صوتی مطلق باقی می‌ماند و سقف توانایی هوانوردی تجاری را تعیین می‌کند.[8]