陸の上を超音速で飛行できるようになるでしょうか?

Scritto da Matthew Hutson Nel 1947, il pilota collaudatore dell'aeronautica Chuck Yeager...

マシュー・ハトソン著

1947 年、空軍テストパイロットのチャックイェーガーが初めて音速の壁を突破しました。彼は、ベル X-1 と呼ばれる小さなオレンジ色の飛行機でそれを行いました。本質的には、コックピットとロケットエンジンに接続された 2 つの翼です。すべての超音速飛行士と同様に、イェーガーもソニックブームを追いかけた。ブームの背後にある原理は単純です。音は圧縮波の形で空気中を伝わります。圧縮波は、空気が濃くなったり疎になったりするときに発生するため、このように呼ばれます。飛行機が飛行すると、波は音速で全方向に広がります。しかし、飛行機自体がその速度を超えると（海抜で時速約 770 マイル、巡航高度で約 660 マイル）、前方に広がる波に追いつきます。それらは蓄積し始め、この単一の融合した波が同時に地面に到達し、ブームを引き起こします。低気圧のゾーン、つまり波の谷が続き、その後通常の気圧に戻り、独自の音を生み出します。（多くの場合、ソニックブームはブンブン鳴ります。）ソニックブームが雷のように聞こえるのは偶然ではありません。雷は、稲妻の周りに広がる衝撃波によって引き起こされるソニックブームです。弾丸はソニックブームを引き起こすのに十分な速さで移動し、鞭の尾も同様です。想像に反して、飛行機は音速の壁を突破したときに一度だけソニックブームを引き起こすのではなく、超音速である間ずっと継続的にソニックブームを引き起こします。このブームは、飛行機の高度 1,000 フィートごとに幅約 1 マイルの一種の音のほうきのように、その下のすべてのものを吹き飛ばします。

初の商用「超音速輸送機」（SST）となるコンコルドの計画は 1950 年代に始まりました。 NASA は 1958 年の設立と同時に超音速輸送に取り組み始め、最終的にボーイングによる設計に落ち着きました。しかし、これらの取り組みはソニックブームが完全に理解される前に始まりました。 1960年に書かれた技術概要の中で、NASAの科学者らは、「衝撃波騒音圧力」は「不快感を引き起こすだけでなく、窓など地上の建物構造の一部に損傷を与えるほどの強さ」になる可能性があると警告した。ただし、その煩わしさの全容を把握するには時間がかかるでしょう。 1961 年と 1962 年の 10 か月以上にわたり、空軍と連邦航空局 (FAA) はボンゴ作戦を実行し、セントルイス上空で B-58 爆撃機を飛行させ、飛行機が生み出した 150 回ほどのブームについて市民に尋ねました。著者らは、ブームが繰り返された後は「何らかの反応が予想されるかもしれない」とだけ結論づけた。（「ソニックブームは広報に関する最優先の問題だ」と空軍少佐は1962年にニューヨーカー紙に語った。）1964年、ボンゴII作戦によりオクラホマシティー上空で1000回以上のソニックブームが発生し、より明確な状況が明らかになった。人々は、睡眠、会話、心の平穏が妨げられ、時折石膏やガラスにひび割れが生じると訴えました。最終的には、約 4 人に 1 人が、騒音とともに生きていく方法を学ぶことができなかったと答えました。これらの研究と、馬や七面鳥が死亡した、または発狂したとされる物的損害に関する空軍に対する数万件の申し立てとともに、FAAは1973年に民間の陸上超音速飛行を禁止するに至った。

1969 年に初めて飛行したコンコルドが 2003 年に飛行を停止した理由はたくさんあります。その中には、超音速での飛行が海上でのみ許可されていたという事実があります。今月、ユナイテッド航空は、新世代の超音速旅客機の製造を目指すデンバーの新興企業ブーム・スーパーソニックから航空機を購入する計画を発表した。しかし、ブームの飛行機であるオーバーチュアは今後もブームを起こし、少なくともフルスロットルでは海外の猛獣であり続けるだろう。陸路の超音速旅行 (JFK から SFO までは多かれ少なかれ 3 時間) は、より静かなブームの発明にかかっています。

空気力学のコンピュータモデルが強化された過去 20 年間で、一種の衝撃音のような音が可能になった。「ソニックブーム形成の基本理論は、1960年代のコンコルドの開発中に実際に存在していました」とロッキード・マーチン社の航空車両責任者マイケル・ブオナンノ氏は私に語った。残念ながら、「当時のコンピューターは、理想的な形状を実際に調整するために必要な高度なシミュレーションを実行できるほど強力ではなかった」と彼は続けました。 2003 年と 2004 年に、NASA はより優れたシミュレーションを使用して、ノースロップグラマン F-5 に機首を付けたシェイプドソニックブームデモンストレーターを飛行させました。研究者らは、既存のジェット機の下側に取り外し可能な部分を接ぎ木することで費用を節約し、その球根状の形状からその航空機をペリカンと名付けました。 2006年と2007年、NASAはガルフストリームと提携して同様のアイデアを追求し、マクドネル・ダグラスF-15に機首から約24フィート突き出た「クワイエット・スパイク」を取り付けた。

どちらの場合も、そのアイデアは、先行する圧縮波のピークを丸くして、鋭いエッジの津波をより緩やかなうねりに変えることでした。平面は、その独特の形状を持ち、実際には多くの異なるウェーブレットを引き起こします。ウェーブレットが地面に近づくと、それらは合体して船首波と尾波となり、ブームを引き起こします。波が結合しないように飛行機の形状を変更することができれば、たとえば非常に長い機首を使用して波を広げることができれば、ソニックブームの強度は低くなります。この点において、ペリカンとクワイエット・スパイクはそこそこの成功を収めた。彼らのブームはそれほど激しいものではありませんでした。 2015年、JAXA、宇宙航空研究開発機構は、D-SENDと呼ばれる小規模プロジェクトで基本的な発見を確認した。同庁は、スウェーデン上空19マイルの気球から、高さ26フィートの動力なしの洗練されたグライダーを投下した。速度はマッハ 1.39、つまり音速の 1.39 倍に達し、比較的平坦な波を生成しました。

NASA の現在のプロジェクトである X-59 QueSST (Quiet SuperSonic Technology の略) は、低騒音技術の研究と、消音騒音に対する地域社会の反応の研究の両方を目的としています。 NASAのQueSST技術担当副プロジェクトマネージャー、デビッド・リッチワイン氏は、「飛行機は本質的に単なるブーム、あるいはこの場合は衝撃発生装置にすぎない」と語る。音響学者はラウドネスのさまざまな尺度を持っています。 NASA は知覚デシベルレベル (PLdB) を使用しています。コンコルドの騒音は約 103 PLdB で、近くの雷の音、または車に乗っているときに車のドアがバタンと閉まる音とほぼ同じです。 QueSST に対する NASA の目標である 75 PLdB は、その約 8 分の 1 であり、遠雷または 20 フィート離れた車のドアがバタンと閉まる音に相当します。 (デシベルや地震と同様、PLdB は対数スケールで測定されます。) ロッキード・マーチン社は現在、2024 年にアメリカの都市上空を飛行する予定の飛行機を製造中です。 (ブオナンノ氏は、このプロジェクトにおける同社の主任エンジニアです)。

とがった機首とデルタ翼を備えた 1 人乗りの X-59 は、ある点ではミニコンコルドに似ていますが、他の点では異なります。全長は100フィート、翼幅は30フィート、エンジンは尾翼の中央に配置され、必要と思われる以上に多くの面があり、尾翼の上下と機首にも水平安定板がある。ロッキード・マーチン社のX-59プログラムディレクター、デビッド・リチャードソン氏は、「これらはすべてショックを調整するために使用される」と語った。チームはブームの波の最前線を1ミリ秒から20、30ミリ秒まで伸ばすことを望んでいる。 (「私は約 30 年間スカンクワークスに在籍し、さまざまなプログラムを行ってきました。」とリチャードソン氏は付け加えました。「これは私にとって初めての非機密プログラムです。ですから、このことについて世界だけでなく話すことができるのは本当にうれしいです」でも家族には。」）

最終的に、X-59チームはボンゴIII作戦のようなものを実行することで、FAAに1973年の超音速輸送禁止令を再考するよう説得したいと考えている。代わりに政府機関が商用 SST の認証基準を発行することに同意するかもしれない。飛行機には商用設計に転用される可能性のある他の技術が含まれている。有望な機能の 1 つは、外部ビジョンシステム (XVS) です。X-59 はコックピットキャノピーとしては尖りすぎるため、チームは高解像度のカメラとモニターを装備しました。パイロットは、一種の拡張現実の中で、飛行機を「透かして」見ることができるスクリーンを見つめることになります。同様に尖っていたコンコルドの設計者は、着陸前に飛行機の機首を物理的に下方に曲げる精巧な機構を利用して、パイロットが滑走路を見ることができるようにしており、すでに予算を超過している航空機に多大な重量と費用を追加することになった。ロッキード・マーチンは同ジェット機の商用版を製造しない可能性が高いが、他の企業と提携する可能性はある。同社は、X-59の旅客用バージョンは長さ230フィート（ボーイング777型機とほぼ同じ）で、約50人を乗せることができると予測している。

すでに数社が低騒音超音速旅客機の開発を進めている。ガルフストリームはこの分野で特許を取得しており、スパイク・エアロスペースという会社は、「静かな超音速飛行技術」を利用して、75PLdBのソニックブームを備えた18人乗りのビジネスジェットを開発していると発表している。（両社とも問い合わせには応じていない）

カリフォルニアの新興企業 Exosonic は、座席数 70 の超音速飛行機の縮尺模型風洞試験を行っています。そのアプローチは NASA と似ています。「私たちがやっているのは、ソニックブームの波形の形状を、はるかに聞こえにくいものに変更することです」と、Exosonic の空気力学およびブームの責任者である John Morgenstern 氏は私に語った。（モーゲンスターン氏の同僚の一人は、エクソソニック社の目標を音速の「一服」だと表現している。）昨年9月、同社は同機をエアフォース・ワンとして使用する可能性を探るために100万ドルの軍事契約を結んだ。モルゲンスターン氏はロッキード・マーチン社でX-59の設計者として働いた後、4月にエクソソニック社に入社した。新しい役割では、バランスをとるためのさまざまな変数があります。飛行機は単なる衝撃音発生装置以上のものでなければなりません。その設計は、ブームの強さ、乗客の安全性、離着陸時のエンジン騒音、燃料効率を最適化する必要があります。（国際クリーン輸送評議会は、超音速機は乗客1人当たり通常の飛行機に比べて3倍から9倍の燃料を消費すると推定している。ビル・マッキベン氏が今月初めに書いたように、これがブームではなくズームを試す十分な理由だ。）マッハ 1.8 で飛行します。これは SST にとって理想的な速度です。低速の飛行機では飛行時間が十分に短縮されませんが、高速の飛行機ではより騒音の高いエンジンが必要です。私はモルゲンシュテルン氏に、陸上の超音速飛行がまだ禁止されている間に、低ブームの商用飛行機に投資するのは危険なのかと尋ねた。「その技術を搭載していない飛行機で現地に行くよりもリスクは低いと思います」と彼は言う。同氏は、2028年頃に規制が変更され、その4、5年後にエクソソニックが試験飛行を開始するというシナリオを描いた。

2016年、ジョージ・メイソン大学の自由主義シンクタンクであるメルカタス・センターは、新技術を考慮して超音速輸送を復活させるべきだと主張する白書「Make America Boom Again」を発表した。同論文の著者であるイーライ・ドゥラード氏とサミュエル・ハモンド氏は、ライト兄弟から始まった航空旅行の「急速な進歩の傾向」を打ち破った「超音速航空の停滞と後退」を嘆いた。しかし、たとえそれが許可されたとしても、国内線の超音速飛行には商業的魅力が限られていると考える理由がある。 NASA のリッチワインは、SST によって飛行時間を半分に短縮できると考えていると語った。しかし、インフラを改善するまでは、超音速飛行によって全体の移動時間は比例的に短縮されない、と同氏は述べた。空港や交通渋滞でその2倍の時間を費やすとしたら、LAXからJFKまで2時間か3時間で飛ぶのがどれほど良いだろうか？

コンコルドが飛行していたほとんどの期間、旅行者は空港に入ってそのままゲートに向かうことができました。 2013年、ユタ州の新聞コラムニストであるダグ・ロビンソンは、9/11以前の空港のスピードを回想し、「私の人生で最も素晴らしい運動の偉業の一つとして、飛行機の予定時刻の3分前に空港の縁石に到着したことがある」と語った。出発しようと全力疾走で階段を上り、コンコースを下りてゲートに向かい、飛行機のドアが閉まる数秒前に間に合った」と彼は書いた。現在、セキュリティが強化されているため、航空会社は乗客に対し、国内線では 2 時間前、国際線では 3 時間前に到着することを推奨しています。これは超音速で節約できる時間とほぼ同じです。したがって、超音速飛行が過去への回帰であるという意味は複数あります。 NASA の素晴らしいテクノロジーを使えば、私たちは 20 年前の状態に戻ります。

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