Annons
Bild: 
Johan Jarnestad

Framtidens flygplan

Det finns teknik för passagerarflygplan som är mer än dubbelt så snabba som överljudsplanet Concorde. Men kanske är det snarare långsammare flyg vi får vänja oss vid. Och då tar rymdindustrin över de snabba farkosterna.

Publicerad:

2015-01-31

”Det här är SAS flyg SK 73 till Tokyo. Vår flygtid är i dag två timmar och tjugo minuter. Vi ber er kontrollera att säkerhetsbältet är fastspänt och att handbagaget är placerat i skåpen ovanför er.

Accelerationen och lyftkraften är kraftfull. Föremål som inte är fastspända kan röra sig och orsaka fara eller gå sönder. Därför rekommenderar vi att ni inte håller något i handen, utan i stället placerar alla saker i stolsfickan framför er. Trevlig resa!”

Det dröjer ännu många år innan flygpersonalen på reguljära linjer får läsa upp texten ovan, och frågan är om de någonsin kommer att göra det. Det behövs visserligen inte mycket ny teknik för att bygga ett flygplan som kan ta sig till andra sidan jordklotet på ett par timmar. Men sådan teknik måste göras tillräckligt pålitlig och billig för kommersiell flygtrafik. Och i dag pekar det mesta på att flygbolagen hellre jagar bränslepris än snabbare flyg.

Varje år transporterar flygbolagen drygt 1 miljard passagerare. Tillväxten väntas fortsätta, och även de mer anspråkslösa prognoserna talar för 1,5 miljarder årliga flygpassagerare år 2016. Den årliga tillväxten ligger en bra bit över fem procent.

Bland de långa resorna är det fortfarande flygningarna över Atlanten som dominerar. Men trafiken på Asien ökar, och en kraftig tillväxt är att vänta så fort människorna i de folkrika asiatiska länderna börjar resa på ett sätt som påminner om européernas och amerikanernas. Och så fort de riktigt långa resorna blir vanligare, ökar också förväntningarna på kortare restider.

De nya asiatiska resenärerna är också beredda att betala för kortare restid. Det räcker inte med att flygplanstillverkarna ökar produktionen av vanliga flygplan. Det behövs helt nya flygplanstyper som är både billigare och snabbare än dagens.

Paris Air Show är världens största flygutställning. Det var här den amerikanska flygjätten Boeing år 2001 presenterade sina planer på en helt ny typ av passagerarflygplan. Den deltavingade Sonic Cruiser skulle flyga nästan med ljudets hastighet, alltså betydligt snabbare än dagens kommersiella passagerarplan, men utan att passera ljudvallen.

Flygbolagen hyllade konceptet – ett tag. Applåderna upphörde när det visade sig att flygtiden över Atlanten bara skulle ha blivit en timme kortare med Sonic Cruiser, och att bränslekostnaderna inte skulle ha minskats jämfört med dagens plan. Flygbolagen bestämde sig för att i stället satsa på att flyga i samma hastighet som i dag men till lägre pris. Det går nämligen att spara mycket bränsle genom att hålla ner farten.

Sonic Cruiser blev ett varnande exempel, men avskräckte ändå inte flygplanstillverkarna från att fortsätta experimentera. Problemet med Boeings konceptplan var att det inte var tillräckligt snabbt. För att ta sig från ena sidan av jorden till den andra behövs ett flygplan som är mycket snabbare än ljudet. Dessutom måste det ha en betydligt längre räckvidd än Concorde, det enda överljudsplan som hittills har använts för reguljär passagerartrafik.

Concorde flög enbart över Atlanten och trafikerade sträckorna London–New York och Paris–New York tur och retur. Men för att ha verklig nytta av ett överljudsplan borde det kunna ta sig ännu längre sträckor. Detta borde också ske på ett ekonomiskt och miljövänligt sätt. Kravet på renare flygtrafik ökar ständigt. Fram till år 2050 ska flygtrafikens koldioxidutsläpp ha minskat med hela 75 procent jämfört med år 2000, enligt Europeiska kommissionens linjedragning. Dessutom ska kväveutsläppen minska med 90 procent och bullret med 65 procent.

Concorde släppte ut sina avgaser i det känsliga ozonskiktet. Överljudsplanet var dessutom väldigt bullrigt och drog mycket bränsle. Med tanke på miljön var det alltså bara bra att det inte blev någon större succé.

Ett årtionde senare bubblade det på Parisutställningen igen. Den här gången var det den europeiska luft- och rymdfartskoncernen Eads som drog blickarna till sig. Eads, i dag ombildat till Airbus Group, presenterade sin syn på framtidens överljudsplan. Konceptet, som går under namnet Zehst, befinner sig än så länge bara på idéplanet, men ger ändå en uppfattning om hur ”framtidens Concorde” kan komma att se ut.

Det finns två grundläggande olikheter mellan Zehst och dagens flygplan. Dels har den smidiga flygplanskroppen väldigt lågt luftmotstånd. Därför orsakar planet inte lika våldsamma chockvågor som stridsflygplanen eller Concorde när det passerar ljudvallen. Helt går det dock inte att komma undan smällen, och därför måste acceleration och inbromsning ske över obebodda områden. Dels, och minst lika viktigt, är motorerna förändrade. Konceptet Zehst har tre olika motortyper för flygresans olika skeden.

Vid starten är det tänkt att Zehst ska använda sig av turbojetmotorer, precis som vanliga flygplan. Som bränsle används kerosin, det vill säga flygfotogen, eller – mer troligt – biobränsle, som kan tillverkas av till exempel alger.

Under själva flygresan ska en annan motor användas, en så kallad ramjetmotor. Den drivs av flytande väte, som planet bär med sig, och syre, som tas upp ur luften. Tanken är att Zehst ska färdas på 32 kilometers höjd med en hastighet som motsvarar fyra gånger ljudets. Det är de rätta förhållandena för ramjetmotorn. Med höjden minskar lufttrycket, och när planet befinner sig på 30 kilometers höjd och däröver, återstår bara fem procent av lufttrycket vid havsnivån. Tack vare Zehst höga hastighet komprimeras luften ändå tillräckligt mycket i ramjetmotorernas brännkammare. Lufttrycket är också tillräckligt för att vingarna ska kunna skapa den lyftkraft som krävs. Samtidigt bidrar det låga lufttrycket till att minska friktionen och minimera luftmotståndet.

Men ramjetmotorerna har en nackdel. De kan bara startas i överljudsfart. Turbojetmotorerna kan inte accelerera Zehst tillräckligt, och därför behöver konceptet en tredje motor, en raketmotor som drivs av flytande väte och flytande syre. Raketmotorn är en praktisk lösning när man flyger nära överljudsfart och behöver ytterligare kraft för att passera ljudvallen. I det läget förändras nämligen aerodynamikens lagar. Vanliga jetmotorer skulle behöva variabla luftintag för att fortsätta fungera, alternativt borde de bytas ut mot stridsflygplanens extremt bränsleslukande jetmotorer. Men raketmotorn är en enklare lösning. Den fungerar i alla farter och kan okomplicerat accelerera Zehst över ljudvallen och vidare upp till rätt hastighet. När Zehst sedan närmar sig sitt resmål fungerar flygplanet som en smäcker rymdskyttel. Zehst glidflyger utan motorkraft och hastigheten minskar ända tills de vanliga turbojetmotorerna startas och överljudsplanet går in för landning precis som ett vanligt flygplan.


Snabba drömmar På ritbordet finns förslag till framtida farkoster som ska flyga snabbare än ljudet. De bjuder på dramatiskt kortare flygtider, men också höga bränslekostnader. Rymdfarten är mindre priskänslig och en del koncept lånas därför till rymdfarkoster för passagerare.

Bild: 
Johan Jarnestad

Flytande väte är det huvudsakliga bränslet för Zehst, och det är tänkt att användas både i ramjet- och raketmotorn. Airbus har valt väte som bränsle i tron att det ska bli flygtrafikens framtida bränsle. Väte är enkelt att tillverka, lagra och fördela och också väldigt energieffektivt. Dessutom är det rent. Den enda avgas som förbränningen orsakar är vattenånga. Flytande väte används redan som drivmedel i de bärraketer som rymdindustrin använder för att skjuta upp satelliter i omloppsbana, så bränslet är välbekant.

Men även om visionen är lockande innehåller den ett grundläggande problem. Utvecklingen inom flygindustrin har under det senaste årtiondet handlat om en enda sak: minskad bränsleförbrukning. Airbus valde att maximera mängden passagerare till 850 i sin ”superjumbojet”, A380, som togs i trafik 2007. Konkurrenten Boeings ”Dreamliner”, B787, rymmer bara 300 passagerare men i stället är vikten minimerad, eftersom flygplanet till hälften består av kompositmaterial. Det ger 20 procent lägre bränsleförbrukning. Också Airbus har tagit fram ett konkurrerande flygplan i samma klass, A350. Men Boeings Dreamliner leder lättviktsligan.

Även ”framtidsbränslet” väte måste produceras på något sätt. Siktar man på vindkraft, solenergi eller vattenkraft måste man använda sig av elektrolys, och det ger energiförluster på 30–40 procent. Dessutom handlar det om flytande väte. Gasen måste kylas ner till –253 grader Celsius. Det innebär en ny energiförlust på omkring 30 procent.

Farkoster som Zehst skulle förbruka enorma mängder energi jämfört med dagens flygplan. Därför ser Ulf Ringertz, professor i flygteknik vid Kungliga tekniska högskolan i Stockholm, dem som orealistiska för passagerartransport.

– Det kommer knappast att hända. Det krävs för mycket energi, helt enkelt, säger han.

Kravet på minskat koldioxidutsläpp gör att Ulf Ringertz tvärtom ser en tillbakagång till långsammare flygplan som troligare. Dreamlinern och superjumbon A380 kan köras i drygt 900 kilometer i timmen. I framtiden ser Ulf Ringertz en marschfart på 600–700 kilometer i timmen som mer realistisk.

– På det sättet kan man spara mycket bränsle, särskilt om man tänker sig flygplan med raka vingar i stället för sneda. Men just nu är bränslepriserna låga. Det finns inga incitament för en sådan utveckling.

Ett exempel på sådana flygplan är Saab 2000, som tillverkades i Sverige i början av 1990-talet. Det var en förlängd version av Saab 340 och även om det var långsamt, så var det ett av de snabbaste turboprop-drivna trafikflygplanen, med en hastighet på över 665 kilometer i timmen. Men efterfrågan på dessa långsammare och bränslesnålare flygplan felbedömdes. Passagerarna och flygbolagen föredrog jetdrift, och Saab 2000 tillverkades bara i 63 exemplar.

Kanske är det därför som Airbus vågar presentera supersnabba visioner som Zehst, trots allt. Det finns dock en hake till med bränslet – förutom åtgången – och det är säkerheten. Vätgas har inget gott rykte inom flygindustrin – gasen användes ju i zeppelinare. Jetmotorernas flygfotogen tankas i vingarna på dagens flygplan, och många flygolyckor har förvandlats till katastrofer när vingarna har slagit i marken och bränslet antänts. I Zehst-visionen förvaras därför bränslet i flytande form, och dessutom i tankar i flygplanskroppens mitt.

Rent tekniskt skulle ramjetmotorn också kunna använda andra bränslen än väte. Flygfotogen, biogas eller alkoholer skulle fungera, men förbränningen skulle orsaka andra, mer skadliga utsläpp än vattenånga. Det vore illa med tanke på att överljudsplanen flyger i ozonskiktet, som är ett av atmosfärens mest känsliga områden.

Alla föroreningar är skadliga för ozonskiktet, och det är till och med möjligt att stora mängder vattenånga kan påverka ozonskiktet så negativt att överljudsplanen tvingas flyga lägre och långsammare än vad man i dagsläget hoppas på. Luften är ytterst torr på de här höjderna, och vattenångan kan skapa kristaller som påverkar luftens kemiska jämvikt.

Ombord på Zehst skulle flygresan upplevas som lite våldsammare än i dagens flygplan, men ändå inte så brutalt att särskilda krav skulle ställas på passagerarnas hälsa. Det viktigaste är att vara mentalt förberedd på den kraftiga accelerationen.

Den mest brutala delen av resan är när raketmotorerna startas för att accelerera flygplanet till rätt fart. Då kan g-krafterna stiga till 1,2, och det känns i kroppen. Astronauterna utsätts för 3 g, så jämfört med deras rymdskyttel skulle resan i Zehst inte vara särskilt krävande. Men 1,2 g är mycket jämfört med dagens kommersiella flygplan som accelererar med 0,2 g. Det är också mycket jämfört med Concordes 0,35 g.

I dagsläget är Zehst enbart en idé – och även om Airbus Group har sagt sig vara redo att bygga en flygfärdig prototyp senast år 2020 för att pröva om konceptet fungerar – så har det varit tyst efter flygutställningen i Paris.

Kanske är Zehst-konceptet mer lämpat för rymdindustrin, som fortfarande förbrukar enorma mängder energi vid varje uppskjutning. Vid planeringen av Zehst har Airbus utnyttjat den erfarenhet man har samlat på sig från tillverkningen av rymdfarkoster och satelliter, och steget från överljudsplan till rymdfarkost är inte särskilt stort. I så fall skulle ramjetmotorerna avlägsnas ur konceptet och ersättas av ännu kraftigare raketmotorer som skulle kunna pressa upp flygplanet till 100 kilometers höjd där det kunde flyga hela 25 gånger snabbare än ljudet.

Sådana flygplan är redan under planering. Det brittiska företaget Reaction Engines skissar på ett överljudsplan kallat Skylon. Det är ett unikt koncept med en ny sorts raketmotor, kallad Sabre, som kan ta upp sitt syre ur luften. Det skulle innebära att planet inte behöver bära med sig flytande syre i tankarna, åtminstone inte så länge det används som passagerarflygplan.

USA har ju lagt ner sitt rymdskyttelprogram på grund av flera olyckor, och Skylon är tänkt att kunna användas både som passagerarflygplan i hastigheter på upp till fem gånger ljudets och som rymdskyttel i Mach 25.

I det senare fallet måste det utrustas med tankar för flytande syre, dels på grund av höjden, dels på grund av hastigheten. Till skillnad från Airbus-konceptet är konceptet från Reaction Engines enklare med enbart en motortyp, beskriven som en hybrid mellan jet- och raketmotor. Den jobbar på två olika sätt beroende på höjd. Det som möjliggör konceptet är Sabre-motorns möjlighet att effektivt kyla den mycket heta luftströmmen som motorn utsätts för.

I sin marknadsföring skriver företaget att planet kommer att kunna ta resenärer ”vart som helst i världen” på bara fyra timmar, men av konstruktionsskäl saknar Skylon fönster. Om passagerarflygningar blir av, kommer planet att utrustas med kameror vars bilder projiceras på insidan av väggarna.

Motortekniken testas för fullt – den brittiska staten har gått in med stöd, och redan 2019 är det tänkt att det första Skylon-planet ska börja testflygas.

Med ett flygplan som först gör en sväng via rymden skulle inga resor, inte ens de allra längsta, behöva ta längre tid än en och en halv timme. Det vore också bra för jordens miljö eftersom nästan hela resan skulle gå utanför atmosfären. Avgaserna skulle helt enkelt försvinna ut i rymdens enorma tomrum. De här rymdfarkosterna skulle knappast ens behöva ha någon pilot – förutom då för att hålla passagerarna lugna.

Du har just läst en artikel från tidskriften Forskning & Framsteg. Prenumerera här.

Kommentera:

Dela artikeln:

TIDNINGEN FÖR DIG SOM ÄR NYFIKEN PÅ ALLVAR
10 nummer 779 kr
2 nummer 99 kr
Du vet väl att du kan läsa Forskning & Framsteg i din läsplatta? Ladda ned appen från App Store eller Google Play. (Läsplatteutgåvan ingår i alla prenumerationer.)

Lägg till kommentar