با دقت به پیشرفت‌های دیدنی در ساخت هواپیما و فناوری‌های مرتبط، طبیعی است فکر کنیم هواپیماها امروز باید سریع تر از همیشه پرواز کنند. اما برخلاف انتظار، شدت هواپیماهای مسافربری در نزدیک به پنجاه سال قبل تحول چندانی نکرده و تنها استثنای مهم در این بین، Concorde بوده است. به همین علت این سوال پیش می‌آید که چرا هواپیماها سریع تر پرواز نمی‌کنند؟

امروزه زمان‌ اظهار‌شده برای پرواز زیاد تر طویل‌تر از قبل است، چون فقط زمان پرواز از مبدأ تا مقصد را در نظر نمی‌گیرند؛ بلکه تأخیرها و شلوغی فرودگاه‌ها نیز در آن محاسبه می‌شود. اکنون، هواپیماها می‌توانند تقریباً به هر نقطه‌ای از جهان در کمتر از ۲۴ ساعت برسند و از نظر شدت، نیاز واقعی به پروازهای سریع تر وجود ندارد. برای شرکت‌های هواپیمایی، مقرون‌به‌صرفه بودن از اهمیت بالایی برخوردار بوده و این نوشته وقتی ممکن می‌شود که هزینه‌های عملیاتی پایین بماند؛ هدفی که با منفعت گیری از موتورهای تازه و کم‌مصرف‌تر به دست آمده است.

هواپیماها باید از نظر اقتصادی به‌صرفه باشند

امروزه هم برای مسافران و هم برای شرکت‌های هواپیمایی، هزینه سفر مهم‌تر از شدت پرواز است و ایرلاین‌ها در نهایت باید سودآور باشند. به همین علت، سازندگان هواپیما و شرکت‌های هواپیمایی زیاد تر روی افت هزینه‌ها تمرکز کرده‌اند تا مختصر‌تر شدن زمان پرواز. در این معادله، شدت برتری مهم نیست. پرواز سریع تر به طراحی متفاوت هواپیما و مصرف سوخت زیاد تر نیاز دارد. اگر زمان برای عده‌ای محدود اهمیت اختصاصی‌ای داشته باشد، جت‌های خصوصی گزینه‌ای مناسب‌تر از پروازهای تجاری می باشند.

هواپیماهای امروزی نسبت به قبل زیاد کم‌مصرف‌تر شده‌اند و برد پروازی و ظرفیت مسافر بیشتری دارند. برای ایرلاین‌ها، این یعنی درآمد بالاتر؛ تا جایی که برخی شرکت‌ها می‌توانند پروازهای بین قاره‌ای را با قیمتی نزدیک به ۴۰۰ دلار اراعه دهند و هم چنان سودآور باشند. زیاد تر مسافران ترجیح خواهند داد هزینه کمتری بپردازند، حتی اگر پروازشان زیاد تر طول بکشد. افزایش شدت طبق معمولً علتافزایش مقاومت هوا و افت منفعت‌وری سوخت می‌شود، به این علت پروازهای سریع تر از نظر اقتصادی گزینه مناسبی برای ایرلاین‌ها نیستند.

در قیاس با هواپیماهای قدیمی، تمرکز مهم امروز روی منفعت‌وری سوخت است و هواپیماهای تازه از نظر مقدار سوخت مصرفی به ازای هر مسافر در هر کیلومتر، نزدیک به ده برابر بهینه‌تر از هواپیماهای دهه ۱۹۵۰ می باشند. هرچند هواپیماها بزرگ‌تر شده و ظرفیت بیشتری دارند، اما پیشرفت‌های دیدنی در فناوری موتور نقش مهم را در افت هزینه‌های ایرلاین‌ها ایفا می‌کند.

قیاس موتورهای هواپیما

سه نوع مهم موتور هواپیما عبارتنداز: توربوپراپ، توربوفن و توربوجت که هرکدام در بازه سرعتی اشکار، بیشترین کارایی را دارند. موتور توربوپراپ عمدتاً در هواپیماهای منطقه‌ای منفعت گیری می‌شود که از هزینه منفعت‌برداری کمتری برخوردار است. نیروی پیشران این موتور از چرخش ملخ هواپیما فراهم می‌شود، به این علت نسبت به دیگر هواپیماها کندتر بوده و بهترین کارکرد را در سرعتی نزدیک به ۵۲۰ تا ۶۰۰ کیلومتر بر ساعت دارد. موتور توربوفن که در اکثر هواپیماهای مسافربری تجاری به کار می‌رود، در بازه سرعتی بین ۶۴۰ تا ۱٬۰۰۰ کیلومتر بر ساعت، از بیشترین بازدهی برخوردار است. در قیاس، موتور توربوجت که در هواپیماهای مافوق‌صوت منفعت گیری می‌شود، در شدت‌های زیاد بالا و نزدیک به ۲٬۱۰۰ تا ۲٬۲۵۰ کیلومتر بر ساعت کارآمد می باشند.

نسبت کنارگذر (Bypass Ratio) اشکار می‌کند چه مقدار از هوای عبوری از موتور از مسیر اطراف هسته موتور (کنارگذر) می‌گذرد و چه مقدار از داخل هسته می‌رود. هرچه این نسبت زیاد تر باشد، موتور کارآمدتر و کم‌مصرف‌تر خواهد می بود. به گفتن مثال، موتور General Electric GEnx که در هواپیماهای Boeing 787 و Boeing 747-8 منفعت گیری می‌شود، به مراتب بهینه است.

فن این موتور بزرگ‌تر از توربین بوده و نسبت کنارگذر ۱۰ به ۱ دارد؛ یعنی ده برابر هوای بیشتری از اطراف توربین عبور می‌کند تا از داخل آن، که این نوشته علتکاهش مصرف سوخت می‌شود.

در قیاس، موتور CFM International CFM56 قدیمی‌تر و کم‌کارآمدتر است و زیاد تر در هواپیماهای ایرباس A320 و بوئینگ ۷۳۷ منفعت گیری می‌شود. فن آن نسبت به توربین کوچکتر بوده و نسبت بای‌بعد آن ۵.۹:۱ است که با وجود کارآمدی، به اندازه موتور GEnx نیست. در قیاس با موتور Pratt & Whitney JT8D که نسبت بای‌بعد آن ۰.۹۶:۱ است و کارایی مقداری دارد، موتور CFM56 بهینه‌تر محسوب می‌شود؛ اما از موتور Rolls-Royce Snecma Olympus 593 که توربوجت منفعت گیری شده در کنکورد می بود، کارآمدتر است. نسبت بای‌بعد در این موتور صفر (۰:۱) گزارش شده؛ یعنی همه هوا فن مستقیماً از توربین عبور می‌کند و به این علت مصرف سوخت آن زیاد تر از دیگر موتورهای ذکر شده است.

نگاهی به داخل کارخانه بوئینگ هنگامی در حال ساخت بهترین هواپیماهای خود است

چرا کنکورد موفق نشد؟

هواپیمای کنکورد از موتور توربوجت Rolls-Royce Snecma Olympus 593 با نسبت بای‌بعد صفر منفعت گیری می‌کرد و در هر ۱.۶۰ کیلومتر پرواز، نزدیک به ۲۱.۲۵ کیلوگرم سوخت می‌سوزاند. در قیاس، موتور Boeing 787 GEnx تنها ۸.۵ کیلوگرم سوخت در هر ۱.۶۰ کیلومتر مصرف می‌کند که اختلاف قابل توجهی است. کنکورد هواپیمایی زیاد کوچک‌تر از بوئینگ ۷۸۷ می بود و تنها ۱۰۰ مسافر ظرفیت داشت، در حالی که در هواپیما دریم‌لاینر ۲۹۱ نفر می‌توانستند جابه‌جا شوند. مصرف سوخت به ازای هر نفر در کنکورد نزدیک به ۵.۹ کیلومتر بر لیتر می بود، در حالی که در دریم‌لاینر این رقم نزدیک به ۴۴ کیلومتر بر لیتر است.

با دقت به مصرف سوخت بالای کنکورد، خطوط هوایی British Airways و Air France دیگر توان نگهداری آن در آسمان را نداشتند. مقصد کنکورد اراعه سریع‌ترین راه عبور از اقیانوس اطلس می بود، اما مسافران نمی‌خواستند هزینه بالا پرداخت کنند و ترجیح می‌دادند روز از انگلستان با کنکورد بروند و شب از آمریکا با هواپیمای دیگر و هزینه کمتر بازگردند. کنکورد یک هواپیمایی منحصر به فرد می بود، اما از نظر اقتصادی یا راحتی، تعریف چندانی نداشت؛ باریک، فشرده و پرصدا. شدت آن نزدیک به ۲٬۱۶۰ کیلومتر در ساعت می بود و می‌توانست اقیانوس اطلس را در نزدیک به سه ساعت طی کند.

هواپیما و مسائل اقتصادی آن

هزینه خرید یک هواپیما نسبت به هزینه‌های عملیاتی آن نسبتاً کم است. طول عمر یک هواپیما با تعداد پرواز، از برخاست تا فرود، سنجیده می‌شود. به این علت، شرکت‌های هواپیمایی برای منفعت گیری زیاد تر از هواپیما، سریع تر با آن پرواز نمی‌کنند، بلکه زیاد تر به طول عمر آن دقت دارند. برای مثال، دریم‌لاینر برای ۴٬۴۰۰۰ پرواز طراحی شده و قیمت آن ۲۲۴.۶ میلیون دلار است، به این علت هزینه هر پرواز نزدیک به ۵٬۰۰۰ دلار می‌شود، در حالی که هزینه سوخت از نیویورک تا لندن نزدیک به ۱۵٬۰۰۰ دلار است. به همین علت، شدت پرواز دیگر برای شرکت‌های هواپیمایی اهمیت ندارد.

هواپیماها طبق معمولً با سرعتی پرواز می‌کنند که بیشترین بازده سوخت را داشته باشد، بین ۸۰۰ تا ۸۸۵ کیلومتر در ساعت. امکان پذیر این سوال پیش بیاید که چرا هواپیماها درست زیر شدت صوت، یعنی نزدیک به ۱ ماخ پرواز نمی‌کنند؟ بین ۰.۸ تا ۱.۲ ماخ، محدوده تراصوتی قرار دارد که جریان هوا نه کاملاً زیرصوت و نه مافوق صوت است. بعد از ۰.۸ ماخ، بخشی از جریان هوا مافوق صوت می‌شود که علتافزایش مقاومت هوا، مصرف زیاد تر سوخت و ناپایداری هواپیما می‌گردد. جت‌های تجاری طبق معمولً بین ۰.۷۸ تا ۰.۸۶ ماخ پرواز می‌کنند.

به این علت، بهتر است هواپیماها یا زیاد بالاتر یا زیاد پایین‌تر از شدت صوت باشند؛ تقریباً ۹۸۸ کیلومتر بر ساعت محدودیت شدت برای جت‌های زیرصوت تجاری است. جنگنده‌ها می‌توانند بالاتر از شدت صوت پرواز کنند، اما پرواز مافوق‌صوت علتایجاد صدای مهیب می‌شود که هواپیماهای تجاری برای آن طراحی نشده‌اند. آن‌ها را برای پرواز در شدت‌های زیرصوت یعنی نزدیک به ۰.۸ تا ۰.۹ ماخ طراحی کرده‌اند. شرکت‌های سازنده می‌توانند هواپیماهایی همانند کنکورد را بسازند، اما با افزایش شدت، مقاومت هوا نیز زیاد تر شده و مصرف سوخت به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. از دید اقتصادی برای خطوط هوایی، سفر سریع تر قیمت خاصی ندارد.

قیاس هواپیماهای قبل با امروز

در قیاس با قبل، بوئینگ ۷۰۷ در سال ۱۹۵۷ شدت کروز نزدیک به ۹۶۶ کیلومتر بر ساعت داشت و در هر ساعت ۶٬۸۰۰ کیلوگرم سوخت مصرف می‌کرد؛ این در حالی است که بوئینگ ۷۸۷ در سال ۲۰۰۹ شدت کروز نزدیک به ۱٬۰۴۶ کیلومتر بر ساعت داشت و مصرف سوخت آن در هر ساعت نزدیک به ۵٬۰۰۰ کیلوگرم می بود. بوئینگ ۷۸۷ این چنین ۱۴۰ مسافر زیاد تر را جابه‌جا می‌کرد. میانگین شدت کروز دریم‌لاینر نزدیک به ۹۰۱ کیلومتر بر ساعت است.

افت شدت بین این دو هواپیما زیاد نیست، اما صرفه‌جویی قابل توجهی در مصرف سوخت در مسیرهای طویل تشکیل می‌کند. افت تدریجی شدت در طول دهه‌ها علتشده پرواز با شدت کمتر به‌طور مؤثری مصرف سوخت را افت دهد و هزینه‌ها در برابر افزایش قیمت سوخت هواپیمایی افت یابد.

در یک جهان پیشرفته از نظر فناوری، امکان پذیر انتظار داشته باشیم که هواپیماها سریع تر از همیشه پرواز کنند. هواپیماهایی همانند بوئینگ ۷۴۷ و کنکورد، سفرهای ترانس آتلانتیک (منظور پرواز یا سفر هوایی بین قاره‌های اروپا و آمریکای شمالی) و مسیرهای طویل را منقلب کردند. در دهه ۱۹۷۰، بحران نفت رقم خورد و قیمت سوخت به بیشترین حد خود رسید. خطوط هوایی ناچار شدند راه‌هایی برای افت هزینه سوخت اشکار کنند و در نتیجه شدت کروز هواپیماها را افت دهند. تولیدکنندگان نیز به جستوجو طراحی هواپیماهایی با آیرودینامیک بهتر و مصرف سوخت کمتر در شدت‌های پایین‌تر بودند.

آیا هواپیماهای تجاری در آینده سریع تر پرواز خواهند کرد؟

اگرچه کنکورد هواپیمای منحصر به فردی می بود و توانایی‌ بی‌نظیری برای سرنشینانش رقم می‌زد، اما در قیاس با هزینه‌های عملیاتی‌ خود درآمد کافی نداشت. به این علت، بعد از حادثه پرواز ۴۵۹۰ ایر فرانس، هر دو شرکت بریتیش ایرویز و ایر فرانس این هواپیما را کنار گذاشتند. از آن زمان، سخن بگویید‌هایی درمورد معارفه هواپیماهای مافوق‌صوت تازه توسط شرکت‌های Boom Supersonic و Aerion نقل شده، اما تا بحال به نتیجه‌ای نرسیده است.

نگرانی‌های زیست‌محیطی علتشده شرکت‌های هواپیمایی تحت سختی قرار بگیرند تا مقدار آلایندگی و اثرات محیط‌زیستی خود را افت داده و به سمت فعالیت‌های پایدار حرکت کنند. این نوشته علتشده هواپیماهای تازه علاوه بر کم‌مصرف بودن سوخت، سروصدای کمتری بوجود آوردند. هواپیماهای مدرن می‌توانند در ارتفاع بالاتری پرواز کنند، جایی که مقاومت هوا و مصرف سوخت کمتر است و به این علت از نظر اقتصادی به‌صرفه‌تر می باشند.

علت این که هواپیماها سریع تر پرواز نمی‌کنند، به فناوری آن مربوط نمی‌شود، بلکه فقطً مسائل اقتصادی است. برای شرکت‌های هواپیمایی، مهم‌تر از افزایش شدت پرواز، داشتن هواپیماهایی با مصرف سوخت پایین‌تر، موتورهای بهتر، ظرفیت زیاد تر و هزینه‌های عملیاتی اهمیت دارد. شرکت‌های هواپیمایی باید سودآور باشند، اما راحتی و ایمنی مسافران نیز از برتری بالایی برخوردار است. آیا مجدد ناظر هواپیماهایی همانند کنکورد و سفرهای مافوق‌صوت خواهیم می بود؟ اگرچه امکان پذیر، اما برتری‌ها برای مسافران و شرکت‌ها تحول کرده و زمان این کار را اشکار خواهد کرد.