چرا سرعت هواپیماها بیشتر نمی‌شود؟

با توجه به پیشرفت‌های چشمگیر در ساخت هواپیما و فناوری‌های مرتبط، طبیعی است تصور کنیم هواپیماها امروز باید سریع‌تر از همیشه پرواز کنند. اما برخلاف انتظار، سرعت هواپیماهای مسافربری در حدود پنجاه سال گذشته تغییر چندانی نکرده و تنها استثنای مهم در این میان، Concorde بوده است. به همین دلیل این سوال پیش می‌آید که چرا هواپیماها سریع‌تر پرواز نمی‌کنند؟

امروزه زمان‌ اعلام‌شده برای پرواز اغلب طولانی‌تر از گذشته است، زیرا فقط زمان پرواز از مبدأ تا مقصد را در نظر نمی‌گیرند؛ بلکه تأخیرها و شلوغی فرودگاه‌ها نیز در آن محاسبه می‌شود. در حال حاضر، هواپیماها می‌توانند تقریباً به هر نقطه‌ای از جهان در کمتر از ۲۴ ساعت برسند و از نظر سرعت، نیاز واقعی به پروازهای سریع‌تر وجود ندارد. برای شرکت‌های هواپیمایی، مقرون‌به‌صرفه بودن از اهمیت بالایی برخوردار بوده و این موضوع زمانی ممکن می‌شود که هزینه‌های عملیاتی پایین بماند؛ هدفی که با استفاده از موتورهای جدید 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 سرعت پرواز است و ایرلاین‌ها در نهایت باید سودآور باشند. به همین دلیل، سازندگان هواپیما و شرکت‌های هواپیمایی بیشتر روی کاهش هزینه‌ها تمرکز کرده‌اند تا کوتاه‌تر شدن زمان پرواز. در این معادله، سرعت اولویت اصلی نیست. پرواز سریع‌تر به طراحی متفاوت هواپیما و مصرف سوخت بیشتر نیاز دارد. اگر زمان برای عده‌ای محدود اهمیت ویژه‌ای داشته باشد، جت‌های خصوصی گزینه‌ای مناسب‌تر از پروازهای تجاری هستند.

هواپیماهای امروزی نسبت به گذشته بسیار 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 حدود ۴۰۰ دلار ارائه دهند و همچنان سودآور باشند. بیشتر مسافران ترجیح می‌دهند هزینه کمتری بپردازند، حتی اگر پروازشان بیشتر طول بکشد. افزایش سرعت معمولاً باعث افزایش مقاومت هوا و کاهش بهره‌وری سوخت می‌شود، بنابراین پروازهای سریع‌تر از نظر اقتصادی گزینه مناسبی برای ایرلاین‌ها نیستند.

در مقایسه با هواپیماهای قدیمی، تمرکز اصلی امروز روی بهره‌وری سوخت است و هواپیماهای جدید از نظر میزان سوخت مصرفی به ازای هر مسافر در هر کیلومتر، حدود ده برابر بهینه‌تر از هواپیماهای دهه ۱۹۵۰ هستند. هرچند هواپیماها بزرگ‌تر شده و ظرفیت بیشتری دارند، اما پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری موتور نقش اصلی را در کاهش هزینه‌های ایرلاین‌ها ایفا می‌کند.

مقایسه موتورهای هواپیما

سه نوع اصلی موتور هواپیما عبارتنداز: توربوپراپ، توربوفن و توربوجت که هرکدام در بازه سرعتی مشخص، بیشترین کارایی را دارند. موتور توربوپراپ عمدتاً در هواپیماهای منطقه‌ای استفاده می‌شود که از هزینه بهره‌برداری کمتری برخوردار است. نیروی پیشران این موتور از چرخش ملخ هواپیما تأمین می‌شود، بنابراین نسبت به دیگر هواپیماها کندتر بوده و بهترین عملکرد را در سرعتی حدود 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 مقایسه، موتور توربوجت که در هواپیماهای مافوق‌صوت استفاده می‌شود، در سرعت‌های بسیار بالا و حدود ۲٬۱۰۰ تا ۲٬۲۵۰ کیلومتر بر ساعت کارآمد هستند.

نسبت کنارگذر (Bypass Ratio) مشخص 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 بیشتر باشد، موتور کارآمدتر و کم‌مصرف‌تر خواهد بود. به عنوان مثال، موتور General Electric GEnx که در هواپیماهای Boeing 787 و Boeing 747-8 استفاده 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 موضوع باعث کاهش مصرف سوخت می‌شود.

در مقایسه، موتور CFM International CFM56 قدیمی‌تر و کم‌کارآمدتر است و اغلب در هواپیماهای ایرباس A320 و بوئینگ ۷۳۷ استفاده می‌شود. فن آن نسبت به توربین کوچکتر بوده و نسبت بای‌پس آن ۵.۹:۱ است که با وجود کارآمدی، به اندازه موتور GEnx نیست. در مقایسه با موتور Pratt & Whitney JT8D که نسبت بای‌پس آن ۰.۹۶:۱ است و کارایی کمی دارد، موتور CFM56 بهینه‌تر محسوب می‌شود؛ اما از موتور Rolls-Royce Snecma Olympus 593 که توربوجت استفاده شده در کنکورد بود، کارآمدتر است. نسبت بای‌پس در این موتور صفر (۰:۱) گزارش شده؛ یعنی تمام هوا فن مستقیماً از توربین عبور می‌کند و بنابراین مصرف سوخت آن بیشتر از سایر موتورهای ذکر شده است.

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

چرا کنکورد موفق نشد؟

هواپیمای کنکورد از موتور توربوجت Rolls-Royce Snecma Olympus 593 با نسبت بای‌پس صفر استفاده می‌کرد و در هر ۱.۶۰ کیلومتر پرواز، حدود ۲۱.۲۵ کیلوگرم سوخت می‌سوزاند. در مقایسه، موتور Boeing 787 GEnx تنها ۸.۵ کیلوگرم سوخت در هر ۱.۶۰ کیلومتر مصرف می‌کند که اختلاف قابل توجهی است. کنکورد هواپیمایی بسیار کوچک‌تر از بوئینگ ۷۸۷ 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 حدود ۵.۹ کیلومتر بر لیتر بود، در حالی که در دریم‌لاینر این رقم حدود ۴۴ کیلومتر بر لیتر است.

با توجه به مصرف سوخت بالای کنکورد، خطوط هوایی British Airways و Air France دیگر توان نگهداری آن در آسمان را نداشتند. هدف کنکورد ارائه سریع‌ترین راه عبور از اقیانوس اطلس 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 بود، اما از نظر اقتصادی یا راحتی، تعریف چندانی نداشت؛ باریک، فشرده و پرصدا. سرعت آن حدود ۲٬۱۶۰ کیلومتر در ساعت بود و می‌توانست اقیانوس اطلس را در حدود 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. بنابراین، شرکت‌های هواپیمایی برای استفاده بیشتر از هواپیما، سریع‌تر با آن پرواز نمی‌کنند، بلکه بیشتر به طول عمر آن توجه دارند. برای مثال، دریم‌لاینر برای ۴٬۴۰۰۰ پرواز طراحی شده و قیمت آن ۲۲۴.۶ میلیون دلار است، بنابراین هزینه هر پرواز حدود ۵٬۰۰۰ دلار می‌شود، در حالی که هزینه سوخت از نیویورک تا لندن حدود ۱۵٬۰۰۰ دلار است. به همین دلیل، سرعت پرواز دیگر برای شرکت‌های هواپیمایی اهمیت ندارد.

هواپیماها معمولاً با سرعتی پرواز می‌کنند که بیشترین بازده سوخت را داشته باشد، بین ۸۰۰ تا ۸۸۵ کیلومتر در ساعت. ممکن است این سؤال پیش بیاید که چرا هواپیماها درست زیر سرعت صوت، یعنی حدود 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. پس از ۰.۸ ماخ، بخشی از جریان هوا مافوق صوت می‌شود که باعث افزایش مقاومت هوا، مصرف بیشتر سوخت و ناپایداری هواپیما می‌گردد. جت‌های تجاری معمولاً بین ۰.۷۸ تا ۰.۸۶ ماخ پرواز می‌کنند.

بنابراین، بهتر است هواپیماها یا بسیار بالاتر یا بسیار پایین‌تر از سرعت صوت باشند؛ تقریباً ۹۸۸ کیلومتر بر ساعت محدودیت سرعت برای جت‌های زیرصوت تجاری است. جنگنده‌ها می‌توانند بالاتر از سرعت صوت پرواز کنند، اما پرواز مافوق‌صوت باعث ایجاد صدای مهیب می‌شود که هواپیماهای تجاری برای آن طراحی نشده‌اند. آن‌ها را برای پرواز در سرعت‌های زیرصوت یعنی حدود ۰.۸ تا ۰.۹ ماخ طراحی کرده‌اند. شرکت‌های سازنده می‌توانند هواپیماهایی مانند کنکورد را بسازند، اما با افزایش سرعت، مقاومت هوا نیز بیشتر شده و مصرف سوخت به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. از دید اقتصادی برای خطوط هوایی، سفر سریع‌تر ارزش خاصی ندارد.

مقایسه هواپیماهای گذشته با امروز

در مقایسه با گذشته، بوئینگ ۷۰۷ در سال ۱۹۵۷ سرعت کروز حدود 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 سرعت کروز حدود ۱٬۰۴۶ کیلومتر بر ساعت داشت و مصرف سوخت آن در هر ساعت حدود ۵٬۰۰۰ کیلوگرم بود. بوئینگ ۷۸۷ همچنین ۱۴۰ مسافر بیشتر را جابه‌جا می‌کرد. میانگین سرعت کروز دریم‌لاینر حدود ۹۰۱ کیلومتر بر ساعت است.

کاهش سرعت بین این دو هواپیما زیاد نیست، اما صرفه‌جویی قابل توجهی در مصرف سوخت در مسیرهای طولانی ایجاد می‌کند. کاهش تدریجی سرعت در طول دهه‌ها باعث شده پرواز با سرعت کمتر به‌طور مؤثری مصرف سوخت را کاهش دهد و هزینه‌ها در برابر افزایش قیمت سوخت هواپیمایی کاهش یابد.

در یک جهان پیشرفته از نظر فناوری، ممکن است انتظار داشته باشیم که هواپیماها سریع‌تر از همیشه پرواز کنند. هواپیماهایی مانند بوئینگ ۷۴۷ و کنکورد، سفرهای ترانس آتلانتیک (منظور پرواز یا سفر هوایی بین قاره‌های اروپا و آمریکای شمالی) و مسیرهای طولانی را متحول کردند. در دهه ۱۹۷۰، بحران نفت رخ داد و قیمت سوخت به بالاترین حد خود رسید. خطوط هوایی مجبور شدند راه‌هایی برای کاهش هزینه سوخت پیدا کنند و در نتیجه سرعت کروز هواپیماها را کاهش دهند. تولیدکنندگان نیز به دنبال طراحی هواپیماهایی با آیرودینامیک بهتر و مصرف سوخت کمتر در سرعت‌های پایین‌تر بودند.

آیا هواپیماهای تجاری در آینده سریع‌تر پرواز خواهند کرد؟

اگرچه کنکورد هواپیمای منحصر به فردی بود و تجربه‌ بی‌نظیری برای سرنشینانش رقم می‌زد، اما در مقایسه با هزینه‌های عملیاتی‌ خود درآمد کافی نداشت. بنابراین، پس از حادثه پرواز ۴۵۹۰ ایر فرانس، هر دو شرکت بریتیش ایرویز و ایر فرانس این هواپیما را کنار گذاشتند. از آن زمان، صحبت‌هایی درباره معرفی هواپیماهای مافوق‌صوت جدید توسط شرکت‌های Boom Supersonic و Aerion مطرح شده، اما تاکنون به نتیجه‌ای نرسیده است.

نگرانی‌های زیست‌محیطی باعث شده شرکت‌های هواپیمایی تحت فشار قرار بگیرند تا میزان آلایندگی و اثرات محیط‌زیستی خود را کاهش داده و به سمت فعالیت‌های پایدار حرکت کنند. این موضوع باعث شده هواپیماهای جدید 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 بنابراین از نظر اقتصادی به‌صرفه‌تر هستند.

دلیل اینکه هواپیماها سریع‌تر پرواز نمی‌کنند، به فناوری آن مربوط نمی‌شود، بلکه صرفاً مسائل اقتصادی است. برای شرکت‌های هواپیمایی، مهم‌تر از افزایش سرعت پرواز، داشتن هواپیماهایی با مصرف سوخت پایین‌تر، موتورهای بهتر، ظرفیت بیشتر و هزینه‌های عملیاتی اهمیت دارد. شرکت‌های هواپیمایی باید سودآور باشند، اما راحتی و ایمنی مسافران نیز از اولویت بالایی برخوردار است. آیا دوباره شاهد هواپیماهایی مانند کنکورد و سفرهای مافوق‌صوت خواهیم بود؟ اگرچه ممکن است، اما اولویت‌ها برای مسافران و شرکت‌ها تغییر کرده و زمان این امر را مشخص خواهد کرد.