هنگامی که آسمان می‌شکافد

 در میان تمامی خصوصیات یک هواپیما، سرعت یک مشخصه چشمگیر است و همواره مهندسان و طراحان صنعت هوا فضا در تلاش برای افزایش سرعت وسایل هوایی هستند.

تا قبل از ظهور موتورهای جت رسیدن به سرعت صوت غیرقابل باور بود زیرا  با امکانات و عملکرد موتورهای پیستونی، نمی‌توانستند از سد نیروی مقاوم عظیمی که هوا در محدوده سرعت صوت ایجاد می‌کرد بگذرند و به همین دلیل محدوده سرعت صوت را دیوار صوتی نامیدند.

 تا این که با اختراع موتور جت و با طراحی‌های تصحیح شده وسایل هوایی برای اولین بار خلبان چاک ییگر با هواپیما X-1 آسمان را شکافت و موفق به شکستن دیوار صوتی شد.

 واژه دیوار صوتی و شکستن آن را در رسانه‌ها و اخبار بسیار شنیده‌ایم و در این نوشتار قصد داریم  مختصری از چگونگی و خصوصیات دیوار صوتی توضیح دهیم.

در آغاز  دوران هوانوردی ابتدایی، هواپیماها بیشتر با سرعت‌های بسیار پایین نسبت به هواپیماهای امروزی پرواز می‌کردند و سرعتشان به بیشتر از 300 کیلومتر در ساعت نمی‌رسید؛ در حالی که چنین سرعتی، سرعت مطلوب برای تیک‌آف یا برخاست یک هواپیمای جنگنده امروزی است و رسیدن به چنین سرعتی، مستلزم تلاش بسیار و فشار آوردن بیش از حد به موتور نیست.

 اما رفته رفته، سرعت هواپیماها حتی با موتورهای پیستونی به گاه بالای 650 کیلومتر در ساعت رسیده و از آن زمان بود که دانشمندان علوم آیرودینامیک دریافتند که با افزایش سرعت، به تدریج میزان پسا(نیروی مقاوم هوا) افزایش پیدا کرده و در سرعت معینی، دیگر هواپیما قادر به سرعت گرفتن نبوده گاه نیز وامانده (Stall) می‌شوند.

 در آن زمان، علت این موضوع بدین گونه بیان شد که با افزایش سرعت، به تدریج سرعت گردش انتها یا نوک پره‌های پروانه‌ موتور، به سرعت صوت نزدیک شده و سرانجام در حداکثر سرعت یک هواپیمای پیستونی که حدود 950 کیلومتر است، سرعت انتهای پره‌ها از سرعت صوت گذشته و پسا یا درگ بسیاری ایجاد می‌شود که خود مانع سرعت گرفتن بیشتر هواپیماست.

 در چنین سرعت‌هایی، پروانه موتور هواپیماهای پیستونی، نه تنها ‌تراست یا نیروی رانش تولید نمی‌کند، بلکه در اثر سرعت بسیار زیاد، تبدیل به یک دیسک یا دایره توپر چرخنده می‌شود که جز ایجاد درگ و پسا، کار دیگری انجام نمی‌دهند.

دانشمندان آیرودینامیک آن زمان این حد را یک محدوده سرعت یا همان دیوار صوتی در نظر گرفته و بسیاری از آنان نیز بر این عقیده بودند که گذشتن از دیوار صوتی و پشت سرگذاشتن آن، کار غیرممکن است اما با ورود به عصر جت و پیشرفت علم آیرودینامیک، همه ما شاهد هستیم که این کار برای جنگنده‌های امروزی کاری بس سهل و آسان است.

حال، پس از بررسی تاریخچه آن، بهتر است به اصل موضوع بپردازیم و نخست، ببینیم که خصوصیات صوت و دیوار صوتی چیست و چرا گذر از آن نیازمند قدرت و کشش و توانایی زیادی است.

 صوت، در شرایط عادی (دما، فشار و... معمولی) در سطح دریا دارای سرعتی معادل 332 متر بر ثانیه یا 195, 1 کیلومتر بر ساعت است که این سرعت، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا، کاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر، صوت فواصل را با سرعت کمتری می‌پیماید.

 این مسأله بدین صورت است که صوت همان‌طور که می‌دانیم، از طریق ضربات ملکول‌های هوا به یکدیگر و انتقال انرژی آن‌ها فضا را طی می‌کند و هرچه تعداد ملکول‌ها در یک حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورت پذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال می‌یابد؛ چنان که سرعت صوت در مایعات بیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل 6000 کیلومتر بر ساعت است.

 پس در نتیجه افزایش ارتفاع، تعداد ملکول‌ها در یک حجم معین کاهش یافته و صوت با سرعت کمتری فضا را می‌پیماید. دیوار صوتی، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست؛ بلکه به دلیل این که گذشتن از سرعت صوت نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک خوب است، این حد را یک مانع برای رسیدن به سرعت‌های بالاتر دانسته و از آن به نام دیوار صوتی یاد می‌کنند.

عدد ماخ، در حقیقت همان نسبت سرعت شیء پرنده یا همان هواپیما به سرعت صوت محیط است که به احترام دانشمندی آلمانی که برای اولین بار چنین مقیاسی را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند.

 پس عدد ماخ، کمیتی متغیر است و بسته به خصوصیات هوا مانند دما و فشار، تغییر کرده و کاهش یا افزایش می‌یابد. اما حال که با عدد ماخ آشنا شدیم، به مهم‌ترین و اصلی‌ترین عامل ایجاد دیوار صوتی یعنی همان «امواج ضربه‌ای (shockwaves) پرداخته و دلیل ایجاد درگ و پسای زیاد را در سرعت‌های نزدیک سرعت صوت، بررسی خواهیم کرد. امواج ضربه‌ای در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند.

 امواج ضربه‌ای، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که می‌تواند به لایه‌های دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید.

برای درک بهتر مطلب، وقتی که سنگی در آب انداخته می‌شود، موج‌هایی  در آب به وجود می‌آیند که به سمت خارج در حال حرکتند.

 این امواج، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه‌ای  از ملکول‌های  آب است که قادر به انتقال به لایه‌های دیگر است و امواج ضربه‌ای  نیز، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت که آن‌ها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا، تشکیل می‌شوند.

در سرعت‌های نزدیک سرعت صوت، فرضیه غیرقابل تراکم بودن هوا رد شده و ضریب تراکم هوا به 16 می‌رسد، که مقداری غیرقابل چشم‌پوشی است. در این سرعت‌ها هوای جلوی بال یا ملخ به شدت متراکم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهی افزایش می‌یابد، همین مسأله، یکی از عوامل ایجاد امواج ضربه‌ای است.

هواپیما با حرکت خود در هوا، نظم فشار هوای محیط را بر هم می‌زند و همانند قایقی که در آب در حال حرکت است، امواجی از آن ساطع شده و به دلیل این که این امواج با سرعت صوت حرکت می‌کنند و هواپیما زیر سرعت صوت در حال سیر است، از آن دور می‌شوند.

 اما کم‌کم، با نزدیک شدن به سرعت‌های نزدیک صوت و حدود سرعت صوت، این امواج فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و در جلوی بال متراکم می‌شوند. در مناطقی از بدنه هواپیما که سطوح ناموزونی نسبت به جهت حرکت هواپیما دارد، سرعت گذر هوا افزایش یافته و براساس اصل برنولی، با افزایش سرعت سیال، فشار آن کاهش می‌یابد.

در چنین سرعت‌هایی هوای اطراف این سطوح به سرعت صوت می‌رسد، گرچه هواپیما هنوز به سرعت صوت نرسیده باشد.

 در نتیجه رسیدن بعضی سطوح به سرعت صوت، امواج ضربه‌ای تولید شده و درگ یا پسای فراوانی را قبل از رسیدن به سرعت صوت تولید می‌کنند، که همین مسأله گذر از دیوار صوتی را مشکل می‌کند.

به سرعتی که در آن حداقل یکی از سطوح هواپیماها به سرعت صوت رسیده باشد، گرچه این پدیده در مورد خود هواپیما صادق نباشد، عدد ماخ بحرانی یا Critical Mach Number می‌گویند. عدد ماخ بحرانی را می‌توان به سرعتی که نمودار پسا در مقابل سرعت سیر صعودی می‌گیرد، نیز تعریف کرد.

در این سرعت، فرامین هواپیما کم‌کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتی شبیه به کوبیدن بر روی بال توسط امواج ضربه‌ای به وجود می‌آید که با گذر از دیوار صوتی، فرامین هواپیما به حالت طبیعی خود بازمی‌گردند.

 بنابراین، در سرعتی که هواپیما به عدد ماخ بحرانی خویش می‌رسد، پسا به دلیل ایجاد امواج ضربه‌ای به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، پس، باید تلاش برآن باشد تا عدد ماخ بحرانی هر چه بیشتر با بهبود ویژگی‌های آیرودینامیکی افزایش یابد، چون اگر این اتفاق در سرعت‌های پایین‌تر رخ دهد، هواپیما نیز باید از سرعت پایین‌تری جدال با افزایش پسا را شروع کند.

حال ببینیم که چرا با تولید امواج ضربه‌ای، پسا افزایش می‌یابد. قانونی که مبحث دیوار صوتی بیان می‌کند که هر جریان هوایی که از یک موج ضربه‌ای بگذرد، موج ضربه‌ای انرژی جنبشی آن را گرفته و در خود تبدیل به گرما و افزایش فشار می‌کند، در نتیجه سرعت جریان هوای گذرنده از موج ضربه‌ای به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.

با کاهش سرعت جریان هوا در جلوی بال‌ها در سرعت‌های نزدیک سرعت صوت، تلاش پیشرانه یا موتورهای هواپیما باید چند برابر شود تا اثر کاهش سرعت در اثر موج ضربه‌ای را خنثی کند.

در صورتی که عدد ماخ بحرانی هواپیمایی پایین باشد، در سرعت‌های پایین باید نیروی رانشی هواپیما چند برابر شود که مصرف سوخت فوق‌العاده‌ای را برای گذر از دیوار صوتی به دنبال خواهد داشت؛ اما در صورت بالا بودن عدد ماخ بحرانی، هواپیما فقط مدت کوتاهی نیازمند قدرت و کشش بسیار زیاد برای شکستن دیوار صوتی است.

با اعمال نیروی فراوان رانشی، سرانجام هواپیما بر مشکل پسای زیاد فائق آمده و از دیوار صوتی می‌گذرد. در نتیجه این عمل، امواج تولید شده توسط هواپیما از آن جا مانده و پشت سر هواپیما حرکت می‌کنند.

در این حالت، وضعیت به حالت عادی بازگشته و پسای ایجاد شده به وضعیت نرمال باز می‌گردد. بعضی از هواپیماها از تمام نیروی پس سوزشان یا 100  قدرت موتور برای گذر از دیوار صوتی و یا سرعت 195, 1 کیلومتر بر ساعت استفاده می‌کنند، در حالی که در سرعت‌های بسیار بالاتر، تنها از 30 قدرت موتور برای رانش به جلو بهره می‌جویند.

با دقت در این مثال، می‌توان به خوبی افزایش درگ و پسا و قدرت فراوان لازم برای غلبه بر آن در سرعت‌های نزدیک به سرعت صوت را درک و تجزیه و تحلیل نمود.

 امواج ضربه‌ای توسط هواپیما در سرعت صوت، بسیار قدرتمند می‌باشند، چنان که در صورت پرواز هواپیما نزدیک به زمین و گذر آن از دیوار صوتی، امواج ضربه‌ای با منتهای قدرت به اجسام زمینی مانند شیشه‌های منازل و ساختمان‌ها برخورد کرده و باعث شکستن آن‌ها می‌شود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربه‌ای به‌طور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است.

 از امواج ضربه‌ای، در بمب‌ها و تسلیحات دیگر نیز استفاده می‌شود. بمب‌ها با یک افزایش دما و فشار ناگهانی در لایه‌هایی از هوا، امواج ضربه‌ا‌ی به وجود آورده که از طریق هوا انتقال یافته و باعث شکستن شیشه‌ها و تخریب دیوارها نیز می‌شود.

 اگر شخصی در فاصله‌ای نسبتاً نزدیک در فضایی تهی از هوا و خلأ حتی نزدیک یک بمب ده تنی ایستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب، آسیبی به وی نخواهد رسید، چون هوایی برای انتقال امواج ضربه‌ای وجود ندارد.

به دلیل تولید امواج ضربه‌ای در سرعت‌های حدود سرعت صوت، خلبانان سعی می‌کنند فقط مدت کوتاهی در چنین سرعت‌های حدود سرعت صوت پرواز کرده و به زودی از دیوار صوتی گذر کنند، چون پرواز در این سرعت‌ها نیروی بسیار زیاد موتور در نتیجه افزایش فوق‌العاده میزان مصرف سوخت را در پی دارد.

 اما حال ببینیم صدایی انفجار مانند که هنگام شکستن دیوار صوتی تولید می‌شود نتیجه چیست. امواج حاصله از حرکت هواپیما یا صدای تولید شده در اثر حرکت، هر بار در سرعت‌های زیر سرعت صوت از هواپیما دور شده و به گوش شنونده می‌رسد.

 اما با رسیدن هواپیما به سرعت صوت، این صداها دیگر فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و کلاً در جلوی هواپیما جمع می‌شوند.

با گذر از سرعت صوت، صدایی چند ده برابر شده از حرکت هواپیما با هم به گوش شنونده می‌رسد که مانند یک انفجار شدید یا صدای رعد و برقی بسیار قدرتمند است. شاید در تصاویر هواپیماهای در حال گذر از دیوار صوتی، هاله‌ای سفید رنگ را در اطراف هواپیما مشاهده کرده باشید.

در هنگام گذر از دیوار صوتی، اگر هواپیما نزدیک به زمین و در محیطی مرطوب با درصد بخار آب زیاد باشد، بخار آب  هوا در اثر امواج ضربه‌ای فشرده شده و ابر سفیدی را برای چند ثانیه پدید می‌آورند که همان هاله سفیدرنگ قابل روئیت در تصاویر است. اما از امواج ضربه‌ای در موتورهای جت نیز استفاده می‌شود.

 بدین گونه که، هوای  ورودی در موتورهای جت، حتی اگر هواپیما با سرعت‌های بالای صوت پرواز نماید، باید زیر سرعت صوت باشد تا قابلیت احتراق را در موتور داشته باشد.

بنابراین، اکثراً در ورودی موتورهای هواپیماهای جنگنده مخروطی را به شکل کامل یا نصف مانند هواپیماهای میگ 21 یا اف 104 استارفایتر می‌بینیم، که فلسفه ایجاد این مخروط تولید عمدی امواج ضربه‌ای است.

در صورت تولید امواج ضربه‌ای، هوای عبوری از میان آن با سرعت کاهش یافته یا زیر صوت وارد موتور می‌شود و فرآیند احتراق به‌طور کامل انجام می‌پذیرد. برای انجام پروازهای مافوق صوت، اغلب هواپیماهای جنگنده از مقطع بال‌های ویژه‌ای که عدد ماخ بحرانی را به حداکثر می‌رسانند، استفاده می‌کنند و مقطع بال‌ها معمولاً بسیار نازک و متقارن است.

به عقب برگشتگی بال‌های  هواپیماهای مدرن نیز در نتیجه تلاش برای افزایش عدد ماخ بحرانی بوده چرا که آزمایش‌های تونل باد نشان داده که با به عقب برگشتگی بال‌ها به میزان چند درجه عدد ماخ بحرانی به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد، تا جایی که هواپیماهای مسافربری سریع‌السیر مانند بوئینگ 747 که در حدود سرعت صوت یا حدود 980 کیلومتر بر ساعت پرواز می‌کنند، نیز به بال‌هایی به عقب برگشته مجهزند.

در برخی از هواپیماها، مانند هواپیمای اف 14 تامکت، از سیستم بال‌های متغیر استفاده شده که در این سیستم، در سرعت‌های پایین که از عدد ماخ بحرانی خبری نیست بال‌ها گسترده می‌شوند و برای فراوانی تولید می‌کنند، ولی رفته رفته با نزدیک شدن به سرعت صوت، کامپیوتر موجود در این سیستم خود زاویه لازم برای افزایش عدد ماخ بحرانی را محاسبه کرده و بال را متناسب با زاویه آن تغییر داده و به عقب برمی‌گرداند.

این سیستم به دلیل هزینه‌های بالا و سنگینی بیش از حد آن، دارای استفاده محدودی است. هواپیماها کلاً از نظر سرعت نسبت به سرعت صوت به چند دسته زیر تقسیم می‌شوند:

 هواپیماهای زیرسرعت صوت یا مادون صوت با محدوده سرعت 350 تا  950 کیلومتر بر ساعت، Subsonic.

هواپیماهای حدود سرعت صوت با محدوده سرعت 950 تا 1200 کیلومتر بر ساعت،Transonic.

هواپیماهای سرعت صوت با محدوده سرعت دقیقاً سرعت صوت نسبت به محیط Sonic.

هواپیماهای بالای سرعت صوت یا مافوق سرعت صوت با محدوده سرعت 1 ماخ تا 5 ماخ Supersonic.

هواپیماهای با سرعت بسیار بیشتر از سرعت صوت با  محدوده سرعت 5 ماخ و بالاتر،Hypersonic .

لازم به ذکراست، اولین بار، خلبانی آزمایشی آمریکایی به نام چاک ییگر، با انجام اصلاحاتی بر روی یک بمب‌افکن قدیمی آن را به چهار موتور موشکی مجهز کرده و بر فراز بیابانی در آمریکا، پس  از جدا شدن از هواپیمای مادر، به پرواز درآورد.

پس از چند ثانیه پرواز هواپیماهای پرتقالی رنگ ملقب به X-1 به صورت گلاید، خلبان چهار موتور موشکی خود را روشن کرده و پس از چند لحظه  صدایی رعدآسا در آسمان شنیده شد که همان نتیجه شکستن دیوار صوتی برای اولین بار در جهان بود.

در این آزمایش، این هواپیما به سرعت 16/1 ماخ دست یافت و با ورود به عصر جت، رویای شکستن دیوار صوتی نیز به واقعیتی بسیار قابل لمس مبدل گشت.

منبع: Aerospacetalk.com