شکست دیوار صوتی(روایت اول و دوم)

ر اعصار آغازين دوران هوانوردي ابتدايي ، هواپيماها بيشتر با سرعتهاي بسيار پايين نسبت به هواپيماهاي امروزي پرواز مي‌کردند که حتي به بيشتر از 300 کيلومتر در ساعت نمي‌رسيد؛ در حالي که چنين سرعتي ، سرعت مطلوب براي تيک آف يا برخاست يک هواپيماي جنگنده امروزي است و رسيدن به چنين سرعتي ، ابداً مستلزم تلاش بسيار و فشار آوردن بيش از حد به موتور نمي‌باشد. اما رفته رفته ، سرعت هواپيماها حتي با موتورهاي پيستوني گاها بالاي 650 کيلومتر بر ساعت رسيده و از آن زمان بود که دانشمندان علوم آيروديناميک دريافتند که با افزايش سرعت ، به تدريج ميزان پسا افزايش پيدا کرده و در سرعت معيني ، ديگر هواپيما قادر به سرعت گرفتن نبوده گاه نيز استال مي‌شوند.

در آن زمان ، علت اين موضوع بدين گونه بيان شد که با افزايش سرعت ، به تدريج سرعت گردش انتها يا نوک پره‌هاي پروانه موتور ، به سرعت صوت نزديک شده و سرانجام در حداکثر سرعت يک هواپيماي پيستوني که حدود 950 کيلومتر مي‌باشد، سرعت انتهاي پره‌ها از سرعت صوت گذشته و پسا يا درگ بسياري ايجاد مي‌شود که خود مانع سرعت گرفتن بيشتر هواپيماست. در چنين سرعتهايي ، پروانه موتور هواپيماهاي پيستوني ، نه تنها تراست يا نيروي کشش توليد نمي‌کند، بلکه در اثر سرعت بسيار زياد ، تبديل به يک ديسک يا دايره توپر چرخنده مي‌شود که جز ايجاد درگ و پسا ، کار ديگري انجام نمي‌دهد.

آيروديناميستهاي آن زمان اين حد را يک محدوده سرعت يا همان ديوار صوتي در نظر گرفته و بسياري از آنان نيز بر اين عقيده بودند که گذشتن از ديوار صوتي و پشت سر گذاشتن آن ، کاري غير ممکن است؛ اما با ورود به عصر جت و پيشرفت علم آيروديناميک ، اين کار براي جنگنده‌هاي امروزي کاري بس سهل و آسان است.

اولين بار خلباني آمريکايي به نام چاک ييگر ، با انجام اصلاحاتي بر روي يک بمب افکن قديمي آن را به چهار موتور موشکي مجهز کرده و بر فراز بياياني در آمريکا ، پس از جدا شدن از هواپيماي مادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانيه پرواز هواپيماي پرتقالي رنگ ملقب به X-1 به صورت گلايد، خلبان چهار موتور موشکي خود را روشن کرده و پس از چند لحظه صدايي رعد آسا در آسمان شنيده شد که همان نتيجه شکستن ديوار صوتي براي اولين بار در جهان بود. در اين آزمايش ، اين هواپيما به سرعت 16/1 ماخ دست يافت، و با ورود به عصر جت ، روياي شکستن ديوار صوتي و پا گذاشتن به سرعت صوت نيز به واقعيتي بسيار قابل لمس مبدل گشت.
خصوصيات صوت و ديوار صوتي
خصوصيات صوت و ديوار صوتي چيست و چرا گذر از آن نيازمند قدرت و کشش و توانايي زيادي است. صوت ، در شرايط عادي (دما ، فشار و ... معمولي) در سطح دريا داراي سرعتي معادل 332 متر بر ثانيه يا 1,195 کيلومتر بر ساعت مي‌باشد که اين سرعت ، با افزايش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا ، کاهش يافته و در ارتفاعات بالاتر ، صوت فواصل را با سرعت کمتري مي‌پيمايد. اين مسئله بدين صورت است که صوت از طريق ضربات ملکولهاي هوا به يکديگر و انتقال انرژي آنها فضا را طي مي‌کند و هر چه تعداد مولکولها در يک حجم معين بيشتر باشند، انتقال انرژي زودتر صورت پذيرفته و صوت با سرعت بيشتري انتقال مي‌يابد؛ چنانکه سرعت صوت در مايعات بيشتر از هوا و در جامدات بسيار بيشتر از مايعات و هوا و معادل 6000 کيلومتر بر ساعت است.

پس در نتيجه افزايش ارتفاع ، تعداد ملکولها در يک حجم معين کاهش يافته و صوت با سرعت کمتري فضا را مي‌پيمايد. ديوار صوتي ، شيئي فيزيکي و قابل روئيت نيست؛ بلکه به دليل اينکه گذشتن از سرعت صوت نيازمند توان بسيار بالاي موتور و آيروديناميک بسيار خوب مي‌باشد، اين حد را يک مانع براي رسيدن به سرعتهاي بالاتر دانسته و از آن به نام ديوار صوتي ياد مي‌کنند. عدد ماخ ، در حقيقت همان نسبت سرعت شيء پرنده يا همان هواپيما به سرعت صوت محيط است که به احترام دانشمندي آلماني که براي اولين بار چنين مقياسي را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ ، کميتي متغير است و بسته به خصوصيات هوا مانند دما و فشار ، تغيير کرده و کاهش يا افزايش مي‌يابد.

عامل ايجاد ديوار صوتي
امواج ضربه‌اي يا Shockwaves در حقيقت همان عامل اصلي ايجاد ديوار صوتي هستند. امواج ضربه‌اي ، تغييري ناگهاني در فشار و دماي يک لايه از هواست که مي‌تواند به لايه‌هاي ديگر منتقل شده و به صورت يک موج فضا را بپيمايد. براي درک بهتر مطلب ، وقتي که سنگي در آب انداخته مي‌شود، موجهايي در آب بوجود مي‌آيند که به سمت خارج در حال حرکتند. اين امواج ، نتيجه افزايش سرعت يا اعمال نيرو به لايه‌اي از ملکولهاي آب است که قادر به انتقال به لايه‌هاي ديگر نيز مي‌باشد، و امواج ضربه‌اي نيز ، همان امواج درون آب هستند، با اين تفاوت که آنها در سيالي ديگر به جاي آب به نام هوا ، تشکيل مي‌شوند.

در سرعتهاي نزديک سرعت صوت ، فرضيه غير قابل تراکم بودن هوا رد شده و ضريب تراکم هوا به 16% در مي‌رسد، که مقداري غير قابل چشم پوشي است. در اين سرعتها هواي جلوي بال يا لبه حمله به شدت متراکم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهي افزايش مي‌يابد، همين مسأله ، يکي از عوامل ايجاد امواج ضربه‌اي است. هواپيما با حرکت خود در هوا ، نظم فشار هواي محيط را بر هم مي‌زند و همانند قايقي که در آب در حال حرکت است، امواجي از آن ساطع شده و به دليل اينکه اين امواج با سرعت صوت حرکت مي‌کنند و هواپيما زير سرعت صوت در حال سير است، از آن دور مي‌شوند.

اما کم کم ، با نزديک شدن به سرعتهاي ترانسونيک و حدود سرعت صوت ، اين امواج فرصت دور شدن از هواپيما را نداشته و در جلوي بال متراکم مي‌شوند. در مناطقي از بدنه هواپيما که سطوح ناموزوني نسبت به جهت حرکت هواپيما دارد، سرعت گذر هوا افزايش يافته و بر اساس اصل برنولي ، با افزايش سرعت سيال ، فشار آن کاهش مي‌يابد. در چنين سرعتهايي ، هواي اطراف اين سطوح به سرعت صوت مي‌رسد، گر چه هواپيما هنوز به سرعت صوت نرسيده باشد. در نتيجه رسيدن بعضي سطوح به سرعت صوت ، امواج ضربه‌اي توليد شده و درگ يا پساي فراواني را قبل از رسيدن به سرعت صوت توليد مي‌کنند، که همين مسأله گذر از ديوار صوتي را مشکل مي‌نمايد.
عدد ماخ بحراني
به سرعتي که در آن حداقل يکي از سطوح هواپيما به سرعت صوت رسيده باشد، گر چه اين پديده در مورد خود هواپيما صادق نباشد، عدد ماخ بحراني يا Critical Mach Number مي‌گويند. عدد ماخ بحراني را مي‌توان به سرعتي که نمودار پسا در مقابل سرعت سير صعودي مي‌گيرد، نيز تعريف نمود. در اين سرعت ، فرامين هواپيما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتي شبيه به کوبيدن بر روي بال توسط امواج ضربه‌اي بوجود مي‌آيد که با گذر از ديوار صوتي ، فرامين هواپيما به حالت طبيعي خود باز مي‌گردند.

بنابراين ، در سرعتي که هواپيما به عدد ماخ بحراني خويش مي‌رسد، پسا به دليل ايجاد امواج ضربه‌اي بطور قابل توجهي افزايش مي‌يابد، پس ، بايد تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحراني هر چه بيشتر با بهبود ويژگيهاي آيروديناميکي افزايش يابد، چون اگر اين اتفاق در سرعتهاي پايين‌تر رخ دهد، هواپيما نيز بايد از سرعت پايين‌تري جدال با افزايش پسا را شروع کند.

چرا با توليد امواج ضربه‌اي ، پسا افزايش مي‌يابد؟
قانوني در مبحث ديوار صوتي بيان مي‌کند که هر جريان هوايي که از يک موج ضربه‌اي بگذرد، موج ضربه‌اي انرژي جنشي سرعتي آن را گرفته و در خور تبديل به گرما و افزايش فشار مي‌کند، در نيتجه سرعت جريان هواي گذرنده از موج ضربه‌اي به ميزان قابل توجهي کاهش مي‌يابد. با کاهش سرعت جريان هوا در جلوي بالها در سرعتهاي نزديک سرعت صوت ، تلاش پيشرانه يا موتورهاي هواپيما بايد چند برابر شود تا اثر کاهش سرعت در اثر موج ضربه‌اي را خنثي نمايد. در صورتي که عدد ماخ بحراني هواپيمايي پايين باشد، در سرعتهاي پايين بايد نيروي رانشي هواپيما چند برابر شود که مصرف سوخت فوق العاده‌اي را براي گذر از ديوار صوتي به دنبال خواهد داشت؛ اما، در صورت بالا بودن عدد ماخ بحراني ، هواپيما فقط مدت کوتاهي نيازمند قدرت و کشش بسيار زياد براي شکستن ديوار صوتي مي‌باشد.

با اعمال نيروي فراوان رانشي ، سرانجام هواپيما بر مشکل پساي زياد فائق آمده و از ديوار صوتي مي‌گذرد. در نتيجه اين عمل ، امواج توليد شده توسط هواپيما از آن جا مانده و پشت سر هواپيما حرکت مي‌کنند. در اين حالت ، وضعيت به حالت عادي بازگشته و پساي ايجاد شده به وضعيت نرمال باز مي‌گردد. بعضي از هواپيماها از تمام نيروي پس سوزشان يا 100% قدرت موتور براي گذر از ديوار صوتي و يا سرعت 1,195 کيلومتر بر ساعت استفاده مي‌کنند، در حالي که در سرعتهاي بسيار بالاتر ، تنها از 30% قدرت موتور براي رانش به جلو بهره مي‌جويند. با دقت در اين مثال ، مي‌توان به خوبي افزايش درگ و پسا و قدرت فروان لازم براي غلبه بر آن در سرعتهاي نزديک به سرعت صوت را درک و تجزيه و تحليل نمود.
اثرات شکست ديوار صوتي
امواج ضربه‌اي توسط هواپيما در سرعت صوت ، بسيار قدرتمند مي‌باشند، چنانکه در صورت پرواز هواپيما نزديک به زمين و گذر آن از ديوار صوتي ، امواج ضربه‌اي با منتهاي قدرت به اجسام زميني مانند شيشه‌هاي منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شکستن آنها مي‌شود، يا حتي اگر شخصي در معرض امواج ضربه‌اي بطور مستقيم قرار گيرد، احتمال از دست دادن شنوايي و پاره شدن پرده گوش بسيار است.

از امواج ضربه‌اي ، در بمبها و تسليحات ديگر نيز استفاده مي‌شود. بمبها با يک افزايش دما و فشار ناگهاني در لايه‌هايي از هوا ، امواج ضربه‌اي بوجود آورده که از طريق هوا انتقال يافته و باعث شکستن شيشه‌ها و تخريب ديوارها نيز مي‌شود. اگر شخصي در فاصله‌اي نسبتاً نزديک در فضايي تهي از هوا و خلاء ، حتي نزديک يک بمب ده تني ايستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب ، آسيبي به وي نخواهد رسيد، چون هوايي براي انتقال امواج ضربه‌اي وجود ندارد.

به دليل توليد امواج ضربه‌اي در سرعتهاي حدود سرعت صوت ، خلبانان سعي مي‌کنند فقط مدت کوتاهي در چنين سرعتهايي ترانسونيک پرواز کرده و به زودي از ديوار صوتي گذر کنند، چون پرواز در اين سرعتها نيروي بسيار زياد موتور در نيتجه افزايش فوق العاده ميزان مصرف سوخت را در پي دارد.
صداي انفجار
امواج حاصله از حرکت هواپيما يا صداي توليد شده در اثر حرکت ، هر بار در سرعتهاي زير سرعت صوت از هواپيما دور شده و به گوش شنونده مي‌رسد. اما با رسيدن هواپيما به سرعت صوت، اين صداها ديگر فرصت دور شدن از هواپيما را نداشته و کلاً در جلوي هواپيما جمع مي‌شوند. با گذر از سرعت صوت ، صدايي چند ده برابر شده از حرکت هواپيما باهم به گوش شنونده مي‌رسد که مانند يک انفجار شديد يا صداي رعد و برقي بسيار قدرتمند مي‌باشد. شايد در تصاوير هواپيماهاي در حال گذر از ديوار صوتي ، هاله‌اي سفيد رنگ را در اطراف هواپيما مشاهده کرده باشيد. در هنگام گذر از ديوار صوتي ، اگر هواپيما نزديک به زمين و در محيطي مرطوب با درصد بخار آب زياد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه‌اي فشرده شده و ابر سفيدي را براي چند ثانيه پديد مي‌آورند که همان هاله سفيد رنگ قابل روئيت در تصاوير است. اما از امواج ضربه‌اي در موتورهاي جت نيز استفاده مي‌شود. بدين گونه که ، هوا ورودي در موتورهاي جت ، حتي اگر هواپيما با سرعتهاي بالاي صوت پروزا نمايد، بايد زير سرعت صوت باشد تا قابليت احتراق را در موتور داشته باشد.
طراحي هواپيما
بنابراين ، اکثراً در ورودي موتورهاي هواپيماهاي جنگنده مخروطي را به شکل کامل يا نصف مانند هواپيماهاي ميگ 21 يا اف 104 ستارفايتر ديده مي‌شود، که فلسفه ايجاد اين مخروط توليد عمدي امواج ضربه‌اي است. در صورت توليد امواج ضربه‌اي ، هواي عبوري از ميان آن با سرعت کاهش يافته يا زير صوت وارد موتور مي‌شود و فرآيند احتراق بطور کامل انجام مي‌پذيرد. براي انجام پروازهاي مافوق صوت ، اغلب هواپيماهاي جنگنده از مقطع بالهاي ويژه‌اي که عدد ماخ بحراني را به حداکثر مي‌رسانند، استفاده مي‌نمايند و مقطع بالها معمولاً بسيار نازک و متقارن مي‌باشد.

به عقب برگشتگي بالهاي هواپيماهاي مدرن نيز در نتيجه تلاش براي افزايش عدد ماخ بحراني بوده ، چرا که آزمايشهاي تونل باد نشان داده که با به عقب برگشتگي بالها به ميزان چند درجه عدد ماخ بحراني به ميزان قابل توجهي افزايش مي‌يابد، تا جايي که هواپيماهاي مسافربري سريع السير مانند بوئينگ 747 که در حدود سرعت صوت يا حدود 980 کيلومتر بر ساعت پرواز مي‌کنند، نيز به بالهايي به عقب برگشته مجهزند.

در برخي از هواپيماها ، مانند هواپيماي اف 14 تامکت ، از سيستم بالهاي متغير استفاده شده که در اين سيستم ، در سرعتهاي پايين که از عدد ماخ بحراني خبري نيست بالها گسترده مي‌شوند و براي فراواني توليد مي‌کنند، ولي رفته رفته با نزديک شدن به سرعت صوت ، کامپيوتر موجود در اين سيستم خود زاويه لازم براي افزايش عدد ماخ بحراني را محاسبه کرده و بال را متناسب با زوايه آن تغيير داده و به عقب بر مي‌گرداند. اين سيستم به دليل هزينه‌هاي بالا و سنگيني بيش از حد آن ، داراي استفاده محدودي مي‌باشد.
دسته بندي هواپيماها
هواپيماها کلاً از نظر سرعت نسبت به سرعت صوت به چند دسته زير تقسيم مي‌شوند:

* هواپيماهاي زير سرعت صوت يا مادون صوت با محدوده سرعت 350 تا 950 کيلومتر بر ساعت ، Subsonic
* هواپيماهاي حدود سرعت صوت با محدوده سرعت 950 تا 1200 کيلومتر بر ساعت ، Transonic
* هواپيماهاي سرعت صوت با محدوده سرعت دقيقاً سرعت صوت نسبت به محيط ، Sonic
* هواپيماهاي بالاي سرعت صوت يا مافوق سرعت صوت با محدوده سرعت 1 ماخ تا 5 ماخ ، Supersonic
* هواپيماهاي با سرعت بسيار بيشتر از سرعت صوت با محدوده سرعت 5 ماخ و بالاتر ، Hypersonic

منبع:دانشنامه رشد
انجمن هوافضا

يوار صوتي چيست و چگونه شکسته مي شود؟ نويسنده: آرمان

ابتدا تقسيم بندي کلي بر هواپيماها از نظر سرعت خواهيم داشت. هواپيماها از نظر سرعت به چند دسته تقسيم مي شوند:

*هواپيماهاي زير سرعت صوت يا Sub Sonic

*هواپيماهاي نزديک سرعت صوت يا Tran Sonic

*هوپيماهاي دقيقاْ در صوت يا Sonic

*هواپيماهاي ماوراي سرعت صوت يا Super Sonic

*هواپيماهاي بسيار بالاتر از سرعت صوت يا Hyper Sonic

سرعت صوت عبارت است از مقدار مسافتي که صوت در يک مدت زمان معين طي مي کند. براي مثال سرعت صوت در ثانيه و در سطح دريا و دماي 22 درجه تقريباً 345 متر و سرعت آن در يک ساعت 1240 است. دليل متغير بودن سرعت صوت، به ميزان فشار هوا يا در حقيقت ارتفاع بستگي دارد. در سطح دريا، سرعت صوت در ميزان حداکثر خود و در ارتفاعات بالا کمترين مقدار خود را يعني حدود 1060 کيلومتر بر ساعت را در در دماي 52 درجه دارد که به اين معني است که در سطح دريا، به دليل تراکم نسبتاً زياد ملکول هاي هوا، صوت با سرعت بيشتري حرکت مي کند و مجرد اينکه ارتفاع بالا مي رود، فشار هوا تقليل يافته در نتيجه صوت با سرعت کمتري فضا را پيمايش مي کند. به حداکثر سرعت صوت در يک ارتفاع معين ماخ يا Mach مي گويند. به اين ترتيب سرعت 120 کيلومتر در ساعت تقريباً مقداري معادل 0.1 ماخ داشته و سرعت 950 کيلومتر برساعت تقريباً معادل 0.9 ماخ است (البته بيان سرعت به کيلومتر در ساعت براي درک بهتر است، چه، در غير اينصورت واحد سرعت هواپيماها بيشتر بر حسب نات يا Knot که معادل 1822 متر است محاسبه گرديده و ارتفاع آنها نيز بر حسب پا يا Foot که هر فوت معادل تقريباً 0.35 متر است محاسبه مي شود). سرعت ماخ توسط فرمول سرعت "هواپيما ÷ سرعت صوت محيط" محاسبه مي شود.

در حدود سرعت صوت، به دليل فشردگي بيش از حد هوا در مقابل لبه حمله بال هواپيما، نيروي "برا"ي هواپيما به شدت کاهش پيدا کرده و بالعکس نيروي پس کشنده يا Drag آن به شدت افزايش پيدا مي کند؛ تا جايي که بسياري در زمان هاي گذشته عقيده داشتند که عبور از چنين سرعتي براي اجسام پرنده ساخت دست انسان غير ممکن مي باشد، اما ورود موتور جت به عرصه هوانوردي، اين رويا رنگ واقعيت به خود گرفت. چرا که اگر يک هواپيماي ملخ دار در سرعت 700 کيلومتر بر ساعت به 1000 اسب بخار نيرو نياز داشته باشد، در سرعت 1000 کيلومتر بر ساعت، همين هواپيما به 30,000 اسب بخار نيرو جهت پرواز نيز خواهد داشت. به همين دليل اين حد را (ديوار صوتي)، Sound Barrier ناميده و گذشتن از آن را غير ممکن مي دانستند.

چگونگي شکستن ديوار صوتي:

با نزديک شدن هواپيما به سرعت صوت، توليد امواج ضربه اي يا Shockwave ها بر روي بال ها شروع مي شود. هر چه سرعتي که هواپيما در آن سرعت موجب توليد امواج ضربه اي مي شود بيشتر باشد، آن هواپيما از آيروديناميک بهتري برخوردار است. اين امواج حالتي را شبيه به کوبيدن رو بال ها پديد مي آورند و اين حالت ناپايداري تا جايي ادامه مي يابد که ممکن است فرامين هواپيما به کلي از دست هدايت کننده آن بيرون رود. سرعتي را که توليد امواج ضربه اي در آن براي يک هواپيما شروع مي شود، عدد ماخ بحراني يا Critical Mach مي نامند. اما بعد از شکست ديوار صوتي و گذشتن از آن اين حالت از بين رفته و فرامين به حالت اصلي خود باز مي گردند. گفتيم که نزديکي هواپيما به سرعت صوت، توليد امواج ضربه اي را در پي دارد. هر موجود پرنده اي در حالت پرواز، فشار هاي گوناگوني توليد کرده و فشار هاي متفاوتي نيز از سوي او بر محيط اعمال مي شود و عملاً نظم فشار محيط را بهم مي زند. تا قبل از سرعت صوت، هر موجي که از سوي هواپيما توليد مي شود، از آن دور شده و اثري بر آن نخواهد داشت. اما با تقرب هواپيما به سرعت صوت، ديگر تقريباً امواج فرصت دور شدن از لبه حمله بال هواپيما را نداشته تا جايي که ديگر اصلاً موقعيتي براي فرار آنها وجود نداشته و چون هواپيما نيز همسان با سرعت صوت حرکت مي کند، صداي توليد شده توسط هواپيما در هر لحظه جمع شده و با تجاوز از سرعت صوت، صداي مهيب و انفجار مانندي به گوش مي رسد که همان نتيجه شکستن ديوار صوتي است.

منبع:انجمن هوافضا