پرواز فراصوت و شکستن دیوار صوتی چیست؟

در حالی کمتر فردی شانس سفر با شدت صوت را اشکار می کند، اما پرواز فراصوت یک مقصد پرواز دلنشین و یک شاهکار تکنولوژیکی دیدنی است. اگر چه افراد بسیاری در هواپیماهای با شدت بالا پرواز کرده اند، اما پرواز فراصوت تقریباً به طور انحصاری برای خلبانان جنگنده در جت های فراصوت با شدت های زیاد زیاد تر از ماخ ۱ در نظر گرفته شده است. با این حال، همیشه این چنین نبوده و هواپیماهای تجاری که می توانند دیوار صوتی را بشکنند، در قبل نه چندان دور وجود داشته و مسافران را جابجا کرده اند

اما شکستن دیوار صوتی و حرکت سریع تر از شدت صوت به چه چیزهایی نیاز دارد؟ این فرآیندی است که شامل چالش های منحصر به فرد و مفاهیم علمی است که فقطً بخشی از توانایی پروازی نیست که زیاد تر مردم با آن آشنا می باشند. محقق کردن بی نقص پرواز فراصوت یک فرآیند پر زحمت می بود و تاریخچه ای طویل در بعد آن وجود دارد که بیشتر از نیم قرن پیش اغاز شد، جایی که اولین هواپیما توانست از شدت ماخ ۱ عبور کند.

در این نوشته تصمیم داریم به بازدید این نوشته بپردازیم که پرواز فراصوت یا پرواز با شدت زیاد تر از شدت صوت به چه معناست و چطور امکان پذیر می بشود.

شدت فراصوت چیست؟

احتمالا مهم ترین سوال زمان او گفت و گو در رابطه پرواز فراصوت، فهمیدن معنی دقیق این کلمه باشد. اساساً پرواز فراصوت به معنی هر نوع پروازی است که در آن هواپیما سریع تر از شدت صوت حرکت می کند. ادوارد هارینگ، از محققان ناسا، محققی که روی غرش صوتی مطالعه می کند، آن را پروازی “سریع تر از سرعتی که امواج صوتی می توانند از مسیر خارج شوند” توصیف می کند که زیاد تر با نام ماخ ۱ شناخته می بشود و به گفتن سرعتی که امواج صوتی در هوا حرکت می کنند، محاسبه می بشود. به این علت هواپیمایی که قادر به حرکت در ماخ ۱ است باید همزمان با یک موج صوتی یا هر نوع ارتعاش فرد دیگر به مقصد خود برسد، سپس از این که از نقطه ای مشترک با این موج صوتی حرکت کند.

با این حال، هیچ شدت اشکار و معینی برای صدا وجود ندارد. همانند شدت صوت، حداکثر شتاب امواج صوتی به عوامل خارجی مختلفی از جمله دما و سختی هوا بستگی دارد. در سطح دریا با دمای ۱۵ درجه سانتی گراد، شدت صوت نزدیک به ۱,۲۱۶ کیلومتر در ساعت است. با این حال، این شدت می تواند به طور قابل توجهی نوسان داشته باشد، چون شدت صوت هر چه بالاتر می رویم در نتیجه کم شدن دما، افت می یابد. این نوشته بدین خاطر است که مولکول ها، که ارتعاشات را در هوا یا مواد دیگر حمل می کنند، در دماهای سردتر آهسته تر حرکت می کنند، بدین خاطر که انرژی کمتری دارند. به همین علت، ماخ ۱ به گفتن یک نسبت محاسبه می بشود تا با دقت به شرایطی که هواپیما با آن ها روبه رو است، تحول کند.

تفاوت با پرواز مافوق صوت

به طور کلی، چهار طبقه بندی گوناگون برای پروازها از نظر شدت وجود دارد. این دسته بندی ها به طور کلی برای تعیین نوع پرواز، بسته به شدت حرکت هواپیما مورد منفعت گیری قرار می گیرند. شدت مادون صوت یا ساب سونیک (Subsonic) به هر هواپیمایی اشاره دارد که آهسته تر از شدت ماخ ۱ حرکت می کند، به این معنی که شدت آن پایین تر از شدت صوت است. تراصوتی یا Transonic هواپیماهایی را توصیف می کند که با شدت صوت حرکت می کنند، طبق معمولً در محدوده بین ماخ ۰.۸ تا ۱.۲. در همین حال، پرواز فراصوت یا سوپرسونیک (supersonic) هر پروازی است که سریع تر از ماخ ۱ باشد.

دسته بندی چهارم، هایپرسونیک (hypersonic) یا مافوق صوت، نوع زیاد سریع تری از پرواز است که در آن یک هواپیما با سرعتی زیاد تر از ماخ ۵ از جو عبور می کند. این یعنی آن ها به طور کلی باید سریع تر از ۳,۰۰۰ مایل در ساعت (۴,۸۰۰ کیلومتر در ساعت) حرکت کنند تا هایپرسونیک محسوب شوند. هواپیماهایی که می توانند با شدت ماخ ۵ یا زیاد تر حرکت کنند، در معرض شرایط کاملًا متغیری نسبت به دیگر هواپیماها قرار می گیرند، چون مقدار بسیاری گرما را توانایی می کنند. به حرف های موزه ملی هوا و فضای ایالات متحده، حجم عظیم اصطکاکی که هواپیماها در میانه پرواز مافوق صوت، همزمان با عبور هوا از روی بدنه آن ها توانایی می کند، چالش مهم در طراحی یک وسیله نقلیه کاربردی است.

هنگامی چیزی شدت صوت را می شکند چه اتفاقی می افتد؟

رسیدن و عبور از شدت صوت تاثیرات قابل توجهی دارد. اندازه یا شکل شیء اهمیتی ندارد؛ وقتی که چیزی از دیوار صوتی عبور می کند، یک غرش صوتی (sonic boom) تشکیل خواهد کرد. این موج شوک همانند یک انفجار یا صدای رعد و برق به نظر می رسد و به اندازه ای قوی است که علتصدمه ساختاری به ساختمان های مجاور می بشود و در اوج خود به ۱۱۰ دسی بل می رسد. غرش های صوتی به این علت تشکیل می شوند که شیء سریع تر از امواج صوتی که تشکیل می کند حرکت می کند.

هنگامی که هواپیمای فراصوت در هوا حرکت می کند، امواج صوتی از آن ساطع می شوند و در همه جهات پراکنده می شوند. در میانه شتاب گیری، امواج صوتی ساطع شده از جلوی هواپیما اغاز به فشرده شدن با یکدیگر می کنند و در نهایت به علت این سختی به یک موج شوک بزرگ تبدیل می شوند. با این حال، غرش صوتی یک انتشار کردن منفرد نیست و همراه با موجی که در کنار هواپیمای فراصوت هرکت می کند یک مخروط صوتی را شکل می دهد.

یک مثال خوب در این مورد صدای ناشی از شلاق است. این صدا ناشی از تماس ماده شلاق با خودش نیست بلکه ناشی از حلقه ای است که با سرعتی فزاینده در امتداد شلاق حرکت می کند تا این که در نهایت مانع صوتی را می شکند و علتصدای بلندی همانند ترک خوردن می بشود. اساساً، صدای تند شلاق در واقع یک غرش صوتی کوچک است چون بخشی از شلاق سریع تر از شدت صوت حرکت می کند.

فیزیک پرواز

قبل از فهمیدن دقیق چگونگی ممکن بودن پرواز فراصوت، زیاد پشتیبانی کننده خواهد می بود که بفهمیم پرواز مادون صوت یا ساب سونیک نرمال چطور صورت می گیرد. فیزیک پرواز شامل چهار نیرویی است که به شکل لیفت، وزن، رانش و کشیده شدن به هواپیما داخل می شوند. وزن نتیجه گرانش است و کشیده شدن محصول اصطکاک هوا در میانه حرکت هواپیما در هوا است. برای تسلط بر این دو نیرو، هواپیما باید نیروی رانش و بلند شدن کافی برای برخاستن از زمین و باقی ماندن در هوا را تشکیل کند.

موتورهای هواپیما نیروی پیشران را تامین می کنند. این اجزا سوخت را سوزانده و توربین های می چرخانند، که علتمی بشود هوا به سمت بیرون سختی داده شده تا هواپیما را به جلو پیش ببرند، در حالی که در شدت های بالا نیاز به نیروی پیشرانه بیشتری است چون اصطکاک در تناسب با شتای هوایی که روی سازه در جریان است، افزایش می یابد. در عین حال، شکل بال ها هوا را ناچار می کند تا به شیوه ای خاص هم در زیر و هم در بالای آن ها جریان یابد. این کار یک اختلاف سختی روی بال ها تشکیل می کند و به طور موثر هواپیما را ناچار به حرکت به سمت بالا می کند. زاویه دعوا یک بال به هوای اطرافش می تواند بسته به نیاز هواپیما، لیفت کمتر و بیشتری تشکیل کند و به آن اجازه بالا رفتن یا نگه داری ارتفاع در شدت های گوناگون را بدهد.

توقف در طول پرواز وقتی رخ می دهد که جریان هوا روی بال ها مختل بشود. این اتفاق می تواند به این علت رخ دهد که هواپیما زیاد آهسته حرکت می کند یا زاویه دعوا بال ها زیاد بالا است. در هر دو حالت، با آشفته شدن جریان هوا، بال ها دیگر نمی توانند قوت لیفت کافی تشکیل کنند.

فیزیکی پرواز فراصوت

تعداد بسیاری از مفاهیم فیزیک که در طول پرواز عادی وجود دارند، در رابطه هواپیمایی که سریع تر از شدت صوت حرکت می کند نیز صدق می کنند. با این حال، ویژگی های فرد دیگر نیز وجود دارند که باید در نظر گرفته شوند. نگرانی مهم برای یک هواپیمای فراصوت، اصصکاک است. در شدت های مافوق صوت، مولکول های هوا را نمی توان با شدت کافی از مسیر پرواز خارج کرد، که سایش هوایی زیاد بیشتری نسبت به پرواز مادون صوت (فرو صوت) تشکیل می کند.

این سایش اضافی مشکلات بسیاری تشکیل می کند و به این معنی است که هواپیماهای فراصوت باید طراحی های متغیری با هواپیماهای مسافربری معمولی داشته باشند. آن ها طبق معمول نازک و باریک خواهند می بود که نحوه حرکت جت یا هواپیما در هوا را بهبود می بخشند و با افت مقدار اصطکاک هوا، سایش را افت می دهند. به همین خاطر، هواپیماهای فراصوت زیاد تر به طور اشکال مثلثی صیقلی ساخته می شوند.

آن ها این چنین باید بتوانند دماهای بالا را تحمل کنند چون اصطکاک هوا علتمی بشود که بدنه هواپیما به طور قابل توجهی داغ بشود. مواد استاندارد مورد منفعت گیری در صنعت هوانوردی تجاری امکان پذیر قادر به مقابله با این نوسانات دمایی نباشند و نیاز به آلیاژهای قوی و بادوام تری وجود دارد. در نهایت، موتورها باید زیاد پرقدرت از موتورهای به کار رفته در هواپیماهای تجاری باشند تا نیروی پیشرانه ملزوم را فراهم کنند و بتوانند در ارتفاعات بالاترِ الزامی برای پشتیبانی به افت اصطکاک هوا پرواز کنند. با این حال، انتخاب مطرح و قطعات نیز پرواز در شدت های مادون صوت و فرا صوت را دشوارتر می کند.

تاریخچه پرواز فراصوت

پرواز فراصوت در دهه ۱۹۴۰ اغاز شد. تا حدودی بر پایه تحقیقات یک پروژه بریتانیایی برای ساخت هواپیمایی که بتواند دیوار صوتی را بشکند، کمپانی Bell Aircraft و سازمان های گوناگون دولتی ایالات متحده برای ساخت هواپیمای Bell X-1 همکاری کردند. اساساً مهندسان این پروژه آن را به شکل یک گلوله مدل سازی کردند، چون می دانستند که این اشیاء می توانند به راحتی سد صوتی را بشکنند. بعد از آزمایش های گسترده، این هواپیمای با پیشرانه راکتی اولین پرواز فرا صوت خود را توسط یک خلبان آمریکایی به نام چارلز «چاک» ییگر در سال ۱۹۴۷ با رسیدن به شدت ماخ ۱.۰۶ انجام داد. این موفقیت نشان داد که نه تنها سفر هوایی با سرعتی بیشتر از شدت صوت امکان پذیر است بلکه می توان آن را به طور کنترل شده نیز انجام داد.

بعد از این پیروزی، ارتش های گوناگون در سراسر جهان اغاز به طراحی جت های جنگنده فراصوت کردند. در اغاز دهه ۱۹۵۰، هم ارتش ایالات متحده و هم اتحاد جماهیر شوروی جت های جنگنده ای گسترش داده بودند که قادر به شدت سوپرسونیک بودند. این جنگنده ها شامل MiG – ۱۹ و F – ۱۰۰ D Super Sabre می شدند؛ هرچند مدل های فرد دیگر نیز در طول سال های سپس تشکیل شدند. در واقع، اکنون اکثر جنگنده های مدرن می توانند با سرعتی زیاد بالاتر از ماخ ۱ پرواز کنند، جنگنده هایی همانند F – ۳۵ و یوروفایتر تایفون. سریع ترین هواپیمای تاریخ SR-71 Blackbird ساخت کمپانی لاکهید است که به شدت حداکثری ماخ ۳.۲ رسید.

در رابطه هواپیماهای تجاری، تنها دو ایرلاین مهم وجود دارند که می توانند با سرعتی زیاد تر از شدت صوت پرواز کنند. توپولف Tu – ۱۴۴ ساخت روسیه در سال ۱۹۷۵ فعالیت خود را اغاز کرد اما تنها چند سال سپس در سال ۱۹۷۸ بازنشسته شد. در همین حال، کنکورد فرانسوی – بریتانیایی در سال ۱۹۷۶ داخل خدمت شد و تا سال ۲۰۰۳ که رسما، بازنشسته شد، به حمل و نقل مسافران با شدت بیشتر از شدت صوت در ادامه گفت. کنکورد شدت زیاد بالای Mach ۲.۰۴ داشت

.

خطرات پرواز فراصوت

اگرچه هواپیماهای فراصوت از نقطه نظر فناوری قابل دقت می باشند، اما نسبت به ابزارهای سنتی سفرهای هوایی، زیاد تر در روبه رو خطرات خاص، صدمه پذیر می باشند. بزرگ ترین چالش، ساخت وسیله نقلیه ای است که به قدر کافی برای پرواز سوپرسونیک قوی باشد. سفر سریع تر از شدت صوت به علت نیروهای شدیدی که به آن داخل می بشود و تغییرات ناگهانی در سختی مربوط به غرش های صوتی، سختی بسیاری را بر ساختار هواپیما داخل می کند. اصطکاک هوا نیز یک خطر دیگر است، چون علتتنش حرارتی می بشود در شرایطی که اجزای بدنه داغ شده و به شدت منبسط می شوند. ارتعاشات شدید در طول شتاب گرفتن و ترمز نیز رایج است که سختی مضاعفی به اجزا و فریم هواپیما داخل می کند.

خطرات پرواز فراصوت تنها به هواپیما محدود نمی بشود. شدت بالاتر به این معنی است که خلبانان زمان کمتری برای عکس العمل نشان دادن به مسائل یا عیب یابی مشکلات احتمالی دارند. اگر یک هواپیمای با شدت فراصوت در نزدیکی مناطق پرجمعیت باشد و در همان حال با مشکل روبه رو بشود، این نوشته می تواند حوادث فاجعه بار را ویرانگرتر کند. غرش های صوتی نیز مخرب بوده و قادر به تشکیل صدمه ساختاری به ساختمان های روی زمین یا خرد کردن پنجره ها می باشند. این چنین نگرانی هایی در رابطه صدمه شنوایی احتمالی به افرادی که امکان پذیر غرش صوتی و آلودگی صوتی عمومی را توانایی کنند، وجود دارد.

خطر بزرگ دیگر در رابطه هواپیماهای فراصوت این است که آن ها سوخت زیاد بیشتری نسبت به همتایان مادون صوت خود مصرف می کنند. برای تسلط بر اصطکاک افزایش یافته ناشی از حرکت در این شدت های بالا، موتورها به قوت زیاد تر و سطح سوخت بالاتری نیاز دارند. این نوع هواپیماها این چنین طبق معمول سنگین تر می باشند چون باید قوی تر باشند و در ارتفاعات بالاتر کار کنند – هر دو عاملی که منفعت وری سوخت را افت می دهند. در نهایت، پرواز فراصوت آلایندگی سوختی بیشتری نسبت به دیگر اشکال پرواز تشکیل می کند.

آینده پرواز فراصوت

تنها هواپیمای مسافربری با توانایی پرواز فراصوت در بلند زمان در جهان، کنکورد می بود که از سال ۱۹۷۶ تا ۲۰۰۳ توسط ایر فرانس و بریتیش ایرویز منفعت گیری می شد. این هواپیما که عمدتاً برای پروازهای فرااقیانوسی و بین اروپا و آمریکا منفعت گیری می شد، می توانست با شدت کروز ماخ ۲ یا تقریبا ۲,۱۶۰ کیلومتر در ساعت حرکت کند. با این حال، کنکورد به دلایل بسیاری بازنشسته شد که از مهم ترین آن ها می توان به هزینه های عملیاتی بالای آن اشاره کرد که پرواز با آن را برای اکثر مسافران زیاد پرهزینه و گرانقیمت می کرد. مشکلات مربوط به غرش های صوتی نیز به این معنی می بود که آن ها نمی توانستند در شدت های فراصوت بر فراز مناطق پرجمعیت پرواز کنند به این علت تنها می توانستند در مسیرهای پروازی خاص پرواز نمایند.

خطرات پرواز فراصوت و هزینه های مربوط به آن علتشده است که کار با هواپیماهایی که می توانند سریع تر از شدت صوت در یک ظرفیت تجاری حرکت کنند، دشوار باشد. با این حال، این نوشته شرکت ها را از بازدید امکان برگشت دادن هواپیماهای مسافربری فراصوت باز نداشته است. هر دو شرکت آمریکن ایرلاینز و یونایتد ایرلاینز خواست هواپیماهای فراصوت را به شرکت Boom Supersonic داده اند. این گمان وجود دارد که این هواپیماهای تازه تا سال ۲۰۲۹ عملیاتی شوند.

یک سازمان اروپایی به نام Destinus نیز یک پرواز با سوخت هیدروژنی را نظر کرده است که قادر به پرواز با شدت ماخ ۵ خواهد می بود. این شرکت اکنون چندین پرواز آزمایشی را به آخر رسانده و امیدوار است در سال ۲۰۲۴ یک پرواز هیدروژنی فراصوت داشته باشد. نسخه های مفهومی فرد دیگر از هواپیماهای فراصوت بالقوه نیز در حال گسترش است که می توانند زمان پرواز در سراسر جهان را به طور چشمگیری افت دهد.