ديوار صوتي

ديوار صوتي
در اعصار آغازين دوران هوانوردي ابتدايي، هواپيما ها بيشتر با سرعت هاي بسيار پايين نسبت به هواپيما هاي امروزي پرواز مي كردند كه حتي به بيشتر از ۳۰۰ كيلومتر در ساعت نمي رسيد؛ در حالي كه چنين سرعتي، سرعت مطلوب براي تيك آف يا برخاست يك هواپيماي جنگنده امروزي است و رسيدن به چنين سرعتي، ابداً مستلزم تلاش بسيار و فشار آوردن بيش از حد به موتور نمي باشد.
اما رفته رفته، سرعت هواپيما ها حتي با موتورهاي پيستوني به گاه بالاي ۶۵۰ كيلومتر بر ساعت رسيده و از آن زمان بود كه دانشمندان علوم آيروديناميك دريافتند كه با افزايش سرعت، به تدريج ميزان پسا افزايش پيدا كرده و در سرعت معيني، ديگر هواپيما قادر به سرعت گرفتن نبوده، گاه نيز استال مي شوند.

در آن زمان، علت اين موضوع بدين گونه بيان شد كه با افزايش سرعت، به تدريج سرعت گردش انتها يا نوك پره هاي پروانه ي موتور، به سرعت صوت نزديك شده و سرانجام در حداكثر سرعت يك هواپيماي پيستوني كه حدود ۹۵۰ كيلومتر مي باشد، سرعت انتهاي پره ها از سرعت صوت گذشته و پسا يا درگ بسياري ايجاد مي شود كه خود مانع سرعت گرفتن بيشتر هواپيماست.
در چنين سرعت هايي، پروانه موتور هواپيماهاي پيستوني، نه تنها تراست يا نيروي كشش توليد نمي كند، بلكه در اثر سرعت بسيار زياد، تبديل به يك ديسك يا دايره توپر چرخنده مي شود كه جز ايجاد درگ و پسا، كار ديگري انجام نمي دهد.
آيروديناميست هاي آن زمان اين حد را يك محدوده سرعت يا همان ديوار صوتي در نظر گرفته و بسياري از آنان نيز بر اين عقيده بودند كه گذشتن از ديوار صوتي و پشت سر گذاشتن آن، كاريست غير ممكن؛ اما با ورود به عصر جت و پيشرفت علم آيروديناميك، همه ما شاهد هستيم كه اين كار براي جنگنده هاي امروزي كاري بس سهل و آسان است.

حال، پس بررسي تاريخچه آن، بهتر است به اصل موضوع بپردازيم و نخست، ببينيم كه خصوصيات صوت و ديوار صوتي چيست و چرا گذر از آن نيازمند قدرت و كشش و توانايي زيادي است.

صوت، در شرايط عادي (دما، فشار و … معمولي) در سطح دريا داراي سرعتي معادل ۳۳۲ متر بر ثانيه يا ۱,۱۹۵ كيلومتر بر ساعت مي باشد كه اين سرعت، با افزايش ارتفاع و كاهش فشار و تراكم هوا، كاهش يافته و در ارتفاعات بالاتر، صوت فواصل را با سرعت كمتري مي پيمايد.

اين مسئله بدين صورت است كه صوت همانطور كه مي دانيم، از طريق ضربات ملكول هاي هوا به يكديگر و انتقال انرژي آن ها فضا را طي مي كند و هرچه تعداد مولكول ها در يك حجم معين بيشتر باشند، انتقال انرژي زودتر صورت پذيرفته و صوت با سرعت بيشتري انتقال مي يابد؛ چنانكه سرعت صوت در مايعات بيشتر از هوا و در جامدات بسيار بيشتر از مايعات و هوا و معادل ۶۰۰۰ كيلومتر بر ساعت است. پس در نتيجه افزايش ارتفاع، تعداد ملكول ها در يك حجم معين كاهش يافته و صوت با سرعت كمتري فضا را مي پيمايد.
ديوار صوتي، شيئي فيزيكي و قابل روئيت نيست؛ بلكه، به دليل اينكه گذشتن از سرعت صوت نيازمند توان بسيار بالاي موتور و آيروديناميك بسيار خوب مي باشد، اين حد را يك مانع براي رسيدن به سرعت هاي بالاتر دانسته و از آن به نام ديوار صوتي ياد مي كنند.
عدد ماخ، در حقيقت همان نسبت سرعت شي پرنده يا همان هواپيما به سرعت صوت محيط است كه به احترام دانشمندي آلماني كه براي اولين بار چنين مقياسي را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ، كميتي متغير است و بسته به خصوصيات هوا مانند دما و فشار، تغيير كرده و كاهش يا افزايش مي يابد.

اما حال كه با عدد ماخ آشنا شديم، به مهمترين و اصلي ترين عامل ايجاد ديوار صوتي يعني همان «امواج ضربه اي يا Shockwaves» پرداخته و دليل ايجاد درگ و پساي زياد را در سرعت هاي نزديك سرعت صوت، بررسي خواهيم كرد.

امواج ضربه اي يا شاك ويو ها، در حقيقت همان عامل اصلي ايجاد ديوار صوتي هستند. امواج ضربه اي، تغييري ناگهاني در فشار و دماي يك لايه از هواست كه مي تواند به لايه هاي ديگر منتقل شده و به صورت يك موج فضا را بپيمايد.
براي درك بهتر مطلب، وقتي كه سنگي در آب انداخته مي شود، موج هاي در آب به وجود مي آيند كه به سمت خارج در حال حركتند. اين امواج، نتيجه افزايش سرعت يا اعمال نيرو به لايه اي از ملكول هاي آب است كه قادر به انتقال به لايه هاي ديگر نيز مي باشد، و امواج ضربه اي نيز، همان امواج درون آب هستند، با اين تفاوت كه آن ها در سيالي ديگر به جاي آب به نام هوا، تشكيل مي شوند.
در سرعت هاي نزديك سرعت صوت، فرضيه غير قابل تراكم بودن هوا رد شده و ضريب تراكم هوا به ۱۶% در مي رسد، كه مقداري غير قابل چشم پوشي است. در اين سرعت ها هواي جلوي بال يا لبه حمله به شدت متراكم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهي افزايش مي يابد، همين مسئله، يكي از عوامل ايجاد امواج ضربه اي است. هواپيما با حركت خود در هوا، نظم فشار هواي محيط را بر هم مي زند و همانند قايقي كه در آب در حال حركت است، امواجي از آن ساطع شده و به دليل اينكه اين امواج با سرعت صوت حركت مي كنند و هواپيما زير سرعت صوت در حال سير است، از آن دور مي شوند. اما كم كم، با نزديك شدن به سرعت هاي ترانسونيك و حدود سرعت صوت، اين امواج فرصت دور شدن از هواپيما را نداشته و در جلوي بال متراكم مي شوند. در مناطقي از بدنه هواپيما كه سطوح ناموزوني نسبت به جهت حركت هواپيما دارد، سرعت گذر هوا افزايش يافته و بر اساس اصل برنولي، با افزايش سرعت سيال، فشار آن كاهش مي يابد.
در چنين سرعت هايي، هواي اطراف اين سطوح به سرعت صوت مي رسد، گرچه هواپيما هنوز به سرعت صوت نرسيده باشد. در نتيجه رسيدن بعضي سطوح به سرعت صوت، امواج ضربه اي توليد شده و درگ يا پساي فراواني را قبل از رسيدن به سرعت صوت توليد مي كنند، كه همين مسئله گذر از ديوار صوتي را مشكل مي نمايد.
به سرعتي كه در آن حداقل يكي از سطوح هواپيما به سرعت صوت رسيده باشد،( گرچه اين پديده در مورد خود هواپيما صادق نباشد)، عدد ماخ بحراني يا Critical Mach Number مي گويند.
عدد ماخ بحراني را مي توان به سرعتي كه نمودار پسا در مقابل سرعت سير صعودي مي گيرد، نيز تعريف نمود. در اين سرعت، فرامين هواپيما كم كم شروع به درست جواب ندادن كرده و حالتي شبيه به كوبيدن بر روي بال توسط امواج ضربه اي به وجود مي آيد كه با گذر از ديوار صوتي، فرامين هواپيما به حالت طبيعي خود باز مي گردند.
بنابراين، در سرعتي كه هواپيما به عدد ماخ بحراني خويش مي رسد، پسا به دليل ايجاد امواج ضربه اي به طور قابل توجهي افزايش مي يابد، پس، بايد تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحراني هر چه بيشتر با بهبود ويژگي هاي آيروديناميكي افزايش يابد، چون اگر اين اتفاق در سرعت هاي پايين تر رخ دهد، هواپيما نيز بايد از سرعت پايين تري جدال با افزايش پسا را شروع كند.

حال ببينيم كه چرا با توليد امواج ضربه اي، پسا افزايش مي يابد.
قانوني در مبحث ديوار صوتي بيان مي كند كه هر جريان هوايي كه از يك موج ضربه اي بگذرد، موج ضربه اي انرژي كنتيكي يا جنشي سرعتي آن را گرفته و در خور تبديل به گرما و افزايش فشار مي كند، در نيتجه سرعت جريان هواي گذرنده از موج ضربه اي به ميزان قابل توجهي كاهش مي يابد. با كاهش سرعت جريان هوا در جلوي بال ها در سرعت هاي نزديك سرعت صوت، تلاش پيشرانه يا موتورهاي هواپيما بايد چند برابر شود تا اثر كاهش سرعت در اثر موج ضربه اي را خنثي نمايد. در صورتي كه عدد ماخ بحراني هواپيمايي پايين باشد، در سرعت هاي پايين بايد نيروي رانشي هواپيما چند برابر شود كه مصرف سوخت فوق العاده اي را براي گذر از ديوار صوتي به دنبال خواهد داشت؛ اما، در صورت بالا بودن عدد ماخ بحراني، هواپيما فقط مدت كوتاهي نيازمند قدرت و كشش بسيار زياد براي شكستن ديوار صوتي مي باشد.
با اعمال نيروي فراوان رانشي، سرانجام هواپيما بر مشكل پساي زياد فائق آمده و از ديوار صوتي مي گذرد. در نتيجه اين عمل، امواج توليد شده توسط هواپيما از آن جا مانده و پشت سر هواپيما حركت مي كنند. در اين حالت، وضعيت به حالت عادي بازگشته و پساي ايجاد شده به وضعيت نرمال باز مي گردد. بعضي از هواپيما ها از تمام نيروي پس سوزشان يا ۱۰۰% قدرت موتور براي گذر از ديوار صوتي و يا سرعت ۱,۱۹۵ كيلومتر بر ساعت استفاده مي كنند، در حالي كه در سرعت هاي بسيار بالاتر، تنها از ۳۰% قدرت موتور براي رانش به جلو بهره مي جويند. با دقت در اين مثال، مي توان به خوبي افزايش درگ و پسا و قدرت فروان لازم براي غلبه بر آن در سرعت هاي نزديك به سرعت صوت را درك و تجزيه و تحليل نمود.

امواج ضربه اي توسط هواپيما در سرعت صوت، بسيار قدرتمند مي باشند، چنانكه در صورت پرواز هواپيما نزديك به زمين و گذر آن از ديوار صوتي، امواج ضربه اي با منتهاي قدرت به اجسام زميني مانند شيشه هاي منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شكستن آن ها مي شود، يا حتي اگر شخصي در معرض امواج ضربه اي به طور مستقيم قرار گيرد، احتمال از دست دادن شنوايي و پاره شدن پرده گوش بسيار است. از امواج ضربه اي، در بمب ها و تسليحات ديگر نيز استفاده مي شود.

بمب ها با يك افزايش دما و فشار ناگهاني در لايه هايي از هوا، امواج ضربه اي به وجود آورده كه از طريق هوا انتقال يافته و باعث شكستن شيشه ها و تخريب ديوار ها نيز مي شود. اگر شخصي در فاصله اي نسبتاً نزديك در فضايي تهي از هوا و خلاء، حتي نزديك يك بمب ده تني ايستاده باشد، بر فرض منفجر كردن بمب، آسيبي به وي نخواهد رسيد، چون هوايي براي انتقال امواج ضربه اي وجود ندارد.
به دليل توليد امواج ضربه اي در سرعت هاي حدود سرعت صوت، خلبانان سعي مي كنند فقط مدت كوتاهي در چنين سرعت هايي ترانسونيك پرواز كرده و به زودي از ديوار صوتي گذر كنند، چون پرواز در اين سرعت ها نيروي بسيار زياد موتور در نيتجه افزايش فوق العاده ميزان مصرف سوخت را در پي دارد.

اما حال ببينيم صدايي انفجار مانند كه در هنگام شكستن ديوار صوتي توليد مي شود نتيجه چيست. امواج حاصله از حركت هواپيما يا صداي توليد شده در اثر حركت، هر بار در سرعت هاي زير سرعت صوت از هواپيما دور شده و به گوش شنونده مي رسد. اما با رسيدن هواپيما به سرعت صوت، اين صداها ديگر فرصت دور شدن از هواپيما را نداشته و كلاً در جلوي هواپيما جمع مي شوند.
با گذر از سرعت صوت، صدايي چند ده برابر شده از حركت هواپيما با هم به گوش شنونده مي رسد كه مانند يك انفجار شديد يا صداي رعد و برقي بسيار قدرتمند مي باشد. شايد در تصاوير هواپيماهاي در حال گذر از ديوار صوتي، هاله اي سفيد رنگ را در اطراف هواپيما مشاهده كرده باشيد. در هنگام گذر از ديوار صوتي، اگر هواپيما نزديك به زمين و در محيطي مرطوب با درصد بخار آب زياد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه اي فشرده شده و ابر سفيدي را براي چند ثانيه پديد مي آورند كه همان هاله سفيد رنگ قابل روئيت در تصاوير است. اما از امواج ضربه اي در موتورهاي جت نيز استفاده مي شود. بدين گونه كه، هوا ورودي در موتورهاي جت، حتي اگر هواپيما با سرعت هاي بالاي صوت پروزا نمايد، بايد زير سرعت صوت باشد تا قابليت احتراق را در موتور داشته باشد.
بنابراين، اكثراً در ورودي موتورهاي هواپيماهاي جنگنده مخروطي را به شكل كامل يا نصف مانند هواپيماهاي ميگ ۲۱ يا اف ۱۰۴ ستارفايتر مي بينيم، كه فلسفه ايجاد اين مخروط توليد عمدي امواج ضربه اي است.
در صورت توليد امواج ضربه اي، هواي عبوري از ميان آن با سرعت كاهش يافته يا زير صوت وارد موتور مي شود و فرآيند احتراق به طور كامل انجام مي پذيرد. براي انجام پرواز هاي مافوق صوت، اغلب هواپيماهاي جنگنده از مقطع بال هاي ويژه اي كه عدد ماخ بحراني را به حداكثر مي رسانند، استفاده مي نمايند و مقطع بال ها معمولاً بسيار نازك و متقارن مي باشد. به عقب برگشتگي بال هاي هواپيماهاي مدرن نيز در نتيجه تلاش براي افزايش عدد ماخ بحراني بوده چرا كه آزمايش هاي تونل باد نشان داده كه با به عقب برگشتگي بال ها به ميزان چند درجه عدد ماخ بحراني به ميزان قابل توجهي افزايش مي يابد، تا جايي كه هواپيماهاي مسافربري سريع السير مانند بوئينگ ۷۴۷ كه در حدود سرعت صوت يا حدود ۹۸۰ كيلومتر بر ساعت پرواز مي كنند، نيز به بال هايي به عقب برگشته مجهزند. در برخي از هواپيماها، مانند هواپيماي اف ۱۴ تامكت، از سيستم بال هاي متغير استفاده شده كه در اين سيستم، در سرعت هاي پايين كه از عدد ماخ بحراني خبري نيست بال ها گسترده مي شوند و براي فراواني توليد مي كنند، ولي رفته رفته با نزديك شدن به سرعت صوت، كامپيوتر موجود در اين سيستم خود زاويه لازم براي افزايش عدد ماخ بحراني را محاسبه كرده و بال را متناسب با زوايه آن تغيير داده و به عقب بر مي گرداند. اين سيستم به دليل هزينه هاي بالا و سنگيني بيش از حد آن، داراي استفاده محدودي مي باشد. هواپيماها كلاً از نظر سرعت نسبت به سرعت صوت به چند دسته زير تقسيم مي شوند:
▪ هواپيماهاي زير سرعت صوت يا مادون صوت با محدوده سرعت ۳۵۰ تا ۹۵۰ كيلومتر بر ساعت، Subsonic
▪ هواپيماهاي حدود سرعت صوت با محدوده سرعت ۹۵۰ تا ۱۲۰۰ كيلومتر 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 ۱ ماخ تا ۵ ماخ، Supersonic
▪ هواپيماهاي با سرعت بسيار بيشتر از سرعت صوت با محدوده سرعت ۵ ماخ و بالاتر، Hypersonic
لازم به ذكر است، اولين بار، خلباني آزمايشي آمريكايي به نام چاك ييگر، با انجام اصلاحاتي بر روي يك بمب افكن قديمي آن را به چهار موتور موشكي مجهز كرده و بر فراز بياياني در آمريكا، پس از جدا شدن از هواپيماي مادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانيه پرواز هواپيماي پرتقالي رنگ ملقب به X-۱ به صورت گلايد، خلبان چهار موتور موشكي خود را روشن كرده و پس از چند لحظه صدايي رعد آسا در آسمان شنيده شد كه همان نتيجه شكستن ديوار صوتي براي اولين بار در جهان بود. در اين آزمايش، اين هواپيما به سرعت ۱۶/۱ ماخ دست يافت، و با ورود به عصر جت، روياي شكستن ديوار صوتي و پا گذاشتن به سرعت صوت نيز به واقعيتي بسيار قابل لمس مبدل گشت.