واضح ترین مشکل هواپیماهای پنهانکار چیست؟ «پَسدَمه» و تاریخچه تلاش برای حذف آن

سال گذشته بود که تصویر متفاوتی از یک هواپیما در آسمان همه را حیرت زده کرد. این هواپیما با بال هایی شبیه خفاش که شباهتی به هیچ یک از هواپیماهای نظامی ایالات متحده نداشت، در آسمانی آبی به وضوح خودنمایی می کرد. اجماع در میان رسانه های دفاعی بر این بود که این هواپیما به احتمال فراوان یک پهپاد پنهانکار سری RQ-180  است که برای عملیات های جاسوسی روی حریم های هوایی حساس مانند خاورمیانه و مناطق نزدیک به چین استفاده می شود. این دومین مورد از سه تصویر مشابهی بود که در سال های گذشته پدیدار شده است.

همه این سه پرنده نظامی با یک ویژگی غیرپنهانکاری مشابه شناسایی شدند و آن پَسدَمه (contrail دنباله بخار آب فشرده ای که هواپیماها در هنگام پرواز، پشت سر خود ایجاد می کنند)ای بود که این هواپیماها از خود به جای می گذاشتند. این دنباله شبه ابری از بخار آب که پسدمه نامیده می شود توسط هواپیماها در ارتفاعات بالا ایجاد شده و باعث می شوند که این هواپیماهای مرموز شبیه یک تیر سفید و طولانی به نظر برسند که نظر همه را به خود جلب می کنند. اسکات لو، عکاسی که یک عکس نادر از هواپیمای جاسوسی آمریکایی U-2 بعد از دیدن پسدمه آن گرفته بود در این باره می گوید: «شبیه پنهانکاری معادل بیرون آمدن از دستشویی در حالی است که دستمال توالت به پشت کفش شما چسبیده و بیرون می آید».

تکنولوژی پنهانکاری به مقدار قابل توجهی ردپای راداری و مادون قرمز هواپیماها را کاهش داده که مانع از شناسایی شدن حضور آن ها توسط سیستم های دفاع هوایی می شود. در گذشته، هواپیماها اغلب در فاصله های طولانی توسط سیستم های راداری شناسایی می شدند. مهندسان نظامی، همچنین، انواعی از تکنیک ها را برای حذف کامل پسدمه ها توسعه داده اند. پس چرا برخی از این هواپیماهای ظاهراً «پنهانکار» هنوز هم این پسدمه ها را پشت سر خود دارند؟

برای شیرجه زدن به دنیای هنرهای تاریک هوانوردی، از دود و آینه ها، اسید و لیزرها آماده باشید.

از فلز و آینه

پسدمه ها یا همان دنباله های گاز مایع به همان دلیلی که نفسمان یا دود خارج شده از اگزوز ماشین ها در هوای سرد دیده می شوند، قابل شناسایی هستند. هوای گرم مملو از رطوبت با هوای خشک و سرد ترکیب شده و باعث چگالش یا تبدیل شدن گاز به مایع یا ژاله زایی (condensation) می شود. در مورد پسدمه، این چگالش در قالب کریستال های ریز یخ صورت می گیرد که دور ذرات ریز، عموماً دود، در اگزوز موتور شکل می گیرند.

پسدمه ها اولین بار در طول جنگ جهانی اول دردسرساز شدند، زمانی که آرایش گروهی بمب افکن های نیروی هوایی ایالات متحده باعث شکل گیری ابر بزرگ و وسیعی از پسدمه در آسمان شد. جنگنده های آلمانی می توانستند این ابر پسدمه را از کیلومترها دورتر ببینند، مدت ها قبل از اینکه خود هواپیماها قابل مشاهد باشند و خیلی زود برای رهگیری آن ها دست به کار می شدند. مهندسان نظامی نوعی «پوشال» که از نوارهای کوچک فلزی ساخته شده بود برای ایجاد ابرهای انعکاسی پشت سر هواپیماها ساختند. این تکنیک به هواپیماهای آلمانی کمک کرد تا رادارهای آلمانی را کور کنند اما پسدمه ها هنوز هم قابل مشاهده بودند.

بدین ترتیب حمله هوایی در طول شب به گزینه ارجح تبدیل شد. بعد از جنگ جهانی دوم، جت ها جایگزین موتورهای پیستونی شدند و شوربختانه، این موتورهای جدید حتی پسدمه های بزرگ تر و واضح تری به جای می گذاشتند. خلبانان به زودی دریافتند که پسدمه ها را می توان با کمی تغییر در ارتفاع پروازی از بین برد، اگر چه علم پشت آن تا دهه ۱۹۵۰ به طور کامل درک نشده بود. آدام دورانت، مدیرعامل کمپانی SATAVIA که نرم افزارهای پیش بینی و مدل سازی پسدمه تولید می کند در این باره می گوید: «در تئوری همیشه هوای خشک تری در چند هزار پا بالاتر از شما وجود دارد». بدین ترتیب، عموماً پیدا کردن ارتفاعی که در آن پسدمه شکل می گیرد ساده است.

مشکل این بود که خلبانان گاهی اوقات نمی دیدند که در حال تولید پسدمه هستند تا زمانی که دیگر خیلی دیر شده بود و این موضوع از دید محدود نسبت به پشت سرشان ناشی می شد. این موضوع برای خلبانان هواپیماهای جاسوسی U-2 متعلق به سازمان سیا که روی قلمرو اتحاد جماهیر شوروی پرواز می کردند موضوع مرگ و زندگی بود. این خلبانان خیلی زود یک راه حل ساده پیدا کردند: نصب کردن یک آینه برای نمای عقب، بیرون کابین خلبان که منظره ای از پشت هواپیما را به آن ها نشان می داد. تست ها به کمک یک هواپیمای U-2 که به طور ویژه برای تست انواعی از تکنولوژی های پنهانکار شامل یک تکنولوژی اولیه رنگ جاذب رادار به نام «مخمل سیاه» و یک آینه دید عقب انجام شد.

جزییات پروژه سال ۱۹۵۸ تنها در سال ۲۰۰۳ منتشر شدند هر چند بیشتر یک خلاصه بود تا تمامی جزییات آن اما واضح بود که لاکهید و نیروی هوایی ایالات متحده به عنوان سازندگان هواپیمای U-2 در طراحی این تکنولوژی ها نقش داشتند. تست ها نشان داد که خلبان می تواند پسدمه را ببیند وقتی که کمتر از یک مایل طول داشته باشد. همچنین این امید وجود داشت که چنین تکنولوژی ساده ای برای پیدا کردن جنگنده هایی که برای رهگیری بلند شده بودند نیز کارآمد باشد. ویدیو نمای عقب بیرونی نیز به تجهیزاتی استاندارد تبدیل شده و روی بسیاری از نسخه های بعدی هواپیمای U-2 نصب گردید.

صفحه دودی سولفوری

در این اثنا، مهندسان نیروی هوایی ایالات متحده به دنبال راه حلی بودند که نیازی به تغییر مسیر پرواز هواپیما نداشته باشد. آن ها روی ذراتی در اگزوز تمرکز کردند که قطرات آب حول آن ها شکل می گرفت. دکتر مارک استتلر، کارشناس انتشارات و آلاینده های صنعت حمل و نقل در کالج لندن می گوید: «تعداد کریستال های یخی به مقدار زیادی به تعداد ذرات دود بستگی دارد». محققان دریافتند که یکی از عاملان اصلی تری اکسید سولفور است که از سوختن سولفور موجود در سوخت به وجود می آید و به همین خاطر تلاش کردند تا ترکیبات سوختی با سولفور پایین را تست کنند.

در نهایت، این تکنیک تاثیر کافی در کاهش پسدمه نداشته اما تحقیقات در مورد آن سال ها ادامه یافت. همچنین این تحقیقات فاش کرد که شاید راه دیگری برای رفع مشکل پسدمه با تغییر سوخت وجود داشته باشد. به جای جلوگیری از شکل گیری پسدمه با کاهش سولفور، آن ها مقدار سولفور را افزایش دادند تا ذرات بیشتری در اگزوز شکل بگیرد. ایده آن ها این بود که این روش به تغییر سایز قطرات مایع در پسدمه منجر شده که آن را نامرئی می سازد.

بر اساس مطالعه ای که در سال ۱۹۶۲ توسط نیروی هوایی ایالات متحده صورت گرفت، اگر سایز ذرات را به کمتر از نیم میکرون کاهش داد، پسدمه به جای یک دنباله سفید، بیشتر شبیه یک غبار آبی رنگ به نظر خواهد رسید که از هر فاصله ای تقریباً نامرئی خواهد بود زیرا کنتراستی با فضای اطرافش (آسمان آبی رنگ) نخواهد داشت. محققان در ادامه دی اکسید سولفور را به طور مستقیم به درون ورودی هوای موتور وارد کردند اما این کار نیز کافی نبود و حتی افزایش قابل توجه میزان سولفور نیز نتوانست اثر مورد نظر را داشته باشد. افزایش قابل توجه سولفور تنها به کاهش بسیار کمی در شکل گیری پسدمه شد و می توانست عواقب ناخواسته ای نیز در پی داشته باشد.

تزریقات اسیدی موثر اما آسیب زا

در سال ۱۹۶۱، نیروی هوایی ایالات متحده به ایده ای حیرت انگیز دست یافت. تصاویر یک نمایش با چهار بمب افکن چهار موتوره B-47 Stratojet نشان داد که موتورهای یک طرف مانند حالت معمول پسدمه داشته اما در طرف دیگر هیچ چیز قابل مشاهده نیست. بمب افکن مورد نظر به یک سیستم جدید مجهز شده بود که اسید کلوروسولفونیک را به درون اگزوز تزریق می کرد. این دستاورد چیزی بود که آزمایشات با سولفور در رسیدن به آن شکست خورده بود: تولید پسدمه ای با ذرات بسیار ریزی که بسیار کوچک تر از آن بودند که دیده شوند.

این تکنیک بسیار کارآمد و موثر بود اما اضافه کردن تجهیزات سرکوب پسدمه، یک وزن ۴۰۰ پوندی (حدود ۱۸۱ کیلوگرم) را به بمب افکن اضافه می کرد که باعث کاهش قدرت باربری آن می شد. علاوه بر این، هواپیما به یک محموله از مواد شیمیایی سرکوب کننده پسدمه مساوی با دو درصد کل سوخت نیاز پیدا می کرد که ۲,۰۰۰ پوند (بیش از ۹۰۷ کیلوگرم) وزن دیگر به وزن هواپیما اضافه می کرد.

در حالی که هیچ ردی از استفاده از این تکنولوژی روی بمب افکن های آمریکایی وجود ندارد، این سیستم غیرسازنده روی پهپادهای Ryan Firebee که در عملیات های شناسایی روی ویتنام و چین به کار گرفته می شدند نصب شد. این پهپادهای با موتور جت کوچک و سریع معمولاً دیده نمی شدند اما گاهی اوقات به خاطر پسدمه ای که تولید می کردند، موقعیت شان فاش می شد.

سیستم تزریق اسید در نامرئی کردن پهپادها موفقیت آمیز بود اما به دلایل دیگر چندان مورد استفاده گسترده قرار نگرفت. اسید کلوروسولفونیک به شدت خورنده بوده و به موتورها آسیب می رساند و عمر پرواز آن ها را کاهش می دهد. همچنین این اسید به شدت سمی بوده و برای خدمه روی زمین خطرناک است.

شناسایی پسدمه ها با لیزر

وقتی در اواخر دهه ۱۹۸۰ بمب افکن B-2 Spirit توسعه یافت، در ابتدا به یک سیستم تزریق اسید کلروسولفونیک شبیه آن چه در پهپادهای Firebee به کار رفت مجهز شده بود اما به دلایلی که هرگز اعلام نشد، هرگز از این سیستم استفاده نگردید. شاید انگیزه از این عدم استفاده مسائل محیط زیستی بوده باشد زیرا به شکل روزافزونی، آگاهی در مورد اسپری کردن مخفیانه مواد شیمیایی به شدت سمی از هواپیماها می تواند باعث نارضایتی و انتقاد شود بیشتر شده بود. این موضوع حتی پیش از ظهور تئوری های توطئه «دنباله های شیمیایی» در دهه ۱۹۹۰ بود که بر اساس آن ها ایالات متحده به اسپری کردن مواد شیمیایی مرموز از هواپیماها متهم گردید که پسدمه هایی با دوام طولانی تولید می کردند. هیچ مدرکی وجود ندارد که این تئوری با تحقیقات واقعی در مورد پسدمه در ارتباط باشد، تحقیقاتی که هدف اصلی آن جلوگیری از شکل گیری چنین پسدمه هایی بود.

در سال ۱۹۸۹و در جریان رونمایی از بمب افکن B-2، ادوارد آلدریج، فرمانده وقت نیروی هوایی ایالات متحده از پیدا کردن یک راه حل جایگزین گفت اما به طور دقیق آن را فاش نکرد و تنها گفت: «مشکل پسدمه حل شده است اما به شما نخواهم گفت چطور». گمانه زنی عمده این بود که این راه حل یا یک ماده افزودنی جدید به سوخت بوده یا سیستمی از تیغه ها برای ترکیب هوای سرد با دود اگزوز.

تنها چند سال بعد بود که مشخص شد این راه حل سیستم هشدار خلبان یا PAS بوده است. PAS که توسط کمپانی ساخت سنسور Ophir توسعه یافته بود، از نوعی سیگنال نوری مخصوص مسافت یابی و ردیابی (lidar) بود: این سیستم اشعه ای لیزری را به سمت درون اگزوز جت شلیک می کرد و میزان نور متساعد شده از ذرات یخ را اندازه گیری می کرد. این تکنیک به سرعت می توانست هنگام شکل گیری پسدمه به خلبان اخبار دهد تا ارتفاع را پیش از قابل مشاهده شده پسدمه و خود هواپیما، تغییر دهد. سیستم PAS بدون شک بسیار پیشرفته تر، بهتر و کارآمدتر از آینه دید عقب هواپیماهای جاسوسی U-2 بود اما چیزی که برنامه ریزان نیروی هوایی ایالات متحده به دنبال آن بودند، توانایی پرواز بدون ذره ای خطر شکل گیری پسدمه بود.

تغییر ارتفاع موثر بود زیرا پسدمه ها تنها در شرایط خاصی از دما و رطوبت شکل می گیرند. ارنست اشمیت، محقق آلمانی، اولین گام ها به سمت درک علمی فرآیند شکل گیری پسدمه را در سال ۱۹۴۱ آغاز کرد و در سال ۱۹۵۳ بود که هربرت اپلمن آمریکایی یک فرمول دقیق برای شکل گیری پسدمه توسعه داد. این فرمول که با نام مقیاس Schmidt-Appleman شناخته می شود می تواند به شکل یک گراف شفاف از دما و رطوبت به تصویر کشیده شود: به منظور جلوگیری از شکل گیری پسدمه، تنها از نقاطی که در مرکز گراف مشخص شده اند دوری کنید.

مهندسان نیروی هوایی، از مقیاس مذکور برای توسعه مدل های نرم افزاری دائماً پیچیده تر به منظور پیش بینی اینکه پسدمه ها کجا شکل می گیرند استفاده کرده اند. در سال ۱۹۹۸، نیروی هوایی ایالات متحده نتیجه گیری کرد که سیستم نرم افزاری JETRAX می تواند با ۸۴ درصد دقت و اطمینان، امکان شکل گیری پسدمه در یک مسیر پروازی را پیش بینی کند. بدین ترتیب برنامه ریزان می توانستند یک مسیر پرواز پنهانکار رابرای جلوگیری از شکل گیری چنین ردهایی در هوا ترسیم کنند. در حالی که نرم افزار پیش بینی پسدمه ارتش ایالات متحده همواره سری باقی مانده است، در بخش تجاری نیز توسعه های مداومی در این زمینه رخ داده و دلیل آن تغییرات آب و هوایی بوده است.

یک دلیل سبزتر برای جلوگیری از شکل گیری پسدمه ها

در حالی که برخی از پسدمه ها به سرعت از بین می روند، برخی دیگر پراکنده شده و ابرهای پیچکی شکل در ارتفاع بالا را شکل می دهند که اثر گرمایی قابل توجهی دارند. در واقع، اثر گرمایی این پسدمه ها بسیار بیشتر از اثر گرمازایی دی اکسید کربن ناشی از سوخت هواپیماهاست. از بین بردن پسدمه های اینچنینی باعث می شود که صنعت حمل و نقل هوایی آسیب کمتری به سیاره بزند. پسدمه ها ۵۹ درصد از تاثیرات آب و هوایی ناشی از حمل و نقل هوایی را به خود اختصاص می دهند که معادل ۱.۸ میلیارد تن دی اکسید کربن در سال است در حالی که تنها ۵ درصد از پروازها عامل اصلی چنین آلودگی هستند. اکنون، بعد از تست یک نرم افزار در خطوط هوایی Etihad، قرار است از آن در دیگر خطوط هوایی نیز استفاده شود.

تکنولوژی پنهانکاری هنوز در حالت سری و مخفی

همچنین ممکن است توسعه های دیگری در این حوزه در حال انجام باشد که عموی نشده اند. یک پتنت متعلق به سال ۲۰۱۴ متعلق به کمپانی رولز رویس به سنسورهایی ارتباط دارد که شبیه سنسورهای PALS برای سیستم کنترل موتور است. این پتنتمدعی است که با تغییر کارآیی موتور، می تواند دود خروجی از اگزوز را به منظور جلوگیری از شکل گیری پسدمه تغییر داد. رولز رویز از ارائه توضیحات بیشتر در این مورد و موارد مشابه خودداری کرده است، از جمله طرح عجیب پاک کردن کامل دود اگزوز به کمک امواج مایکروویو به منظور جلوگیری از شکل گیری کریستال های یخ.

در کل، موتورهای کارآمدتر کمی میزان شکل گیری پسدمه را افزایش می دهند زیرا هوای موجود در دود اگزوز باعث می شود که دمای موتور پایین بماند. از این رو، کاهش شکل گیری پسدمه می تواند تنها از طریق کاهش کارآیی و راندمان موتورها بدست آید که به احتمال قریب به یقین به قیمت افزایش احتراق سوخت بدست خواهد آمد. انواع جدید محفظه های احتراق موتورها نیز مقدار دود خروجی از اگزوز را به مقدار قابل توجهی کاهش می دهند و این کار را با اطمینان از سوختتن کامل سوخت پیش از رسیدن به اگزوز انجام می دهند.

با این وجود، هواپیماهای جاسوسی هنوز هم در جاهایی که نمی خواهند نامرئی بمانند از خود پسدمه به جای می گذارند، اما U-2 بدون پسدمه و شرایط نوری بی نقص، کاملاً نامرئی است. اما در مورد RQ-180 شاید بپرسید که چرا باید یک هواپیمای فوق سری از خود پسدمه هایی قابل مشاهده به جای بگذارد، آن هم نه یک بار بلکه سه بار و آن هم در روز روشن و در منطقه ای پرجمعیت. یک بار شاید تصادفی باشد و دومی شاید ناکامی در یادگیری اما بار سوم می تواند نشانه عمدی بودن باشد. در هر صورت مسئله اصلی این است که ما این پسدمه ها را دیده ایم که ما را به سمت هواپیما رهنمون می سازند و این همان چیزی است که سازندگان این هواپیما می خواستند هر چند نمی دانیم چرا!