شکستن دیوار صوتی به چه معناست؟ علم پرواز بالاتر از سرعت صوت و انواع چهارگانه آن

در حالی کمتر کسی شانس سفر با سرعت صوت را پیدا می کند، اما پرواز فراصوت یک هدف پرواز جذاب و یک شاهکار تکنولوژیکی چشمگیر است. اگر چه افراد زیادی در هواپیماهای با سرعت بالا پرواز کرده اند، اما پرواز فراصوت تقریباً به طور انحصاری برای خلبانان جنگنده در جت های فراصوت با سرعت های بسیار بیشتر از ماخ ۱ در نظر گرفته شده است. با این حال، همیشه چنین نبوده و هواپیماهای تجاری که می توانند دیوار صوتی را بشکنند، در گذشته نه چندان دور وجود داشته و مسافران را جابجا کرده اند

اما شکستن دیوار صوتی و حرکت سریع تر از سرعت صوت به چه چیزهایی نیاز دارد؟ این فرآیندی است که شامل چالش های منحصر به فرد و مفاهیم علمی است که صرفاً بخشی از تجربه پروازی نیست که بیشتر مردم با آن آشنا هستند. محقق کردن بی نقص پرواز فراصوت یک فرآیند پر زحمت بود و تاریخچه ای طولانی در پس آن وجود دارد که بیش از نیم قرن پیش آغاز شد، جایی که اولین هواپیما توانست از سرعت ماخ ۱ عبور کند.

در این مطلب قصد داریم به بررسی این موضوع بپردازیم که پرواز فراصوت یا پرواز با سرعت بیشتر از سرعت صوت به چه معناست و چگونه امکان پذیر می شود.

سرعت فراصوت چیست؟

شاید مهم ترین سوال هنگام بحث در مورد پرواز فراصوت، درک معنای دقیق این اصطلاح باشد. اساساً پرواز فراصوت به معنای هر نوع پروازی است که در آن هواپیما سریع تر از سرعت 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 اغلب با نام ماخ ۱ شناخته می شود و به عنوان سرعتی که امواج صوتی در هوا حرکت می کنند، محاسبه می شود. بنابراین هواپیمایی که قادر به حرکت در ماخ ۱ است باید همزمان با یک موج صوتی یا هر نوع ارتعاش دیگری به مقصد خود برسد، بعد از اینکه از نقطه ای مشترک با این موج صوتی حرکت کند.

با این حال، هیچ سرعت مشخص و معینی برای صدا وجود ندارد. همانند سرعت صوت، حداکثر شتاب امواج صوتی به عوامل خارجی مختلفی از جمله دما و فشار هوا بستگی دارد. در سطح دریا با دمای ۱۵ درجه سانتی گراد، سرعت صوت حدود ۱,۲۱۶ کیلومتر در ساعت است. با این حال، این سرعت می تواند به طور قابل توجهی نوسان داشته باشد، زیرا سرعت صوت هر چه بالاتر می رویم در نتیجه افت دما، کاهش می یابد. این موضوع 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 دلیل، ماخ ۱ به عنوان یک نسبت محاسبه می شود تا با توجه به شرایطی که هواپیما با آن ها مواجه است، تغییر کند.

تفاوت با پرواز مافوق صوت

به طور کلی، چهار طبقه بندی مختلف برای پروازها از نظر سرعت وجود دارد. این دسته بندی ها به طور کلی برای تعیین نوع پرواز، بسته به سرعت حرکت هواپیما مورد استفاده قرار می گیرند. سرعت مادون صوت یا ساب سونیک (Subsonic) به هر هواپیمایی اشاره دارد که آهسته تر از سرعت ماخ ۱ حرکت می کند، به این معنی که سرعت آن پایین تر از سرعت صوت است. تراصوتی یا Transonic هواپیماهایی را توصیف می کند که با سرعت صوت حرکت می کنند، معمولاً 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 بسیار سریع تری از پرواز است که در آن یک هواپیما با سرعتی بیشتر 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 سرعت ماخ ۵ یا بیشتر حرکت کنند، در معرض شرایط کاملًا متفاوتی نسبت به دیگر هواپیماها قرار می گیرند، زیرا مقدار زیادی گرما را تجربه می کنند. به گفته موزه ملی هوا و فضای ایالات متحده، حجم عظیم اصطکاکی که هواپیماها در حین پرواز مافوق صوت، همزمان با عبور هوا از روی بدنه آن ها تجربه می کند، چالش اصلی در طراحی یک وسیله نقلیه کاربردی است.

وقتی چیزی سرعت صوت را می شکند چه اتفاقی می افتد؟

رسیدن و عبور از سرعت صوت تاثیرات قابل توجهی دارد. اندازه یا شکل شیء اهمیتی ندارد؛ زمانی که چیزی از دیوار صوتی عبور می کند، یک غرش صوتی (sonic boom) ایجاد خواهد کرد. این موج شوک مانند یک انفجار یا صدای رعد و برق به نظر می رسد و به اندازه ای قوی است که باعث آسیب ساختاری به ساختمان های مجاور می شود و در اوج خود به ۱۱۰ دسی بل می رسد. غرش های صوتی به این دلیل ایجاد می شوند که شیء سریع تر از امواج صوتی که تولید می کند حرکت می کند.

هنگامی که هواپیمای فراصوت در هوا حرکت می کند، امواج صوتی از آن ساطع می شوند و در تمام جهات پراکنده می شوند. در حین شتاب گیری، امواج صوتی ساطع شده از جلوی هواپیما شروع به فشرده شدن با یکدیگر می کنند و در نهایت به دلیل این فشار به یک موج شوک بزرگ تبدیل می شوند. با این حال، غرش صوتی یک انتشار 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 اینکه در نهایت مانع صوتی را می شکند و باعث صدای بلندی شبیه ترک خوردن می شود. اساساً، صدای تند شلاق در واقع یک غرش صوتی کوچک است زیرا بخشی از شلاق سریع تر از سرعت صوت حرکت می کند.

فیزیک پرواز

قبل از درک دقیق چگونگی ممکن بودن پرواز فراصوت، بسیار کمک کننده خواهد بود که بفهمیم پرواز مادون صوت یا ساب سونیک نرمال چگونه صورت می گیرد. فیزیک پرواز شامل چهار نیرویی است که به شکل لیفت، وزن، رانش و کشیده شدن به هواپیما وارد می شوند. وزن نتیجه گرانش است و کشیده شدن محصول اصطکاک هوا در حین حرکت هواپیما در هوا است. برای غلبه بر این دو نیرو، هواپیما باید نیروی رانش و بلند شدن کافی برای برخاستن از زمین و باقی ماندن در هوا را تولید کند.

موتورهای هواپیما نیروی پیشران را تامین می کنند. این اجزا سوخت را سوزانده و توربین های می چرخانند، که باعث می شود هوا به سمت بیرون فشار داده شده تا هواپیما را به جلو پیش ببرند، در حالی که در سرعت های بالا نیاز به نیروی پیشرانه بیشتری است زیرا اصطکاک در تناسب با شتای هوایی که روی سازه در جریان است، افزایش می یابد. در عین حال، شکل بال ها هوا را مجبور می کند تا به شیوه ای خاص هم در زیر و هم در بالای آن ها جریان یابد. این کار یک اختلاف فشار روی بال ها ایجاد می کند و به طور موثر هواپیما را مجبور به حرکت به سمت بالا می کند. زاویه حمله یک بال به هوای اطرافش می تواند بسته به نیاز هواپیما، لیفت کمتر و بیشتری ایجاد کند و به آن اجازه بالا رفتن یا حفظ ارتفاع در سرعت های مختلف را بدهد.

توقف در طول پرواز زمانی رخ می دهد که جریان هوا روی بال ها مختل شود. این اتفاق می تواند به این دلیل رخ دهد که هواپیما بسیار آهسته حرکت می کند یا زاویه حمله بال ها بسیار بالا است. در هر دو حالت، با آشفته شدن جریان هوا، بال ها دیگر نمی توانند قدرت لیفت کافی تولید کنند.

فیزیکی پرواز فراصوت

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

این سایش اضافی مشکلات متعددی ایجاد می کند و به این معنی است که هواپیماهای فراصوت باید طراحی های متفاوتی با هواپیماهای مسافربری معمولی داشته باشند. آن ها معمولا نازک و باریک خواهند بود که نحوه حرکت جت یا هواپیما در هوا را بهبود می بخشند و با کاهش میزان اصطکاک هوا، سایش را کاهش می دهند. به همین خاطر، هواپیماهای فراصوت اغلب به صورت اشکال مثلثی صیقلی ساخته می شوند.

آن ها همچنین باید بتوانند دماهای بالا را تحمل کنند زیرا اصطکاک هوا باعث می شود که بدنه هواپیما به طور قابل توجهی داغ شود. مواد استاندارد مورد استفاده در صنعت هوانوردی تجاری ممکن است قادر به مقابله با این نوسانات دمایی نباشند و نیاز به آلیاژهای قوی و بادوام تری وجود دارد. در نهایت، موتورها باید بسیار قدرتمندتر از موتورهای به کار رفته در هواپیماهای تجاری باشند تا نیروی پیشرانه لازم را فراهم کنند و بتوانند در ارتفاعات بالاترِ ضروری برای کمک به کاهش اصطکاک هوا پرواز کنند. با این حال، انتخاب طرح و قطعات نیز پرواز در سرعت های مادون صوت و فرا صوت را دشوارتر می کند.

تاریخچه پرواز فراصوت

پرواز فراصوت در دهه ۱۹۴۰ آغاز شد. تا حدودی بر اساس تحقیقات یک پروژه بریتانیایی برای ساخت هواپیمایی که بتواند دیوار صوتی را بشکند، کمپانی Bell Aircraft و سازمان های مختلف دولتی ایالات متحده برای ساخت هواپیمای Bell X-1 همکاری کردند. اساساً مهندسان این پروژه آن را به شکل یک گلوله مدل سازی کردند، زیرا می دانستند که این اشیاء می توانند به راحتی سد صوتی را بشکنند. پس 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 سرعت ماخ ۱.۰۶ انجام داد. این موفقیت نشان داد که نه تنها سفر هوایی با سرعتی بیش از سرعت صوت امکان پذیر است بلکه می توان آن را به صورت کنترل شده نیز انجام داد.

اگرچه هواپیماهای فراصوت از نقطه نظر فناوری قابل توجه هستند، اما نسبت به ابزارهای سنتی سفرهای هوایی، بیشتر در مقابل خطرات خاص، آسیب پذیر هستند. بزرگ ترین چالش، ساخت وسیله نقلیه ای است که به اندازه کافی برای پرواز سوپرسونیک قوی باشد. سفر سریع تر از سرعت صوت به دلیل نیروهای شدیدی که به آن وارد می شود و تغییرات ناگهانی در فشار مربوط به غرش های صوتی، فشار زیادی را بر ساختار هواپیما وارد می کند. اصطکاک هوا نیز یک خطر دیگر است، زیرا باعث تنش حرارتی می شود در شرایطی که اجزای بدنه داغ شده و به سرعت منبسط می شوند. ارتعاشات شدید در طول شتاب گرفتن و ترمز نیز رایج است که فشار مضاعفی به اجزا و فریم هواپیما وارد می کند.

خطرات پرواز فراصوت تنها به هواپیما محدود نمی شود. سرعت بالاتر به این معنی است که خلبانان زمان کمتری برای واکنش نشان دادن به مسائل یا عیب یابی مشکلات احتمالی دارند. اگر یک هواپیمای با سرعت فراصوت در نزدیکی مناطق پرجمعیت باشد و در همان حال با مشکل مواجه شود، این موضوع می تواند حوادث فاجعه بار را ویرانگرتر کند. غرش های صوتی نیز مخرب بوده و قادر به ایجاد آسیب ساختاری به ساختمان های روی زمین یا خرد کردن پنجره ها هستند. همچنین نگرانی هایی در مورد آسیب شنوایی احتمالی به کسانی که ممکن است غرش صوتی و آلودگی صوتی عمومی را تجربه کنند، وجود دارد.

خطر بزرگ دیگر در مورد هواپیماهای فراصوت این است که آن ها سوخت بسیار بیشتری نسبت به همتایان مادون صوت خود مصرف می کنند. برای غلبه بر اصطکاک افزایش یافته ناشی از حرکت در این سرعت های بالا، موتورها به قدرت بیشتر و سطح سوخت بالاتری نیاز دارند. این نوع هواپیماها همچنین معمولا سنگین تر هستند زیرا باید قوی تر باشند و در ارتفاعات بالاتر کار کنند – هر دو عاملی که بهره وری سوخت را کاهش می دهند. در نهایت، پرواز فراصوت آلایندگی سوختی بیشتری نسبت به دیگر اشکال پرواز ایجاد می کند.

آینده پرواز فراصوت

تنها هواپیمای مسافربری با توانایی پرواز فراصوت در بلند مدت در جهان، کنکورد بود که از سال ۱۹۷۶ تا ۲۰۰۳ توسط ایر فرانس و بریتیش ایرویز استفاده می شد. این هواپیما که عمدتاً برای پروازهای فرااقیانوسی و بین اروپا و آمریکا استفاده می شد، می توانست با سرعت کروز ماخ ۲ یا تقریبا ۲,۱۶۰ کیلومتر در ساعت حرکت کند. با این حال، کنکورد به دلایل متعددی 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 بسیار پرهزینه و گرانقیمت می کرد. مشکلات مربوط به غرش های صوتی نیز به این معنی بود که آن ها نمی توانستند در سرعت های فراصوت بر فراز مناطق پرجمعیت پرواز کنند بنابراین تنها می توانستند در مسیرهای پروازی خاص پرواز نمایند.

خطرات پرواز فراصوت و هزینه های مربوط به آن باعث شده است که کار با هواپیماهایی که می توانند سریع تر از سرعت صوت در یک ظرفیت تجاری حرکت کنند، دشوار باشد. با این حال، این موضوع شرکت ها را از بررسی امکان بازگرداندن هواپیماهای مسافربری فراصوت باز نداشته است. هر دو شرکت آمریکن ایرلاینز و یونایتد ایرلاینز سفارش هواپیماهای فراصوت را به شرکت Boom Supersonic داده اند. این احتمال وجود دارد که این هواپیماهای جدید تا سال ۲۰۲۹ عملیاتی شوند.

یک سازمان اروپایی به نام Destinus نیز یک پرواز با سوخت هیدروژنی را پیشنهاد کرده است که قادر به پرواز با سرعت ماخ ۵ خواهد بود. این شرکت در حال حاضر چندین پرواز آزمایشی را به پایان رسانده و امیدوار است در سال ۲۰۲۴ یک پرواز هیدروژنی فراصوت داشته باشد. نسخه های مفهومی دیگری از هواپیماهای فراصوت بالقوه نیز در حال توسعه است که می توانند زمان پرواز در سراسر جهان را به طور چشمگیری کاهش دهد.