دیوار صوتی چیست؟

[soheiiil 24,250]

در اعصار آغازین دوران هوانوردی ابتدایی، هواپیما ها بیشتر با سرعت های بسیار پایین نسبت به هواپیما های امروزی پرواز می كردند كه حتی به بیشتر از ۳۰۰ كیلومتر در ساعت نمی رسید؛ در حالی كه چنین سرعتی، سرعت مطلوب برای تیك آف یا برخاست یك هواپیمای جنگنده امروزی است و رسیدن به چنین سرعتی، ابداً مستلزم تلاش بسیار و فشار آوردن بیش از حد به موتور نمی باشد.

 

 

اما رفته رفته، سرعت هواپیما ها حتی با موتورهای پیستونی به گاه بالای ۶۵۰ كیلومتر بر ساعت رسیده و از آن زمان بود كه دانشمندان علوم آیرودینامیك دریافتند كه با افزایش سرعت، به تدریج میزان پسا افزایش پیدا كرده و در سرعت معینی، دیگر هواپیما قادر به سرعت گرفتن نبوده، گاه نیز استال می شوند.

 

 

در آن زمان، علت این موضوع بدین گونه بیان شد كه با افزایش سرعت، به تدریج سرعت گردش انتها یا نوك پره های پروانه ی موتور، به سرعت صوت نزدیك شده و سرانجام در حداكثر سرعت یك هواپیمای پیستونی كه حدود ۹۵۰ كیلومتر می باشد، سرعت انتهای پره ها از سرعت صوت گذشته و پسا یا درگ بسیاری ایجاد می شود كه خود مانع سرعت گرفتن بیشتر هواپیماست.

 

در چنین سرعت هایی، پروانه موتور هواپیماهای پیستونی، نه تنها تراست یا نیروی كشش تولید نمی كند، بلكه در اثر سرعت بسیار زیاد، تبدیل به یك دیسك یا دایره توپر چرخنده می شود كه جز ایجاد درگ و پسا، كار دیگری انجام نمی دهد.

 

آیرودینامیست های آن زمان این حد را یك محدوده سرعت یا همان دیوار صوتی در نظر گرفته و بسیاری از آنان نیز بر این عقیده بودند كه گذشتن از دیوار صوتی و پشت سر گذاشتن آن، كاریست غیر ممكن؛ اما با ورود به عصر جت و پیشرفت علم آیرودینامیك، همه ما شاهد هستیم كه این كار برای جنگنده های امروزی كاری بس سهل و آسان است.

 

 

حال، پس بررسی تاریخچه آن، بهتر است به اصل موضوع بپردازیم و نخست، ببینیم كه خصوصیات صوت و دیوار صوتی چیست و چرا گذر از آن نیازمند قدرت و كشش و توانایی زیادی است.

 

 

صوت، در شرایط عادی (دما، فشار و … معمولی) در سطح دریا دارای سرعتی معادل ۳۳۲ متر بر ثانیه یا ۱,۱۹۵ كیلومتر بر ساعت می باشد كه این سرعت، با افزایش ارتفاع و كاهش فشار و تراكم هوا، كاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر، صوت فواصل را با سرعت كمتری می پیماید.

 

 

این مسئله بدین صورت است كه صوت همانطور كه می دانیم، از طریق ضربات ملكول های هوا به یكدیگر و انتقال انرژی آن ها فضا را طی می كند و هرچه تعداد مولكول ها در یك حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورت پذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال می یابد؛ چنانكه سرعت صوت در مایعات بیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل ۶۰۰۰ كیلومتر بر ساعت است. پس در نتیجه افزایش ارتفاع، تعداد ملكول ها در یك حجم معین كاهش یافته و صوت با سرعت كمتری فضا را می پیماید.

 

دیوار صوتی، شیئی فیزیكی و قابل روئیت نیست؛ بلكه، به دلیل اینكه گذشتن از سرعت صوت نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیك بسیار خوب می باشد، این حد را یك مانع برای رسیدن به سرعت های بالاتر دانسته و از آن به نام دیوار صوتی یاد می كنند.

 

عدد ماخ، در حقیقت همان نسبت سرعت شی پرنده یا همان هواپیما به سرعت صوت محیط است كه به احترام دانشمندی آلمانی كه برای اولین بار چنین مقیاسی را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ، كمیتی متغیر است و بسته به خصوصیات هوا مانند دما و فشار، تغییر كرده و كاهش یا افزایش می یابد.

 

 

اما حال كه با عدد ماخ آشنا شدیم، به مهمترین و اصلی ترین عامل ایجاد دیوار صوتی یعنی همان «امواج ضربه ای یا Shockwaves» پرداخته و دلیل ایجاد درگ و پسای زیاد را در سرعت های نزدیك سرعت صوت، بررسی خواهیم كرد.

 

 

امواج ضربه ای یا شاك ویو ها، در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربه ای، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یك لایه از هواست كه می تواند به لایه های دیگر منتقل شده و به صورت یك موج فضا را بپیماید.

 

برای درك بهتر مطلب، وقتی كه سنگی در آب انداخته می شود، موج های در آب به وجود می آیند كه به سمت خارج در حال حركتند. این امواج، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه ای از ملكول های آب است كه قادر به انتقال به لایه های دیگر نیز می باشد، و امواج ضربه ای نیز، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت كه آن ها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا، تشكیل می شوند.

 

در سرعت های نزدیك سرعت صوت، فرضیه غیر قابل تراكم بودن هوا رد شده و ضریب تراكم هوا به ۱۶% در می رسد، كه مقداری غیر قابل چشم پوشی است. در این سرعت ها هوای جلوی بال یا لبه حمله به شدت متراكم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهی افزایش می یابد، همین مسئله، یكی از عوامل ایجاد امواج ضربه ای است. هواپیما با حركت خود در هوا، نظم فشار هوای محیط را بر هم می زند و همانند قایقی كه در آب در حال حركت است، امواجی از آن ساطع شده و به دلیل اینكه این امواج با سرعت صوت حركت می كنند و هواپیما زیر سرعت صوت در حال سیر است، از آن دور می شوند. اما كم كم، با نزدیك شدن به سرعت های ترانسونیك و حدود سرعت صوت، این امواج فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و در جلوی بال متراكم می شوند. در مناطقی از بدنه هواپیما كه سطوح ناموزونی نسبت به جهت حركت هواپیما دارد، سرعت گذر هوا افزایش یافته و بر اساس اصل برنولی، با افزایش سرعت سیال، فشار آن كاهش می یابد.

 

در چنین سرعت هایی، هوای اطراف این سطوح به سرعت صوت می رسد، گرچه هواپیما هنوز به سرعت صوت نرسیده باشد. در نتیجه رسیدن بعضی سطوح به سرعت صوت، امواج ضربه ای تولید شده و درگ یا پسای فراوانی را قبل از رسیدن به سرعت صوت تولید می كنند، كه همین مسئله گذر از دیوار صوتی را مشكل می نماید.

 

به سرعتی كه در آن حداقل یكی از سطوح هواپیما به سرعت صوت رسیده باشد،( گرچه این پدیده در مورد خود هواپیما صادق نباشد)، عدد ماخ بحرانی یا Critical Mach Number می گویند.

 

عدد ماخ بحرانی را می توان به سرعتی كه نمودار پسا در مقابل سرعت سیر صعودی می گیرد، نیز تعریف نمود. در این سرعت، فرامین هواپیما كم كم شروع به درست جواب ندادن كرده و حالتی شبیه به كوبیدن بر روی بال توسط امواج ضربه ای به وجود می آید كه با گذر از دیوار صوتی، فرامین هواپیما به حالت طبیعی خود باز می گردند.

 

بنابراین، در سرعتی كه هواپیما به عدد ماخ بحرانی خویش می رسد، پسا به دلیل ایجاد امواج ضربه ای به طور قابل توجهی افزایش می یابد، پس، باید تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحرانی هر چه بیشتر با بهبود ویژگی های آیرودینامیكی افزایش یابد، چون اگر این اتفاق در سرعت های پایین تر رخ دهد، هواپیما نیز باید از سرعت پایین تری جدال با افزایش پسا را شروع كند.

 

 

حال ببینیم كه چرا با تولید امواج ضربه ای، پسا افزایش می یابد.

 

قانونی در مبحث دیوار صوتی بیان می كند كه هر جریان هوایی كه از یك موج ضربه ای بگذرد، موج ضربه ای انرژی كنتیكی یا جنشی سرعتی آن را گرفته و در خور تبدیل به گرما و افزایش فشار می كند، در نیتجه سرعت جریان هوای گذرنده از موج ضربه ای به میزان قابل توجهی كاهش می یابد. با كاهش سرعت جریان هوا در جلوی بال ها در سرعت های نزدیك سرعت صوت، تلاش پیشرانه یا موتورهای هواپیما باید چند برابر شود تا اثر كاهش سرعت در اثر موج ضربه ای را خنثی نماید. در صورتی كه عدد ماخ بحرانی هواپیمایی پایین باشد، در سرعت های پایین باید نیروی رانشی هواپیما چند برابر شود كه مصرف سوخت فوق العاده ای را برای گذر از دیوار صوتی به دنبال خواهد داشت؛ اما، در صورت بالا بودن عدد ماخ بحرانی، هواپیما فقط مدت كوتاهی نیازمند قدرت و كشش بسیار زیاد برای شكستن دیوار صوتی می باشد.

 

با اعمال نیروی فراوان رانشی، سرانجام هواپیما بر مشكل پسای زیاد فائق آمده و از دیوار صوتی می گذرد. در نتیجه این عمل، امواج تولید شده توسط هواپیما از آن جا مانده و پشت سر هواپیما حركت می كنند. در این حالت، وضعیت به حالت عادی بازگشته و پسای ایجاد شده به وضعیت نرمال باز می گردد. بعضی از هواپیما ها از تمام نیروی پس سوزشان یا ۱۰۰% قدرت موتور برای گذر از دیوار صوتی و یا سرعت ۱,۱۹۵ كیلومتر بر ساعت استفاده می كنند، در حالی كه در سرعت های بسیار بالاتر، تنها از ۳۰% قدرت موتور برای رانش به جلو بهره می جویند. با دقت در این مثال، می توان به خوبی افزایش درگ و پسا و قدرت فروان لازم برای غلبه بر آن در سرعت های نزدیك به سرعت صوت را درك و تجزیه و تحلیل نمود.

 

 

امواج ضربه ای توسط هواپیما در سرعت صوت، بسیار قدرتمند می باشند، چنانكه در صورت پرواز هواپیما نزدیك به زمین و گذر آن از دیوار صوتی، امواج ضربه ای با منتهای قدرت به اجسام زمینی مانند شیشه های منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شكستن آن ها می شود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربه ای به طور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است. از امواج ضربه ای، در بمب ها و تسلیحات دیگر نیز استفاده می شود.

 

 

بمب ها با یك افزایش دما و فشار ناگهانی در لایه هایی از هوا، امواج ضربه ای به وجود آورده كه از طریق هوا انتقال یافته و باعث شكستن شیشه ها و تخریب دیوار ها نیز می شود. اگر شخصی در فاصله ای نسبتاً نزدیك در فضایی تهی از هوا و خلاء، حتی نزدیك یك بمب ده تنی ایستاده باشد، بر فرض منفجر كردن بمب، آسیبی به وی نخواهد رسید، چون هوایی برای انتقال امواج ضربه ای وجود ندارد.

 

به دلیل تولید امواج ضربه ای در سرعت های حدود سرعت صوت، خلبانان سعی می كنند فقط مدت كوتاهی در چنین سرعت هایی ترانسونیك پرواز كرده و به زودی از دیوار صوتی گذر كنند، چون پرواز در این سرعت ها نیروی بسیار زیاد موتور در نیتجه افزایش فوق العاده میزان مصرف سوخت را در پی دارد.

 

 

اما حال ببینیم صدایی انفجار مانند كه در هنگام شكستن دیوار صوتی تولید می شود نتیجه چیست. امواج حاصله از حركت هواپیما یا صدای تولید شده در اثر حركت، هر بار در سرعت های زیر سرعت صوت از هواپیما دور شده و به گوش شنونده می رسد. اما با رسیدن هواپیما به سرعت صوت، این صداها دیگر فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و كلاً در جلوی هواپیما جمع می شوند.

 

با گذر از سرعت صوت، صدایی چند ده برابر شده از حركت هواپیما با هم به گوش شنونده می رسد كه مانند یك انفجار شدید یا صدای رعد و برقی بسیار قدرتمند می باشد. شاید در تصاویر هواپیماهای در حال گذر از دیوار صوتی، هاله ای سفید رنگ را در اطراف هواپیما مشاهده كرده باشید. در هنگام گذر از دیوار صوتی، اگر هواپیما نزدیك به زمین و در محیطی مرطوب با درصد بخار آب زیاد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه ای فشرده شده و ابر سفیدی را برای چند ثانیه پدید می آورند كه همان هاله سفید رنگ قابل روئیت در تصاویر است. اما از امواج ضربه ای در موتورهای جت نیز استفاده می شود. بدین گونه كه، هوا ورودی در موتورهای جت، حتی اگر هواپیما با سرعت های بالای صوت پروزا نماید، باید زیر سرعت صوت باشد تا قابلیت احتراق را در موتور داشته باشد.

 

بنابراین، اكثراً در ورودی موتورهای هواپیماهای جنگنده مخروطی را به شكل كامل یا نصف مانند هواپیماهای میگ ۲۱ یا اف ۱۰۴ ستارفایتر می بینیم، كه فلسفه ایجاد این مخروط تولید عمدی امواج ضربه ای است.

 

در صورت تولید امواج ضربه ای، هوای عبوری از میان آن با سرعت كاهش یافته یا زیر صوت وارد موتور می شود و فرآیند احتراق به طور كامل انجام می پذیرد. برای انجام پرواز های مافوق صوت، اغلب هواپیماهای جنگنده از مقطع بال های ویژه ای كه عدد ماخ بحرانی را به حداكثر می رسانند، استفاده می نمایند و مقطع بال ها معمولاً بسیار نازك و متقارن می باشد. به عقب برگشتگی بال های هواپیماهای مدرن نیز در نتیجه تلاش برای افزایش عدد ماخ بحرانی بوده چرا كه آزمایش های تونل باد نشان داده كه با به عقب برگشتگی بال ها به میزان چند درجه عدد ماخ بحرانی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد، تا جایی كه هواپیماهای مسافربری سریع السیر مانند بوئینگ ۷۴۷ كه در حدود سرعت صوت یا حدود ۹۸۰ كیلومتر بر ساعت پرواز می كنند، نیز به بال هایی به عقب برگشته مجهزند. در برخی از هواپیماها، مانند هواپیمای اف ۱۴ تامكت، از سیستم بال های متغیر استفاده شده كه در این سیستم، در سرعت های پایین كه از عدد ماخ بحرانی خبری نیست بال ها گسترده می شوند و برای فراوانی تولید می كنند، ولی رفته رفته با نزدیك شدن به سرعت صوت، كامپیوتر موجود در این سیستم خود زاویه لازم برای افزایش عدد ماخ بحرانی را محاسبه كرده و بال را متناسب با زوایه آن تغییر داده و به عقب بر می گرداند. این سیستم به دلیل هزینه های بالا و سنگینی بیش از حد آن، دارای استفاده محدودی می باشد. هواپیماها كلاً از نظر سرعت نسبت به سرعت صوت به چند دسته زیر تقسیم می شوند:

 

▪ هواپیماهای زیر سرعت صوت یا مادون صوت با محدوده سرعت ۳۵۰ تا ۹۵۰ كیلومتر بر ساعت، Subsonic

 

▪ هواپیماهای حدود سرعت صوت با محدوده سرعت ۹۵۰ تا ۱۲۰۰ كیلومتر بر ساعت، Transonic

 

▪ هواپیماهای سرعت صوت با محدوده سرعت دقیقاً سرعت صوت نسبت به محیط، Sonic

 

▪ هواپیماهای بالای سرعت صوت یا مافوق سرعت صوت با محدوده سرعت ۱ ماخ تا ۵ ماخ، Supersonic

 

▪ هواپیماهای با سرعت بسیار بیشتر از سرعت صوت با محدوده سرعت ۵ ماخ و بالاتر، Hypersonic

[zakiyeh.sh 11]

مرسی .. اگه اگه video یا pdf در این رابطه داری ممنون میشم بزاری