تاریخچه

در اعصار آغازین دوران هوانوردی ابتدایی، هواپیماها بیشتر با سرعت های بسیار پایین نسبت به هواپیماهای امروزی پرواز میکردند که حتی به بیشتر از ۳۰۰ کیلومتر در ساعت نمیرسید؛ در حالی که چنین سرعتی، سرعت مطلوب برای تیک آف یا برخاست یک هواپیمای جنگنده امروزی است. اما رفته رفته، سرعت هواپیماها حتی با موتورهای پیستونی گاه بالای ۶۵۰ کیلومتر بر ساعت رسیده و از آن زمان بود که دانشمندان علوم آیرودینامیک دریافتند که با افزایش سرعت، به تدریج میزان پسا افزایش پیدا کرده و در سرعت معینی، دیگر هواپیما قادر به سرعت گرفتن نبوده گاه نیز استال میشوند.
در آن زمان، علت این موضوع بدین گونه بیان شد که با افزایش سرعت، به تدریج سرعت گردش انتها یا نوک پره های پروانه موتور، به سرعت صوت نزدیک شده و سرانجام در حداکثر سرعت یک هواپیمای پیستونی که حدود ۹۵۰ کیلومتر میباشد، سرعت انتهای پره ها از سرعت صوت گذشته و پسا یا درگ بسیاری ایجاد میشود که خود مانع سرعت گرفتن بیشتر هواپیماست. در چنین سرعت هایی، پروانه موتور هواپیماهای پیستونی، نه تنها نیروی کشش یا  تراست تولید نمیکند، بلکه در اثر سرعت بسیار زیاد، تبدیل به یک دیسک یا دایره توپر چرخنده میشود که جز ایجاد درگ و پسا، کار دیگری انجام نمیدهد .
آیرودینامیست های آن زمان این حد را یک محدوده سرعت یا همان دیوار صوتی در نظر گرفته و بسیاری از آنان نیز بر این عقیده بودند که گذشتن از دیوار صوتی و پشت سر گذاشتن آن، کاری غیر ممکن است؛ اما با ورود به عصر جت و پیشرفت علم آیرودینامیک، این کار برای جنگنده های امروزی کاری بس سهل و آسان است.
اولین بار خلبانی آمریکایی به نام چاک ییگر، با انجام اصلاحاتی بر روی یک بمب افکن قدیمی آن را به چهار موتور موشکی مجهز کرده و بر فراز بیایانی در آمریکا، پس از جدا شدن از هواپیمای مادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانیه پرواز هواپیمای پرتقالی رنگ ملقب به X-1 به صورت گلاید، خلبان چهار موتور موشکی خود را روشن کرده و پس از چند لحظه صدایی رعد آسا در آسمان شنیده شد که همان نتیجه شکستن دیوار صوتی برای اولین بار در جهان بود. در این آزمایش، این هواپیما به سرعت ۱۶/۱ ماخ دست یافت، و با ورود به عصر جت، رویای شکستن دیوار صوتی و پا گذاشتن به سرعت صوت نیز به واقعیتی  قابل لمس مبدل گشت.

ویژگی‌های صوت و دیوار صوتی

صوت، در شرایط عادی (دما، فشار و … معمولی) در سطح دریا دارای سرعتی معادل ۳۳۲ متر بر ثانیه یا ۱۱۹۵ کیلومتر بر ساعت میباشد که این سرعت، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا، کاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر، صوت فواصل را با سرعت کمتری می پیماید. این مسئله بدین صورت است که صوت از طریق ضربات ملکول های هوا به یکدیگر و انتقال انرژی آنها فضا را طی میکند و هر چه تعداد مولکول ها در یک حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورت پذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال مییابد؛ چنانکه سرعت صوت در مایعات بیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل ۶۰۰۰ کیلومتر بر ساعت است.

پس در نتیجه افزایش ارتفاع، تعداد ملکول ها در یک حجم معین کاهش یافته و صوت با سرعت کمتری فضا را می پیماید.

در واقع دیوار صوتی، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست؛ بلکه به دلیل اینکه گذشتن از سرعت صوت نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب میباشد، این حد را یک مانع برای رسیدن به سرعت های بالاتر دانسته و از آن به نام دیوار صوتی یاد میکنند .

عدد ماخ

صوت یا صدا در محیط های مکانیکی با سرعت خاص به شکل امواج انتشار می باید. در سطح دریا و وضعیت آیسا سرعت صوت ۳۴۰ متر بر ثانیه است. سرعت صوت یکی از متغیر های بسیار مهم است که کاربرد بسیاری در محاسبات دارد.

رفتار هواپیما در محدوده های مختلف سرعت صوت متفاوت است؛ به عنوان مثال رفتار هواپیما در سرعت های زیر صوت و بالای صوت با هم فرق می کند. چرا که در سرعت های زیر صوت، هوا تقریباً تراکم ناپذیر فرض می شود و در سرعت های بالای صوت، تأثیرات تراکم پذیری و نیز موج شوک وجود دارد.

با توجه به اهمیت سرعت صوت و برای ساده سازی روابط، عدد ماخ (Mach) تعریف می گردد. عدد ماخ، در حقیقت همان نسبت سرعت شیء پرنده یا همان هواپیما به سرعت صوت محیط است که به احترام دانشمندی آلمانی که برای اولین بار چنین مقیاسی را در نظر گرفت، آن را «ماخ » نام نهادند. پس عدد ماخ، کمیتی متغیر است و بسته به خصوصیات هوا مانند دما و فشار، تغییر کرده و کاهش یا افزایش مییابد و عددی بی بعد است و مقدار آن تقسیم سرعت واقعی پرواز به سرعت محلی صوت به دست می آید.
سرعت صوت بر حسب عدد ماخ به پنج محدوده زیر تقسیم می گردد: 

۱) سرعت کم (low speed)
2) سرعت مادون صوت یا فروصوت (subsonic)
3) سرعت گذرصوتی یا هَماصوت (transonic)
4) سرعت مافوق صوت یا فراصوت (supersonic)
5) سرعت ماوراء صوت یا اَبَرصوت (hypersonic)

دیوار صوتی(sound barrier) اصطلاحی است که در پرواز با سرعت حدود صوت و مافوق صوت مطرح می شود. همزمان با حرکت هواپیما ، صدای تولید شده به علت برخورد هواپیما با هوا نیز حرکت می کند. هواپیما فقط به سمت جلو حرکت می کند ولی صوت به شکل امواج به همه سمت منتشر می شود. حرکت امواج صوتی به صورت دیواره ای است که در راستای یک مخروط است. مقدار زاویۀ راس مخروط به عوامل متعددی بستگی دارد. به این دیواره، اصطلاحاً دیوار صوتی گویند. عبور از دیوار صوتی سبب اختلال در حرکت امواج صوتی می شود. هنگامی که هواپیمایی که دارای سرعت فراصوت است، سرعت خود را به بالای صوت برساند از این دیوارۀ فرضی عبور می کند و اصطلاحاً سبب شکستن دیوار صوتی می گردد. معمولاً شکستن دیوار صوتی باعث تولید صدایی مانند صدای انفجار می گردد.

عامل ایجاد دیوار صوتی

امواج ضربه‌ای یا Shock waves در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربه‌ای، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که می‌تواند به لایه های دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید. برای درک بهتر مطلب، وقتی که سنگی در آب انداخته میشود، موج‌هایی در آب بوجود میآیند که به سمت خارج در حال حرکتند. این امواج، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه های از ملکول های آب است که قادر به انتقال به لایه های دیگر نیز میباشد، و امواج ضربهای نیز، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت که آنها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا، تشکیل میشوند.

در سرعت های نزدیک سرعت صوت، فرضیه غیر قابل تراکم بودن هوا رد شده و ضریب تراکم هوا به ۱۶% در میرسد، که مقداری غیر قابل چشم پوشی است. در این سرعتها هوای جلوی بال یا لبه حمله به شدت متراکم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهی افزایش مییابد، همین مسأله، یکی از عوامل ایجاد امواج ضربهای است. هواپیما با حرکت خود در هوا، نظم فشار هوای محیط را بر هم میزند و همانند قایقی که در آب در حال حرکت است، امواجی از آن ساطع شده و به دلیل اینکه این امواج با سرعت صوت حرکت میکنند و هواپیما زیر سرعت صوت در حال سیر است، از آن دور میشوند.

اما کم کم، با نزدیک شدن به سرعت های حدود سرعت صوت، این امواج فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و در جلوی بال متراکم میشوند. در مناطقی از بدنه هواپیما که سطوح ناموزونی نسبت به جهت حرکت هواپیما دارد، سرعت گذر هوا افزایش یافته و بر اساس اصل برنولی، با افزایش سرعت سیال، فشار آن کاهش مییابد. در چنین سرعت هایی، هوای اطراف این سطوح به سرعت صوت میرسد، گر چه هواپیما هنوز به سرعت صوت نرسیده باشد. در نتیجه رسیدن بعضی سطوح به سرعت صوت، امواج ضربهای تولید شده و درگ یا پسای فراوانی را قبل از رسیدن به سرعت صوت تولید میکنند، که همین مسأله گذر از دیوار صوتی را مشکل مینماید.

عدد ماخ بحرانی

به سرعتی که در آن حداقل یکی از سطوح هواپیما به سرعت صوت رسیده باشد، گر چه این پدیده در مورد خود هواپیما صادق نباشد، عدد ماخ بحرانی یا Critical Mach Number میگویند. عدد ماخ بحرانی را میتوان به سرعتی که نمودار پسا در مقابل سرعت سیر صعودی میگیرد، نیز تعریف نمود. در این سرعت، فرامین هواپیما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتی شبیه به کوبیدن بر روی بال توسط امواج ضربهای بوجود میآید که با گذر از دیوار صوتی، فرامین هواپیما به حالت طبیعی خود باز میگردند.

بنابراین، در سرعتی که هواپیما به عدد ماخ بحرانی خویش میرسد، پسا به دلیل ایجاد امواج ضربهای بطور قابل توجهی افزایش مییابد، پس، باید تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحرانی هر چه بیشتر با بهبود ویژگی های آیرودینامیکی افزایش یابد، چون اگر این اتفاق در سرعت های پایینتر رخ دهد، هواپیما نیز باید از سرعت پایینتری جدال با افزایش پسا را شروع کند.

چرا با تولید امواج ضربه‌ای، پسا افزایش مییابد؟

قانونی در مبحث دیوار صوتی بیان میکند که هر جریان هوایی که از یک موج ضربه‌ای بگذرد، موج ضربه‌ای انرژی جنشی سرعتی آن را گرفته و در خور تبدیل به گرما و افزایش فشار می‌کند، در نیتجه سرعت جریان هوای گذرنده از موج ضربهای به میزان قابل توجهی کاهش مییابد. با کاهش سرعت جریان هوا در جلوی بالها در سرعتهای نزدیک سرعت صوت، تلاش پیشرانه یا موتورهای هواپیما باید چند برابر شود تا اثر کاهش سرعت در اثر موج ضربه‌ای را خنثی نماید. در صورتی که عدد ماخ بحرانی هواپیمایی پایین باشد، در سرعتهای پایین باید نیروی رانشی هواپیما چند برابر شود که مصرف سوخت فوق‌العادهای را برای گذر از دیوار صوتی به دنبال خواهد داشت؛ اما، در صورت بالا بودن عدد ماخ بحرانی، هواپیما فقط مدت کوتاهی نیازمند قدرت و کشش بسیار زیاد برای شکستن دیوار صوتی میباشد.

با اعمال نیروی فراوان رانشی، سرانجام هواپیما بر مشکل پسای زیاد فائق آمده و از دیوار صوتی میگذرد. در نتیجه این عمل، امواج تولید شده توسط هواپیما از آن جا مانده و پشت سر هواپیما حرکت میکنند. در این حالت، وضعیت به حالت عادی بازگشته و پسای ایجاد شده به وضعیت نرمال باز میگردد. بعضی از هواپیماها از تمام نیروی پس سوزشان یا ۱۰۰% قدرت موتور برای گذر از دیوار صوتی و یا سرعت ۱,۱۹۵ کیلومتر بر ساعت استفاده میکنند، در حالی که در سرعت های بسیار بالاتر، تنها از ۳۰% قدرت موتور برای رانش به جلو بهره میجویند. با دقت در این مثال ، میتوان به خوبی افزایش درگ و پسا و قدرت فروان لازم برای غلبه بر آن در سرعت‌های نزدیک به سرعت صوت را درک و تجزیه و تحلیل نمود.

اثرات شکست دیوار صوتی

امواج ضربه‌ای توسط هواپیما در سرعت صوت، بسیار قدرتمند میباشند، چنانکه در صورت پرواز هواپیما نزدیک به زمین و گذر آن از دیوار صوتی، امواج ضربه‌ای با منتهای قدرت به اجسام زمینی مانند شیشه های منازل و ساختمان ها برخورد نموده و باعث شکستن آنها میشود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربه‌ای بطور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است.

از امواج ضربه‌ای، در بمب ها و تسلیحات دیگر نیز استفاده میشود. بمب ها با یک افزایش دما و فشار ناگهانی در لایه هایی از هوا، امواج ضربهای بوجود آورده که از طریق هوا انتقال یافته و باعث شکستن شیشه ها و تخریب دیوارها نیز میشود. اگر شخصی در فاصله نسبتاً نزدیک در فضایی تهی از هوا و خلاء، حتی نزدیک یک بمب ده تنی ایستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب، آسیبی به وی نخواهد رسید، چون هوایی برای انتقال امواج ضربهای وجود ندارد.

به دلیل تولید امواج ضربه‌ای در سرعت های حدود سرعت صوت، خلبانان سعی میکنند فقط مدت کوتاهی در چنین سرعت هایی ترانسونیک پرواز کرده و به زودی از دیوار صوتی گذر کنند، چون پرواز در این سرعت ها نیروی بسیار زیاد موتور در نیتجه افزایش فوق العاده میزان مصرف سوخت را در پی دارد.

صدای انفجار

امواج حاصله از حرکت هواپیما یا صدای تولید شده در اثر حرکت ، هر بار در سرعت های زیر سرعت صوت از هواپیما دور شده و به گوش شنونده میرسد. اما با رسیدن هواپیما به سرعت صوت، این صداها دیگر فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و کلاً در جلوی هواپیما جمع میشوند. با گذر از سرعت صوت، صدایی چند ده برابر شده از حرکت هواپیما باهم به گوش شنونده میرسد که مانند یک انفجار شدید یا صدای رعد و برقی بسیار قدرتمند میباشد. شاید در تصاویر هواپیماهای در حال گذر از دیوار صوتی، هاله سفید رنگ را در اطراف هواپیما مشاهده کرده باشید. در هنگام گذر از دیوار صوتی، اگر هواپیما نزدیک به زمین و در محیطی مرطوب با درصد بخار آب زیاد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه‌ای فشرده شده و ابر سفیدی را برای چند ثانیه پدید میآورند که همان هاله سفید رنگ قابل روئیت در تصاویر است. اما از امواج ضربهای در موتورهای جت نیز استفاده میشود. بدین گونه که، هوا ورودی در موتورهای جت، حتی اگر هواپیما با سرعت های بالای صوت پرواز نماید، باید زیر سرعت صوت باشد تا قابلیت احتراق را در موتور داشته باشد.

طراحی هواپیما

بنابراین، بیشتر در ورودی موتورهای هواپیماهای جنگنده مخروطی را به شکل کامل یا نصف مانند هواپیماهای میگ ۲۱ یا اف ۱۰۴ استارفایتر دیده میشود، که فلسفه ایجاد این مخروط تولید عمدی امواج ضربهای است. در صورت تولید امواج ضربهای، هوای عبوری از میان آن با سرعت کاهش یافته یا زیر صوت وارد موتور میشود و فرآیند احتراق بطور کامل انجام میپذیرد. برای انجام پروازهای مافوق صوت ، اغلب هواپیماهای جنگنده از مقطع بال های ویژهای که عدد ماخ بحرانی را به حداکثر میرسانند، استفاده مینمایند و مقطع بال ها معمولاً بسیار نازک و متقارن میباشد.

به عقب برگشتگی بال های هواپیماهای مدرن نیز در نتیجه تلاش برای افزایش عدد ماخ بحرانی بوده، چرا که آزمایش های تونل باد نشان داده که با به عقب برگشتگی بالها به میزان چند درجه عدد ماخ بحرانی به میزان قابل توجهی افزایش مییابد، تا جایی که هواپیماهای مسافربری سریع السیر مانند بوئینگ ۷۴۷ که در حدود سرعت صوت یا حدود ۹۸۰ کیلومتر بر ساعت پرواز میکنند، نیز به بال هایی به عقب برگشته مجهزند.

در برخی از هواپیماها، مانند هواپیمای اف ۱۴ تامکت، از سیستم بال های متغیر استفاده شده که در این سیستم، در سرعتهای پایین که از عدد ماخ بحرانی خبری نیست بال ها گسترده میشوند و برای فراوانی تولید میکنند، ولی رفته رفته با نزدیک شدن به سرعت صوت، کامپیوتر موجود در این سیستم خود زاویه لازم برای افزایش عدد ماخ بحرانی را محاسبه کرده و بال را متناسب با زوایه آن تغییر داده و به عقب بر میگرداند. این سیستم به دلیل هزینههای بالا و سنگینی بیش از حد آن، دارای استفاده محدودی میباشد.

دسته‌بندی هواپیماها بر اساس سرعت صوت

هواپیماهای زیر سرعت صوت یا فروصوت با محدوده سرعت ۳۵۰ تا ۹۵۰ کیلومتر بر ساعت، Subsonic
هواپیماهای حدود سرعت صوت با محدوده سرعت ۹۵۰ تا ۱۲۰۰ کیلومتر بر ساعت، Transonic
هواپیماهای سرعت صوت با محدوده سرعت دقیقاً سرعت صوت نسبت به محیط، Sonic
هواپیماهای بالای سرعت صوت یا فراصوت 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

منبع: واحد فناوری اطلاعات روابط عمومی آسمان (http://iaa.ir) به نقل از مدرسه ی هوانوردی، تین نیوز، ویکی پدیا