پرواز فراصوت: از شکستن دیوار صوتی تا آینده مسافربری فراصوت
پرواز فراصوت یکی از جذاب‌ترین دستاورد‌های تکنولوژی هوانوردی است که تنها خلبانان جت‌های نظامی نه‌تنها تجربه می‌کنند، بلکه در گذشته هواپیما‌های تجاری نیز مسافران را با سرعت بالا‌تر از صوت جابجا می‌کردند. این پدیده علمی چالش‌های منحصر‌به‌فردی دارد که فرا‌تر از درک عمومی از سرعت‌های بالا قرار دارد.
شدت فراصوت و مفهوم ماخ ۱
پرواز فراصوت به معنای حرکت هواپیما با سرعتی بالا‌تر از سرعت صوت است. محققان ناسا این پدیده را پروازی توصیف می‌کنند که در آن هواپیما سریع‌تر از امواج صوتی پیش می‌رود. این سرعت با نام ماخ ۱ شناخته شده و به عنوان نسبت سرعت هواپیما به سرعت صوت در شرایط خاص محاسبه می‌شود.
سرعت صوت ثابت نیست و به عوامل محیطی مانند دما و چگالی هوا وابسته است. در سطح دریا با دمای ۱۵ درجه سانتی‌گراد، سرعت صوت حدود ۱۲۱۶ کیلوم‌تر در ساعت است. با افزایش ارتفاع و کاهش دما، سرعت صوت کاهش می‌یابد زیرا مولکول‌های هوا انرژی کمتری دارند و ارتعاشات را کند‌تر منتقل می‌کنند. به همین دلیل ماخ ۱ به عنوان یک نسبت محاسبه می‌شود تا با دقت به شرایط پرواز تطبیق یابد.
تفاوت پرواز فراصوت با مافوق‌صوت
پرواز‌ها بر اساس سرعت به چهار دسته تقسیم می‌شوند مادون‌صوت (کمتر از ماخ ۱)، تراصوتی (ماخ ۰.۸ تا ۱.۲)، فراصوت (بیش‌تر از ماخ ۱) و مافوق‌صوت (بیش‌تر از ماخ ۵). هواپیما‌های مافوق‌صوت باید سرعت‌های بالا‌تر از ۴۸۰۰ کیلوم‌تر در ساعت داشته باشند و با چالش‌های شدید حرارتی ناشی از اصطکاک هوا روبرو هستند که طراحی آن‌ها را بسیار پیچیده می‌کند.
فیزیک شکستن دیوار صوتی و غرش صوتی
وقتی شیئی از دیوار صوتی عبور می‌کند، یک غرش صوتی (سونیک بوم) ایجاد می‌شود که شبیه انفجار یا رعد و برق است و می‌تواند تا ۱۱۰ دسی‌بل برسد و آسیب ساختاری به ساختمان‌های اطراف بزند. این پدیده به این دلیل رخ می‌دهد که شیء سریع‌تر از امواج صوتی خود حرکت می‌کند و امواج در جلوی هواپیما فشرده شده و به یک موج شوک بزرگ تبدیل می‌شوند. این موج شوک یک مخروط صوتی در کنار هواپیما تشکیل می‌دهد.
مثال کلاسیک این پدیده صدای شلاق است. صدای تیز شلاق ناشی از تماس قطعات با هم نیست، بلکه ناشی از حرکت بخشی از شلاق با سرعت فراصوت است که یک غرش صوتی کوچک ایجاد می‌کند.
فیزیک پرواز و چالش‌های فراصوت
پرواز معمولی بر اساس چهار نیروی بالایی، وزنه، رانش و کشش است. موتور‌ها رانش را تامین می‌کنند و شکل بال‌ها اختلاف فشار ایجاد می‌کند که هواپیما را بالا می‌برد. در سرعت‌های فراصوت، مولکول‌های هوا نمی‌توانند به سرعت کافی از مسیر خارج شوند و اصطکاک و سایش هوایی به شدت افزایش می‌یابد.
این سایش بالا باعث می‌شود هواپیما‌های فراصوت باید طراحی بادی‌محور و مثلثی داشته باشند. همچنین باید از آلیاژ‌های مقاوم در برابر حرارت استفاده کنند زیرا اصطکاک هوا بدنه را به شدت داغ می‌کند. موتور‌های قدرتمند‌تر نیز برای غلبه بر اصطکاک در ارتفاعات بالا ضروری هستند.
تاریخچه پرواز فراصوت از بل تا کنکورد
پرواز فراصوت در دهه ۱۹۴۰ آغاز شد. بر پایه تحقیقات بریتانیایی، شرکت بل ایرکرافت و سازمان‌های آمریکایی هواپیما بل را ساختند که بر پایه شکل گلوله مدل‌سازی شده بود. در سال ۱۹۴۷، چارلز چاک ییگر با این هواپیما اولین پرواز کنترل‌شده فراصوت را با رسیدن به ماخ ۱.۰۶ انجام داد.
پس از این موفقیت، ارتش‌های جهان به توسعه جت‌های جنگنده فراصوت پرداختند. در دهه ۱۹۵۰، هر دو قدرت بزرگ جت‌هایی مانند و را توسعه دادند. امروزه اکثر جنگنده‌های مدرن مانند و یوروفای‌تر تایفون قابلیت پرواز فراصوت دارند. سریع‌ترین هواپیما در تاریخ، شرکت لاکهید، به ماخ ۳.۲ رسیده است.
در بخش تجاری، تنها دو هواپیما وجود داشته‌اند توپولف روسی که از ۱۹۷۵ تا ۱۹۷۸ پرواز کرد و کنکورد فرا‌نسوی-بی که از ۱۹۷۶ تا ۲۰۰۳ با سرعت ماخ ۲.۰۴ مسافران را جابجا می‌کرد.
خطرات و چالش‌های پرواز فراصوت
هواپیما‌های فراصوت با خطرات جدی روبرو هستند تنش‌های ساختاری شدید ناشی از غرش‌های صوتی، گسترش حرارتی قطعات، لرزش‌های شدید در شتاب و ترمز، و زمان واکنش کمتر برای خلبانان. غرش‌های صوتی می‌توانند به ساختمان‌های زمینی آسیب بزنند و نگرانی‌های شنوایی ایجاد کنند. مصرف سوخت نیز به شدت بالا است زیرا موتور‌های قدرتمند‌تر، وزن بیش‌تر و پرواز در ارتفاعات بالا کارایی سوخت را کاهش می‌دهد.
آینده پرواز فراصوت تجاری
کنکورد به دلیل هزینه‌های عملیاتی بالا، محدودیت پرواز بر فراز مناطق پرجمعیت و مصرف سوخت زیاد بازنشسته شد. با این حال، شرکت‌هایی مانند بوم سوپرسونیک با سفارش‌های ایرلاین‌های آمریکایی و یونایتد، در حال توسعه هواپیما‌های فراصوت جدید هستند که پیش‌بینی می‌شود تا ۲۰۲۹ عملیاتی شوند. شرکت اروپایی دستینوس نیز روی پرواز فراصوت هیدروژنی با سرعت ماخ ۵ کار می‌کند و امیدوار است در ۲۰۲۴ پرواز آزمایشی انجام دهد.
