اختراق حاجز الصوت

عن منتدى الهندسة نت

صراع الطائرة مع جزيئات الهواء

يتسم عنصر السرعة في وقتنا الحاضر بأهمية قصوى , لتحقيق الاتصال بين مختلف بلدان العالم ذات المسافات الشاسعة , فكلما كانت المسافة أكبر , كانت الحاجة أشد إلى وسيلة مواصلات تتميز بالراحة والأمان والسرعة .

وينطبق هذا على الطيران العسكري أيضا , فقد تميزت الطائرات المقاتلة الحديثة بسرعات أكبر تمكنها من شن الهجوم والفرار في لحظات .منذ ظهور الطائرات ذات المحرك عام 1903، وسرعتها في تزايد مستمر، فمن 64 كلم / ساعة ، في أول العهد بالطائرات الى 7242 كلم / ساعة ، في بعض الطائرات الحديثة .

والتي نطلق عليها الطائرات الأسرع من الصوت .يعتقد عامة الناس عندما يسمعون ، أو يقرءون عن طائرة اخترقت حاجز الصوت ، ان الطيار استطاع ان يخترق بطائرته حاجزا ضخما، يعترض طريق الطائرات في الفضاء . والواقع انه لا يوجد مثل هذا الحاجز بالمعنى الذي يتخيله البعض .خلال الحرب العالمية الثانية ، اكتشف الطيارون المقاتلون ، ان إعادة الطائرة ( التي كانت تعمل بمحرك ذي كباسات ) إلى وضعها الطبيعي - بعد الدخول بها في غطسة حادة ، وازدياد سرعتها لدرجة كبيرة تقترب من سرعة الصوت ، خلال الاختبارات أو عند الاشتباك مع طائرات معادية - يعتبر من الأمور الصعبة ، حيث أنها كانت تتعرض لهزات عنيفة ، تصل إلى حد فقدان التوازن وعدم القدرة على التحكم في الطائرة في بعض الاحيان .وقد اكتسب الطيارون خبرة في التعامل مع هذه التأثيرات التضاغطية ، كما كانت تسمى آنذاك . على الرغم من عدم بلوغ أي من تلك الطائرات سرعة الصوت . ونشأ عن هذا الكفاح المستميت ، ببلوغ سرعات أكبر وأكبر، ظهور فكرة " حاجز الصوت " .وقد قام العالم النمساوي " ارنست ماخ " خلال القرن التاسع عشر، بأبحاث حول انتقال موجات الصوت في الهواء. وتقديرا لجهود هذا العالم الجليل في هذا المجال ، فقد اتفق على تسمية سرعات الطائرة ، التي تقرب من سرعة الصوت بدلالة أرقام تسمى أرقام " ماخ " ، فعلى سبيل المثال ، اذا كانت الطائرة تنطلق بسرعة 1225.5 كلم / ساعة على مستوى سطح البحر، عندها يقال إن سرعتها تساوي 1 ماخ ، إما اذا كانت سرعة الطائرة 2124 كلم / ساعة وعلى ارتفاع 12.19 كلم عن سطح البحر، فإن سرعتها تساوي 2 ماخ ، بينما يطلق على الطيران الذي يقل عن 1 ماخ ، اصطلاح ( طيران أدنى من سرعة الصوت Sub Sonic) ، بينما يسمى الطيران بسرعات تزيد على ذلك بالطيران ( الأسرع من الصوت Super Sonic ) .

طبيعة الهواء مقاومة الضغط

يعتبر انتشار الصوت بمثابة موجة تنتشر خلال الهواء، بطريقة تماثل اتساع موجات الماء ، التي تتولد عندما يلقي احدنا حجرا في ماء ساكن . وتتناسب سرعة موجات الصوت في الهواء ، مع الجذر التربيعي لدرجة ( الحرارة المطلقة " Absolute Temperature " ) ، إذ نجد ان موجات الصوت خلال الهواء الموجود عند منسوب البحر- حيث تبلغ درجة الحرارة المتوسطة حوالى 15 درجة مئوية تنتقل بسرعة 1225.5 كلم / ساعة . ونجد كذلك ان السرعة تتناقص كلما ارتفعنا عن منسوب سطح البحر، نتيجة لانخفاض درجة الحرارة باطراد، حتى نصل الى 1112.5 كلم / ساعة ، عند ارتفاع 10.97 كلم . ونتيجة لعدم حدوث انخفاض ملموس في درجات الحرارة أعلى من هذا الارتفاع ، فإنه لا يحدث انخفاض ملحوظ في السرعة .

Mach = T.A.S / S.S " Speed of Sound "

36 × الجذر التربيعي لدرجة الحرارة المطلقة = S.S

لنفرض ان طائرة تطير بسرعة 0.8 ماخ , هذا يعني 80% من سرعة الصوت .

ما الذي يحدث للهواء عندما تشق الطائرة طريقها خلاله ؟ وللإجابة عن هذا السؤال : ان الهواء يسلك عند السرعات المنخفضة ، سلوكا يجعله يبدو كما لو كان غازا غير قابل للانضغاط . أو انه لا يحدث زيادة في الضغط أمام الطائرة ، التي تطير بسرعة منخفضة ، وذلك لوجود فسحة من الوقت أمام جزيئات الهواء كي تبتعد عن مسار الطائرة . ولكن مع تزايد سرعة الطائرة ، تقل تدريجيا الفرصة أمام هذه الجزيئات للابتعاد عن مسار الطائرة . فإذا وصلت سرعة الطائرة الى سرعة الصوت ، اصبحت سرعتها مماثلة لسرعة تحرك جزيئات الهواء ، عندها ينتقل هذا التضاغط للجزيئات على هيئة موجة صدم ، وحيث تتزايد مقاومة الهواء لحركة الطائرة بمعدل زمني رهيب . فإذا تعدت سرعة الطائرة هذا الحد تعين عليها بذل قدرة أكبر للتغلب على مقاومة الهواء لحركتها ، وعندها يصحب تكوّن موجات الصدم هذه ، حدوث انهيار في سريان الهواء خلف الطائرة ، يؤدي إلى تقليل فاعلية اجهزة التحكم بالطائرة ، الشيء الذي اشرنا اليه بالهزات العنيفة التي اكتشفها طيارو المقاتلات اثناء الحرب العالمية الثانية . وعندها نسمع تلك الفرقعة الهائلة المزعجة .

Mach is the ratio of aircraft True air speed " T.A.S " to the Speed of Sound

موجات في دوائر متتابعة

ان انتشار الموجات الناتجة عن ضغط الطائرة لجزيئات الهواء ، يحدث دائما في دوائر متتابعة ، وبانتشارها يصل الجزء الأسفل منها إلى سطح الارض ليحدث في آذاننا تلك الفرقعة الهائلة التي نسمعها، شبيهة بالموجات التي تحدثها القنابل عند انفجارها .وتكون هذه الموجات شكلا هندسيا مخروطيا حول الطائرة ، وهي تشق طريقها في الجو .لذلك فان مرور طائرة ، تفوق سرعتها سرعة الصوت فوق المدن ينتج عنه أمر يشاهده الكثيرون ، وهو اغلاق النوافذ ، والأبواب ، والإطاحة بالأشياء الخفيفة الوزن ، وكسر زجاج النوافذ وغيرها من الأمور التي اعتادها سكان المدن التى تتعرض للغارات الجوية .تعتبر طائرة التجارب الامريكية " بل . اكس " أول طائرة تطير بسرعة الصوت ، حيث بلغت سرعتها " 1.06 " ماخ يوم 14 اكتوبر1947 ، إلا انه بعد أعوام قليلة تمكنت أغلب المقاتلات النفاثة تعدي سرعة 1 ماخ وذلك أثناء حركات الانقضاض .وقد بنيت هذه المقاتلات على أساس الفكرة الألمانية الخاصة بالامتداد التراجعي للأجنحة من أجل خفض مقاومة الهواء ، رغم عدم قدرة محركاتها على اكسابها سرعة تصل إلى سرعة الصوت اثناء الطيران المستوي .كذلك تعتبر الطائرات الاميركية من طراز " ف 100 سوبر سابر" التي ظهرت عام 1953 أول طائرة أسرع من الصوت ، حيث وصلت سرعتها الى " 1.25 " ماخ أثناء الطيران المستوي .

في أوائل عام 1975 ، كانت طائرة الاستطلاع الأميركية " لوكيهد سي ر - 71 " ، والطائرة الاعتراضية السوفياتية " ميغ - 25 " التي يطلق عليها الغرب اسم " فوكسبات "، اسرع طائرتين في العالم ، حيث يمكن لأي منهما الانطلاق بسرعة 3 ماخ (حوالى 3218 كلم / س ) على ارتفاعات تصل الى 24.38 كلم .وفي يوم 3 أكتوبر 1967 تفوقت طائرة الأبحاث الأميركية " اكس – 15 " على ما عداها من الطائرات ، إذ حققت سرعة بلغت 6.72 ماخ (حوالى 7297 كلم / س ) .ونتيجة لهذه الزيادة الهائلة في مقدار السرعة ، فقد ظهر اصطلاح جديد يطلق على السرعات التي تزيد على 5 ماخ أسم ( فرط صوتية Hyper Sonic ) .وقد ظهرت عدة تصميمات حديثة للطائرات ، تهدف إلى مضاعفة قوة السحب عند السرعات المرتفعة ، مع بلوغ ارتفاعات عالية عند السرعات المنخفضة . وتتميز هذه التصميمات بالأجنحة التي يمكن تغيير شكلها الهندسي ، اذ يمكن تغيير زاوية الامتداد التراجعي بصفة مستمرة ، لتوفير أفضل كفاءة عند كل سرعة بعينها. ولا تزال الأجنحة ذات الشكل المثلث ( الدلتا ) أقل التصميمات تكلفة ، وأخفها وزنا. وقد وقع الاختيار على هذا النموذج من الاجنحة عند تصميم الطائرة السوفياتية " تي يو 144 " و " الكونكورد " البريطانية / الفرنسية الصنع وهما الطائرتان المدنيتان الوحيدتان اللتان اجتازتا سرعة الصوت .