در اين مقاله، تمامي مطالب مربوط به ديوار صوتي و چگونگي شکست آن و موارد مرتبط بررسي و مطالعه خواهند شد.
در اعصار آغازين دوران هوانوردي ابتدايي، هواپيما ها بيشتر با سرعت هاي بسيار پايين نسبت به هواپيما هاي امروزي پرواز مي کردند که حتي به بيشتر از 300 کيلومتر در ساعت نمي رسيد؛ در حالي که چنين سرعتي، سرعت مطلوب براي تيک آف يا برخاست يک هواپيماي جنگنده امروزي است و رسيدن به چنين سرعتي، ابداً مستلزم تلاش بسيار و فشار آوردن بيش از حد به موتور نمي باشد.
اما رفته رفته، سرعت هواپيما ها حتي با موتورهاي پيستوني به گاه بالاي 650 کيلومتر بر ساعت رسيده و از آن زمان بود که دانشمندان علوم آيروديناميک دريافتند که با افزايش سرعت، به تدريج ميزان پسا افزايش پيدا کرده و در سرعت معيني، ديگر هواپيما قادر به سرعت گرفتن نبوده، گاه نيز استال مي شوند.
در آن زمان، علت اين موضوع بدين گونه بيان شد که با افزايش سرعت، به تدريج سرعت گردش انتها يا نوک پره هاي پروانه ي موتور، به سرعت صوت نزديک شده و سرانجام در حداکثر سرعت يک هواپيماي پيستوني که حدود 950 کيلومتر مي باشد، سرعت انتهاي پره ها از سرعت صوت گذشته و پسا يا درگ بسياري ايجاد مي شود که خود مانع سرعت گرفتن بيشتر هواپيماست.
در چنين سرعت هايي، پروانه موتور هواپيماهاي پيستوني، نه تنها تراست يا نيروي کشش توليد نمي کند، بلکه در اثر سرعت بسيار زياد، تبديل به يک ديسک يا دايره توپر چرخنده مي شود که جز ايجاد درگ و پسا، کار ديگري انجام نمي دهد.
آيروديناميست هاي آن زمان اين حد را يک محدوده سرعت يا همان ديوار صوتي در نظر گرفته و بسياري از آنان نيز بر اين عقيده بودند که گذشتن از ديوار صوتي و پشت سر گذاشتن آن، کاريست غير ممکن؛ اما با ورود به عصر جت و پيشرفت علم آيروديناميک، همه ما شاهد هستيم که اين کار براي جنگنده هاي امروزي کاري بس سهل و آسان است.
حال، پس بررسي تاريخچه آن، بهتر است به اصل موضوع بپردازيم و نخست، ببينيم که خصوصيات صوت و ديوار صوتي چيست و چرا گذر از آن نيازمند قدرت و کشش و توانايي زيادي است.
صوت، در شرايط عادي (دما، فشار و … معمولي) در سطح دريا داراي سرعتي معادل 332 متر بر ثانيه يا 1,195 کيلومتر بر ساعت مي باشد که اين سرعت، با افزايش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا، کاهش يافته و در ارتفاعات بالاتر، صوت فواصل را با سرعت کمتري مي پيمايد.
اين مسئله بدين صورت است که صوت همانطور که مي دانيم، از طريق ضربات ملکول هاي هوا به يکديگر و انتقال انرژي آن ها فضا را طي مي کند و هرچه تعداد مولکول ها در يک حجم معين بيشتر باشند، انتقال انرژي زودتر صورت پذيرفته و صوت با سرعت بيشتري انتقال مي يابد؛ چنانکه سرعت صوت در مايعات بيشتر از هوا و در جامدات بسيار بيشتر از مايعات و هوا و معادل 6000 کيلومتر بر ساعت است. پس در نتيجه افزايش ارتفاع، تعداد ملکول ها در يک حجم معين کاهش يافته و صوت با سرعت کمتري فضا را مي پيمايد.
ديوار صوتي، شيئي فيزيکي و قابل روئيت نيست؛ بلکه، به دليل اينکه گذشتن از سرعت صوت نيازمند توان بسيار بالاي موتور و آيروديناميک بسيار خوب مي باشد، اين حد را يک مانع براي رسيدن به سرعت هاي بالاتر دانسته و از آن به نام ديوار صوتي ياد مي کنند.
عدد ماخ، در حقيقت همان نسبت سرعت شي پرنده يا همان هواپيما به سرعت صوت محيط است که به احترام دانشمندي آلماني که براي اولين بار چنين مقياسي را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ، کميتي متغير است و بسته به خصوصيات هوا مانند دما و فشار، تغيير کرده و کاهش يا افزايش مي يابد.
اما حال که با عدد ماخ آشنا شديم، به مهمترين و اصلي ترين عامل ايجاد ديوار صوتي يعني همان «امواج ضربه اي يا Shockwaves» پرداخته و دليل ايجاد درگ و پساي زياد را در سرعت هاي نزديک سرعت صوت، بررسي خواهيم کرد.
امواج ضربه اي يا شاک ويو ها، در حقيقت همان عامل اصلي ايجاد ديوار صوتي هستند. امواج ضربه اي، تغييري ناگهاني در فشار و دماي يک لايه از هواست که مي تواند به لايه هاي ديگر منتقل شده و به صورت يک موج فضا را بپيمايد.
براي درک بهتر مطلب، وقتي که سنگي در آب انداخته مي شود، موج هاي در آب به وجود مي آيند که به سمت خارج در حال حرکتند. اين امواج، نتيجه افزايش سرعت يا اعمال نيرو به لايه اي از ملکول هاي آب است که قادر به انتقال به لايه هاي ديگر نيز مي باشد، و امواج ضربه اي نيز، همان امواج درون آب هستند، با اين تفاوت که آن ها در سيالي ديگر به جاي آب به نام هوا، تشکيل مي شوند.
در سرعت هاي نزديک سرعت صوت، فرضيه غير قابل تراکم بودن هوا رد شده و ضريب تراکم هوا به 16% در مي رسد، که مقداري غير قابل چشم پوشي است. در اين سرعت ها هواي جلوي بال يا لبه حمله به شدت متراکم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهي افزايش مي يابد، همين مسئله، يکي از عوامل ايجاد امواج ضربه اي است. هواپيما با حرکت خود در هوا، نظم فشار هواي محيط را بر هم مي زند و همانند قايقي که در آب در حال حرکت است، امواجي از آن ساطع شده و به دليل اينکه اين امواج با سرعت صوت حرکت مي کنند و هواپيما زير سرعت صوت در حال سير است، از آن دور مي شوند. اما کم کم، با نزديک شدن به سرعت هاي ترانسونيک و حدود سرعت صوت، اين امواج فرصت دور شدن از هواپيما را نداشته و در جلوي بال متراکم مي شوند. در مناطقي از بدنه هواپيما که سطوح ناموزوني نسبت به جهت حرکت هواپيما دارد، سرعت گذر هوا افزايش يافته و بر اساس اصل برنولي، با افزايش سرعت سيال، فشار آن کاهش مي يابد.
در چنين سرعت هايي، هواي اطراف اين سطوح به سرعت صوت مي رسد، گرچه هواپيما هنوز به سرعت صوت نرسيده باشد. در نتيجه رسيدن بعضي سطوح به سرعت صوت، امواج ضربه اي توليد شده و درگ يا پساي فراواني را قبل از رسيدن به سرعت صوت توليد مي کنند، که همين مسئله گذر از ديوار صوتي را مشکل مي نمايد.
به سرعتي که در آن حداقل يکي از سطوح هواپيما به سرعت صوت رسيده باشد،( گرچه اين پديده در مورد خود هواپيما صادق نباشد)، عدد ماخ بحراني يا Critical Mach Number مي گويند.
عدد ماخ بحراني را مي توان به سرعتي که نمودار پسا در مقابل سرعت سير صعودي مي گيرد، نيز تعريف نمود. در اين سرعت، فرامين هواپيما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتي شبيه به کوبيدن بر روي بال توسط امواج ضربه اي به وجود مي آيد که با گذر از ديوار صوتي، فرامين هواپيما به حالت طبيعي خود باز مي گردند.
بنابراين، در سرعتي که هواپيما به عدد ماخ بحراني خويش مي رسد، پسا به دليل ايجاد امواج ضربه اي به طور قابل توجهي افزايش مي يابد، پس، بايد تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحراني هر چه بيشتر با بهبود ويژگي هاي آيروديناميکي افزايش يابد، چون اگر اين اتفاق در سرعت هاي پايين تر رخ دهد، هواپيما نيز بايد از سرعت پايين تري جدال با افزايش پسا را شروع کند.
حال ببينيم که چرا با توليد امواج ضربه اي، پسا افزايش مي يابد.
قانوني در مبحث ديوار صوتي بيان مي کند که هر جريان هوايي که از يک موج ضربه اي بگذرد، موج ضربه اي انرژي کنتيکي يا جنشي سرعتي آن را گرفته و در خور تبديل به گرما و افزايش فشار مي کند، در نيتجه سرعت جريان هواي گذرنده از موج ضربه اي به ميزان قابل توجهي کاهش مي يابد. با کاهش سرعت جريان هوا در جلوي بال ها در سرعت هاي نزديک سرعت صوت، تلاش پيشرانه يا موتورهاي هواپيما بايد چند برابر شود تا اثر کاهش سرعت در اثر موج ضربه اي را خنثي نمايد. در صورتي که عدد ماخ بحراني هواپيمايي پايين باشد، در سرعت هاي پايين بايد نيروي رانشي هواپيما چند برابر شود که مصرف سوخت فوق العاده اي را براي گذر از ديوار صوتي به دنبال خواهد داشت؛ اما، در صورت بالا بودن عدد ماخ بحراني، هواپيما فقط مدت کوتاهي نيازمند قدرت و کشش بسيار زياد براي شکستن ديوار صوتي مي باشد.
با اعمال نيروي فراوان رانشي، سرانجام هواپيما بر مشکل پساي زياد فائق آمده و از ديوار صوتي مي گذرد. در نتيجه اين عمل، امواج توليد شده توسط هواپيما از آن جا مانده و پشت سر هواپيما حرکت مي کنند. در اين حالت، وضعيت به حالت عادي بازگشته و پساي ايجاد شده به وضعيت نرمال باز مي گردد. بعضي از هواپيما ها از تمام نيروي پس سوزشان يا 100% قدرت موتور براي گذر از ديوار صوتي و يا سرعت 1,195 کيلومتر بر ساعت استفاده مي کنند، در حالي که در سرعت هاي بسيار بالاتر، تنها از 30% قدرت موتور براي رانش به جلو بهره مي جويند. با دقت در اين مثال، مي توان به خوبي افزايش درگ و پسا و قدرت فروان لازم براي غلبه بر آن در سرعت هاي نزديک به سرعت صوت را درک و تجزيه و تحليل نمود.
امواج ضربه اي توسط هواپيما در سرعت صوت، بسيار قدرتمند مي باشند، چنانکه در صورت پرواز هواپيما نزديک به زمين و گذر آن از ديوار صوتي، امواج ضربه اي با منتهاي قدرت به اجسام زميني مانند شيشه هاي منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شکستن آن ها مي شود، يا حتي اگر شخصي در معرض امواج ضربه اي به طور مستقيم قرار گيرد، احتمال از دست دادن شنوايي و پاره شدن پرده گوش بسيار است. از امواج ضربه اي، در بمب ها و تسليحات ديگر نيز استفاده مي شود.
بمب ها با يک افزايش دما و فشار ناگهاني در لايه هايي از هوا، امواج ضربه اي به وجود آورده که از طريق هوا انتقال يافته و باعث شکستن شيشه ها و تخريب ديوار ها نيز مي شود. اگر شخصي در فاصله اي نسبتاً نزديک در فضايي تهي از هوا و خلاء، حتي نزديک يک بمب ده تني ايستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب، آسيبي به وي نخواهد رسيد، چون هوايي براي انتقال امواج ضربه اي وجود ندارد.
به دليل توليد امواج ضربه اي در سرعت هاي حدود سرعت صوت، خلبانان سعي مي کنند فقط مدت کوتاهي در چنين سرعت هايي ترانسونيک پرواز کرده و به زودي از ديوار صوتي گذر کنند، چون پرواز در اين سرعت ها نيروي بسيار زياد موتور در نيتجه افزايش فوق العاده ميزان مصرف سوخت را در پي دارد.
اما حال ببينيم صدايي انفجار مانند که در هنگام شکستن ديوار صوتي توليد مي شود نتيجه چيست. امواج حاصله از حرکت هواپيما يا صداي توليد شده در اثر حرکت، هر بار در سرعت هاي زير سرعت صوت از هواپيما دور شده و به گوش شنونده مي رسد. اما با رسيدن هواپيما به سرعت صوت، اين صداها ديگر فرصت دور شدن از هواپيما را نداشته و کلاً در جلوي هواپيما جمع مي شوند.
با گذر از سرعت صوت، صدايي چند ده برابر شده از حرکت هواپيما با هم به گوش شنونده مي رسد که مانند يک انفجار شديد يا صداي رعد و برقي بسيار قدرتمند مي باشد. شايد در تصاوير هواپيماهاي در حال گذر از ديوار صوتي، هاله اي سفيد رنگ را در اطراف هواپيما مشاهده کرده باشيد. در هنگام گذر از ديوار صوتي، اگر هواپيما نزديک به زمين و در محيطي مرطوب با درصد بخار آب زياد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه اي فشرده شده و ابر سفيدي را براي چند ثانيه پديد مي آورند که همان هاله سفيد رنگ قابل روئيت در تصاوير است. اما از امواج ضربه اي در موتورهاي جت نيز استفاده مي شود. بدين گونه که، هوا ورودي در موتورهاي جت، حتي اگر هواپيما با سرعت هاي بالاي صوت پروزا نمايد، بايد زير سرعت صوت باشد تا قابليت احتراق را در موتور داشته باشد.
بنابراين، اکثراً در ورودي موتورهاي هواپيماهاي جنگنده مخروطي را به شکل کامل يا نصف مانند هواپيماهاي ميگ 21 يا اف 104 ستارفايتر مي بينيم، که فلسفه ايجاد اين مخروط توليد عمدي امواج ضربه اي است.
در صورت توليد امواج ضربه اي، هواي عبوري از ميان آن با سرعت کاهش يافته يا زير صوت وارد موتور مي شود و فرآيند احتراق به طور کامل انجام مي پذيرد. براي انجام پرواز هاي مافوق صوت، اغلب هواپيماهاي جنگنده از مقطع بال هاي ويژه اي که عدد ماخ بحراني را به حداکثر مي رسانند، استفاده مي نمايند و مقطع بال ها معمولاً بسيار نازک و متقارن مي باشد. به عقب برگشتگي بال هاي هواپيماهاي مدرن نيز در نتيجه تلاش براي افزايش عدد ماخ بحراني بوده چرا که آزمايش هاي تونل باد نشان داده که با به عقب برگشتگي بال ها به ميزان چند درجه عدد ماخ بحراني به ميزان قابل توجهي افزايش مي يابد، تا جايي که هواپيماهاي مسافربري سريع السير مانند بوئينگ 747 که در حدود سرعت صوت يا حدود 980 کيلومتر بر ساعت پرواز مي کنند، نيز به بال هايي به عقب برگشته مجهزند. در برخي از هواپيماها، مانند هواپيماي اف 14 تامکت، از سيستم بال هاي متغير استفاده شده که در اين سيستم، در سرعت هاي پايين که از عدد ماخ بحراني خبري نيست بال ها گسترده مي شوند و براي فراواني توليد مي کنند، ولي رفته رفته با نزديک شدن به سرعت صوت، کامپيوتر موجود در اين سيستم خود زاويه لازم براي افزايش عدد ماخ بحراني را محاسبه کرده و بال را متناسب با زوايه آن تغيير داده و به عقب بر مي گرداند. اين سيستم به دليل هزينه هاي بالا و سنگيني بيش از حد آن، داراي استفاده محدودي مي باشد. هواپيماها کلاً از نظر سرعت نسبت به سرعت صوت به چند دسته زير تقسيم مي شوند:
? هواپيماهاي زير سرعت صوت يا مادون صوت با محدوده سرعت 350 تا 950 کيلومتر بر ساعت، Subsonic
? هواپيماهاي حدود سرعت صوت با محدوده سرعت 950 تا 1200 کيلومتر بر ساعت، Transonic
? هواپيماهاي سرعت صوت با محدوده سرعت دقيقاً سرعت صوت نسبت به محيط، Sonic
? هواپيماهاي بالاي سرعت صوت يا مافوق سرعت صوت با محدوده سرعت 1 ماخ تا 5 ماخ، Supersonic
? هواپيماهاي با سرعت بسيار بيشتر از سرعت صوت با محدوده سرعت 5 ماخ و بالاتر، Hypersonic
لازم به ذکر است، اولين بار، خلباني آزمايشي آمريکايي به نام چاک ييگر، با انجام اصلاحاتي بر روي يک بمب افکن قديمي آن را به چهار موتور موشکي مجهز کرده و بر فراز بياياني در آمريکا، پس از جدا شدن از هواپيماي مادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانيه پرواز هواپيماي پرتقالي رنگ ملقب به X-1 به صورت گلايد، خلبان چهار موتور موشکي خود را روشن کرده و پس از چند لحظه صدايي رعد آسا در آسمان شنيده شد که همان نتيجه شکستن ديوار صوتي براي اولين بار در جهان بود. در اين آزمايش، اين هواپيما به سرعت 16/1 ماخ دست يافت، و با ورود به عصر جت، روياي شکستن ديوار صوتي و پا گذاشتن به سرعت صوت نيز به واقعيتي بسيار قابل لمس مبدل گشت.