هایپرسونیک، تلاش بشر برای رسیدن به سرعت ابرصوت

هر کس از اصطلاح Hypersonic تعریف خاص خود را دارد. اگر از تعدادی از افراد سرعتی را که بالاتر از آن سرعت، جریان سیال کاملاً Hypersonic باشد را بپرسیم جواب‌هایی در محدوده ۳ تا ۱۲ برابر سرعت صوت را دریافت خواهیم کرد ولی اکثر جواب‌ها حول ۵ یا ۶ خواهد بود.
در کل منظور از کلمه Hypersonic سرعت بیشتر از ۵ برابر سرعت صوت یا ۵ ماخ است.
ماخ های کمتر از ۰.۸ را زیر صوت، از ۰.۸ تا ۱.۲ را گذر صوت و ماخ بیشتر از یک تا ۵ را فراصوت می‌گویند.

اولین تجربه‌های پرواز ابرصوت:
پنج‌شنبه است. ۲۴ فوریه ۱۹۴۹ مهندسان در ایستگاه جنوبی مشغول محاسبه موقعیت و ارتفاع راکتی هستند که لحظاتی قبل از مقرّی با فاصله سه مایل در ناحیه آزمایشی مرکز تحقیقاتی White Sands پرتاب شده. راکت یکی از V-2 هایی است که بعد از جنگ جهانی دوم، به تعداد زیاد؛ از آلمان وارد امریکا شد. در آن دوره پرتاب راکت V-2 به یکی از اتفاقات معمول برای کارکنان پایگاه White Sands تبدیل شده بود ولی این بار نه پرتاب و نه حتی خود راکت مهم نبودند.

در دماغهٔ راکت یک جسم باریک و سوزن مانند با نام WAC corporal نصب شده بود که به‌عنوان مرحله دوم راکت اولیه عمل می‌کرد و جای مشخصی از راکت مادر جدا شده و به‌عنوان راکتی مستقل ادامه مسیر می‌داد. این پرتاب آزمایشی ترکیبی V-2/WAC corporal اولین تلاش معنی‌دار بشر برای استفاده از راکت‌های دو مرحله‌ای جهت دست‌یابی به سرعت و ارتفاع بالاتر بود. و این پرتاب بخشی از یک پروژه بزرگتر به نام Bumper بود که توسط ارتش ایالات‌متحده هدایت می‌شد. تمام پرتاب‌ها تا قبل از این پرتاب راکت‌های تک مرحله بودند.

مهندسان موشک را تا ارتفاع ۱۰۰ مایلی و سرعت ۳۵۰۰ مایل بر ساعت دنبال کردند؛ جایی که راکت دوم شروع به کار می‌کرد. موشک جدید تا ۵۱۵۰ مایل بر ساعت سرعت گرفت و تا ارتفاع ۲۴۴ مایل بالا رفت که رکورد قبلی راکت V-2 را به اندازه ۱۳۰ مایل افزایش داد. در نقطه اوج، WAC corporal باید به سمت زمین برمی‌گشت و با سرعت ۵۰۰۰ مایل وارد جو زمین می‌شد. و این اولین ساختهٔ دست بشر بود که توانست پرواز ابرصوت را تجربه کند، یعنی سرعتی بیش از ۵ برابر سرعت صوت.
WAC corporal در جایی که محاسبه شده بود به زمین برخورد نکرد. تنها قطعاتی که از آن پیدا شد یک سوییچ الکتریکی سوخته شده و قطعاتی از بالچهٔ هدایت آن بود، در ضمن این قطعات بیش از یک سال بعد در آوریل ۱۹۵۰ یافته شدند.
حال صحنه را به روستای کوچک Smelooka در بخش Ternov ناحیهٔ Saratov شوروی می‌بریم. الآن ساعت ۱۰:۵۵ صبح به وقت مسکو است. روز ۱۲ آوریل ۱۹۶۱.

یک شی کروی عجیب با چتر نجات فرود آمده. سطح آن سوخته و سیاه شده ولی سه پنجره دارد که با شیشه‌های ضد حرارت پوشانده شده‌اند. داخل آن سرگرد خلبان Yuri Gagarin قرار دارد؛ شخصی که ۱۰۸ دقیقه قبل درون فضاپیمایی در پایگاه Cosmodrome نزدیک دریاچه آرال نشسته بود. چیزی که در آن ۱۰۸ دقیقه اتفاق افتاد، توسط یک برنامه تلویزیونی از شبکه خبری اتحاد جماهیر شوروی در ساعت ۹:۵۹ به جهانیان مخابره شد:

اولین سفینهٔ فضایی سرنشین دار با نام Vostok امروز ۱۲ آوریل ۱۹۶۱ توسط اتحاد جماهیر شوروی به فضا پرتاب شد. خلبان این ماهواره-سفینه سرگرد خلبان Yuri Gagarin است. شلیک این راکت چند مرحله‌ای موفقیت‌آمیز بود و بعد از رسیدن به اولین سرعت فرار و جدایی از آخرین مرحلهٔ راکت حامل سفینه به حالت پرواز آزاد در مدار دور زمین قرار گرفت. بر اساس محاسبات، مدت زمان پرواز به دور زمین ۸۹.۱ دقیقه، کمترین فاصله از زمین ۱۷۵ کیلومتر و بیشترین فاصله ۳۰۲ کیلومتر است. زاویه صفحهٔ گردش با خط استوا ۶۵.۷ درجه می‌باشد. و وزن سفینه با احتساب خلبان ۴۷۲۵ کیلوگرم است.

بعد از پخش این آگهی سرعت Vostok در ساعت ۱۰:۲۵ با به کار انداختن راکت‌های کاهش سرعت کمتر شد و سفینه با سرعتی بالغ بر ۲۵ برابر سرعت صوت وارد جو زمین شد. تنها ۳۰ دقیقه بعد سرگرد گاگارین اولین کسی بود که در فضا و در مدار زمین پرواز کرد و به‌سلامت به زمین برگشت. علاوه بر این، او تنها انسانی بود که پرواز ابرصوت را تجربه کرد.

در ادامه، سال ۱۹۶۱ به سالی پربار برای پرواز ابرصوت تبدیل شد. در ۵ ماه می، Alan B. Shepard دومین انسان فضانوردی شد که با طی یک زیر مدار بر فراز اقیانوس اطلس به ارتفاع ۱۱۵.۷ مایلی رسید و با سرعت بیش از ۵ ماخ وارد اتمسفر شد. سپس در ۲۳ ژوئن خلبان آزمایشگر نیروی هوایی امریکا، سرگرد Robert White هواپیمای X-15 را به سرعت ۵.۳ ماخ رساند؛ اولین بار که X-15 به بالای ۵ ماخ رسید، که بعداً در ۹ نوامبر با پرواز با سرعت ۶ ماخ این رکورد را ارتقا داد.

اتفاقات بالا اولین تجربه‌های بشر در زمینهٔ پرواز ابرصوت بودند.

اما چرا جریان ابرصوت برای ما مهم است. در پاسخ باید به این نکته توجه داشت که دانش هوانوردی، از اولین پرواز برادران رایت در سال ۱۹۰۳ و اولین راکت سوخت مایع در ۱۹۲۶ بر یک اصل استوار بوده: “پرواز با سرعت و ارتفاع بیشتر”
در قرن بیستم شاهد رشد تصاعدی در سرعت و ارتفاع وسایل پروازی بودیم که با سرعت ۳۵ مایل بر ساعت برادران رایت در ارتفاع نزدیک سطح زمین شروع شد، در جنگ جهانی دوم به ۴۰۰ مایل و ۳۰۰۰۰ پا رسید، سپس در دهه‌های ۶۰ و ۷۰ میلادی سرعت ۱۲۰۰ مایل و ارتفاع ۶۰۰۰۰ پا و مشخص‌تر از همه سرعت ۷ ماخ و ارتفاع ۳۵۴۲۰۰ پا توسط X-15 و در نهایت شاتل‌های فضایی که باید با سرعت ۲۵ ماخ و از ارتفاع ۲۰۰ مایلی وارد جو زمین می‌شدند.
آئرودینامیک در سرعت‌های ابرصوت نسبت به مدل معمول‌تر فراصوت کاملاً متفاوت است. در تصویر هواپیمای F-104 را می‌بینید، اولین جنگنده‌ای که برای کاربرد فراصوت، در ماخ ۲ طراحی شده بود.

اصول طراحی فراصوت به‌خوبی در این هواپیما رعایت شده بود. یک نوک تیز و سوزن مانند، دماغه بلند و باریک، بال‌ها و سطوح کنترلی بسیار نازک، و لبه‌های حمله بسیار تیز و نسبت منظری کم بال‌ها به میزان ۲.۴۵ که تمام این ملاحظات در جهت کاهش درگ ناشی از موج‌های شوک در سرعت‌های فراصوت اعمال شده بودند.

برای ساخت هواپیمایی که بتواند به سرعت‌های بالاتر دست یابد و بتواند پرواز ابرصوت را تجربه کند، به نظر می‌رسید که باید همین اصول را با دقت و حساسیت بیشتر رعایت کرد. این تفکر ایدهٔ یکی از اولین طراحی‌های مفهومی هواپیماهای ابرصوت بود که به وسیلهٔ Robert Carman و Hubert Drake در سازمان NACA (بعدها به NASA تبدیل شد) در سال ۱۹۵۳ انجام شد.

در این تصویر، یک هواپیمای ابر صوت اولیه را می‌بینیم که دماغه‌ای تیز، بدنه‌ای باریک و بلند و بال‌های با نسبت منظری پایین دارد. همان مؤلفه‌هایی که در طراحی F-104 رعایت شده بود؛ با این تفاوت که این هواپیما برای ماخ ۲۵ طراحی شده بود. در هر حال در سال ۱۹۵۳، آئرودینامیک ابرصوت در آغاز راه بود.
حال این هواپیما را با هواپیمای ابرصوت دیگری که تنها ۷ سال بعد طراحی شد مقایسه می‌کنیم. هواپیما-فضاپیمایی به نام X-20 Dynasoar. در این هواپیما شاهد طراحی کاملاً متفاوت هستیم که قوانین جدید پرواز ابرصوت در آن اعمال شده. در طراحی X-20 از یک بال دلتا شکل ضخیم و با لبه‌های حمله گرد و دایره‌ای شکل و بدنه‌ای ضخیم با دماغهٔ پخ و دایره‌ای شکل استفاده شده و بدنه بر روی بال مثلثی شکل قرار گرفته، بنابراین سطح زیر هواپیما کاملاً صاف است. پروژه X-20 یکی از نامزدهای پرواز با موتور راکتی در ماخ حدود ۲۰ بود. این پروژه تحت تأثیر پروژه‌های Mercury, Gemini و Apollo در سال ۱۹۶۳ کنار گذاشته شد بدون حتی ساخته شدن یک نمونه آزمایشی. با این حال این هواپیما منعکس‌کننده اصول طراحی خاص ابرصوت بود که بعدها در شاتل فضایی هم به کار برده شد.

می‌بینیم که وسایل پروازی ابرصوت با وسایل فراصوت و زیرصوت تفاوت‌های بسیاری دارند، پس می‌توان نتیجه گرفت که آئرودینامیک ابرصوت هم با آئرودینامیک فراصوت تفاوت دارد. که با نگاه به فضاپیمای آپولو، عمق تفاوت را بهتر درک می‌کنیم؛ فضاپیمایی که هدف آن برگرداندن انسان از ماه و ورود به جو زمین با سرعتی بالغ بر ۳۶ برابر سرعت صوت بود.

دریافتیم که فلسفه آئرودینامیک فراصوت و ابرصوت متفاوت‌اند. در هواپیماهای فراصوت اجزای فراهم‌کنندهٔ نیروی بُرا (بال‌ها)، پیشرانش (موتورها و اجزای آن‌ها)، و حجم قابل استفاده (بدنه) از هم جدا و قابل تشخیص هستند علاوه بر این هرکدام از این اجزا را می‌توان جسم آئرودینامیک جدایی در نظر گرفت که وقتی با هم در یک هواپیما ترکیب می‌شوند، نیرویی که به آن هواپیما وارد می‌شود برآیند نیروهای آئرودینامیکی وارد به تک‌تک اجزا است.
طراحی هواپیماهای ابرصوت دقیقاً برعکس است.

این شکل، یک هواپیمای یکپارچهٔ ابرصوت را نشان می‌دهد، که در آن کل سطح زیر هواپیما قسمتی از موتور SCRAM jet آن است. فشرده‌سازی اولیهٔ هوا به‌وسیله موج شوکی که از دماغهٔ هواپیما شروع می‌شود اتفاق می‌افتد. مرحلهٔ بعد افزایش فشار و احتراق ماورا صوت در واحدهایی نزدیک به انتهای هواپیما صورت می‌گیرد. سپس قسمتی از انبساط گازهای داغ حاصل از احتراق در نازل موتور انجام می‌شود اما قسمت عمدهٔ آن در زیر قسمت انتهایی هواپیما که شکلی شبیه به نازل دارد انجام می‌شود. پس درمی‌یابیم که واحد پیشرانش به‌خوبی در بدنهٔ هواپیما ادغام شده است. همچنین قسمت عمدهٔ نیروی بُرا هم توسط قسمت فشار بالا در پشت شوک تولید می‌شود که با اعمال بر سطح نسبتاً صاف زیر هواپیما نیروی رو به بالا به وجود می‌آید. پس نیازی به استفاده از بال‌های بزرگ به صورت مجزا، برای تولید نیروی بُرا نیست.

تمام این ملاحظات، در طراحی هواپیماهای ابرصوت با هم ترکیب شده و این مفهوم را به وجود می‌آورند که اجزای مختلف هواپیما، به‌خوبی در شکل کلی ترکیب شده‌اند که تضاد مستقیمی با طراحی هواپیماهای فروصوت و فراصوت دارد

منبع: کتاب Hypersonic and high temperature gas dynamics, John D. Anderson
ترجمه: بابک محبی، دانشجوی مهندسی مکانیک دانشگاه شیراز