تلاش بشر برای رسیدن به سرعت فراصوت و تاریخچه ساخت هواپیماهای ابرصوت

MacTavish · 31/8/19

در این مطلب قصد داریم با اصطلاح هایپرسونیک آشنا شده و تاریخچه ساخت هواپیماهای ابرصوت و تلاش بشر برای رسیدن به سرعت فراصوت را بررسی کنیم.

شاید هر کسی از اصطلاح Hypersonic تعریف خاص خود را داشته باشد اما در کل منظور از این کلمه، سرعت بیشتر از 5 برابر سرعت صوت یا 5 ماخ است. به ماخ‌های کمتر از 0.8 زیر صوت، از 0.8 تا 1.2 گذر صوت و ماخ بیشتر از یک تا 5 صوت فراصوت گفته می‌شود. در ادامه نگاهی خواهیم انداخت به تاریخچه فراصوت و اولین تجربه‌های پرواز ابرصوت را بررسی می‌کنیم.

در روز 24 فوریه 1949 میلادی، مهندسان در ایستگاه جنوبی، مشغول محاسبه موقعیت و ارتفاع راکتی بودند که لحظاتی قبل از مقری با فاصله سه مایلی در ناحیه آزمایشی مرکز تحقیقات White Sands پرتاب شده بود. این راکت V-2 یکی از آن راکت‌هایی است که پس از جنگ جهانی دوم، به تعداد زیاد از آلمان وارد آمریکا شد و در آن دوره پرتاب این راکت‌ها به یکی از اتفاقات عادی و معمولی برای کارکنان پایگاه وایت ساندز تبدیل شده بود؛ اما این بار قضیه فرق می‌کرد.

در این پرتاب، در دماغه راکت یک جسم باریک و سوزنی موسوم به WAC Corporal نصب شده بود که به عنوان مرحله دوم راکت اولیه عمل می‌کرد و پس از پرتاب در جای مشخصی از راکت مادر جدا شده و به عنوان یک راکت مستقل به مسیر خود ادامه می‌داد. این پرتاب آزمایشی، اولین تلاش بشر جهت استفاده از راکت‌های دو مرحله‌ای برای دستیابی به سرعت و ارتفاع بالاتر بود. این پرتاب، بخشی از پروژه بزرگی به نام Bumper بود که توسط ارتش آمریکا هدایت می‌شد و تمامی پرتاب‌ها تا قبل از آن، راکت‌های تک مرحله‌ای بودند.

مهندسان در این پرتاب آزمایشی، موشک را تا ارتفاع صد مایلی و سرعت 3 هزار و 500 مایل بر ساعت دنبال کردند؛ یعنی جایی که راکت دوم شروع به کار کرد. موشک جدید تا سرعت 5 هزار و 150 مایل بر ساعت هم رسید و تا ارتفاع 244 مایلی بالا رفت و موفق شد رکورد قبلی راکت V-2 را به میزان 130 مایل افزایش دهد. WAC Corporal در نقطه اوج باید به سمت زمین بازمی‌گشت و با سرعت 5 هزار مایل بر ساعت وارد جو زمین می‌شد؛ اما در جایی که محاسبه شده بود به زمین برخورد نکرد و تنها قطعاتی از آن پیدا شد. البته همین قطعات هم که تنها یک سوییچ الکتریکی و قسمت‌هایی از بالچه هدایت آن بود، بیشتر از یک سال بعد در آوریل سال 1950 میلادی کشف شد. با این حال، این اولین ساخته دست بشر بود که توانست پرواز ابرصورت یعنی سرعتی بیشتر از 5 برابر سرعت صوت را تجربه کند.

اولین تجربه پرواز ابرصوت توسط یک انسان

حال قصد داریم به روستای کوچک Smelooka در بخش ترنوف ناحیه ساراتوف شوروی سابق برویم. نزدیک 11 صبح روز 12 آوریل 1961 میلادی به وقت مسکو، یک شی کروی عجیب که سطح آن سوخته و سیاه شده بود و سه پنجره پوشانده شده با شیشه‌های ضد حرارت داشت، با چتر نجات فرود آمد. سرگرد خلبان، یوری گاگارین (Yuri Gagarin) در داخل این شی کروی قرار داشت؛ یعنی همان کسی که 108 دقیقه قبل داخل فضاپیمایی در پایگاه Cosmodrome نزدیک دریاچه آرال نشسته بود.

نزدیک ساعت 10 صبح، یک برنامه تلویزیونی از شبکه خبری اتحاد جماهیر شوروی، خبری را اعلام کرد:

امروز 12 آوریل 1961، نخستین سفینه فضایی سرنشین‌دار با نام Vostok توسط اتحاد جماهیر شوروی به فضا پرتاب شد. سرگرد یوری گاگارین، خلبان این ماهواره-سفینه است. این راکت چندمرحله‌ای با موفقیت شلیک شد و پس از رسیدن به اولین سرعت فرار و جدایی از آخرین مرحله راکت حامل، سفینه به حالت پرواز آزاد در مدار دور زمین قرار گرفت. طبق محاسبات انجام شده، مدت زمان پرواز به دور زمین، 89.1 دقیقه، کمترین میزان فاصله از زمین 175 کیلومتر و بیشترین فاصله 302 کیلومتر خواهد بود. زاویه صفحه گردش با خط استوا 65.7 و وزن سفینه نیز با احتساب خلبان 4 هزار و 725 کیلوگرم است.

در ساعت 10 و 25 دقیقه، سرعت Vostok با به کار انداختن راکت‌های کاهش سرعت، کمتر شد و سفینه با سرعتی بالغ بر 25 برابر سرعت صوت وارد جو زمین شد. 30 دقیقه بعد، یوری گاگارین اولین کسی بود که در فضا و در مدار زمین پرواز کرد و به سلامت به زمین بازگشت. همچنین باید گاگارین را اولین انسانی دانست که پرواز ابرصوت را تجربه کرد.

سال 1961 در ادامه به سال پرباری برای پرواز ابرصوت تبدیل شد. در روز پنجم می، آلن بی شپرد (Alan V.Shepard) به عنوان دومین انسان فضانورد و اولین آمریکایی، با طی یک زیرمدار بر فراز اقیانوس اطلس به ارتفاع 115.7 مایلی رسید و با سرعت بیشتر از 5 ماخ وارد اتمسفر شد. در روز 23 ژوئن هم سرگرد رابرت وایت (Robert White)، خلبان آزمایشگر نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا با هواپیمای X-15 به سرعت 5.3 ماخ رسید و مدتی بعد در روز نهم نوامبر، این رکورد را به 6 ماخ ارتقا داد. این‌ها اولین تجربه‌های بشر برای رسیدن به سرعت فراصوت بودند اما واقعا چرا جریان ابرصورت تا این اندازه برای ما اهمیت دارد؟

جواب سوال بالا بسیار ساده است. دانش هوانوردی از همان ابتدا و از اولین پرواز برادران رایت در سال 1903 یا اولین راکت سوخت مایع در سال 1926 میلادی بر یک اصل استوار بوده و آن هم پرواز با سرعت و ارتفاع بیشتر است. در قرن 20، سرعت و ارتفاع وسایل پروازی، رشد تصاعدی داشته و سرعت 35 مایل بر ساعت برادران رایت در ارتفاع نزدیک به سطح زمین در زمان جنگ جهانی دوم به 400 مایل و 30 هزار پا رسید. در دهه‌های 60 و 70 میلادی، سرعت هزار و 200 مایل و ارتفاع 60 هزار پا و مشخص‌تر از همه، سرعت 7 ماخ و ارتفاع 354 هزار و 200 پا توسط هواپیمای X-15 و در نهایت شاتل‌های فضایی که با سرعت 25 ماخ و از ارتفاع 200 مایلی وارد جو زمین می‌شدند به ثبت رسیدند.

اصول طراحی هواپیماهای فراصوت

در سرعت های ابرصوت نسبت به مدل معمولی‌تر فراصوت، آیرودینامیک کاملا تفاوت دارد. تصویر زیر، هواپیمای F-104، اولین جنگنده‌ای که برای کاربرد فراصوت طراحی شده بود را نشان می‌دهد. اصول طراحی فراصوت به خوبی در این جنگنده رعایت شده و ویژگی‌هایی مانند یک نوک تیز و سوزنی‌شکل، دماغه بلند و باریک، بال‌ها و سطوح کنترلی بسیار نازک، لبه های حمله بسیار تیز و نسبت منظری کم بال‌ها به میزان 2.45، همگی به منظور کاهش درگ ناشی از موج‌های شوک در سرعت‌های فراصوت اعمال شده بودند.

به نظر می‌رسید که باید این اصول با دقت و حساسیت بیشتری برای ساخت هواپیمایی که قصد دارد پرواز ابرصوت را تجربه کند، رعایت می‌شد. تصویر زیر، یکی از اولین طراحی‌های مفهومی هواپیماهای ابرصوت را نشان می‌دهد که توسط رابرت کارمن و هوبرت دریک در سال 1953 در ناسا ایجاد شد. در این طرح مفهومی، یک هواپیمای ابرصوت اولیه دیده می‌شود که دماغه‌ای تیز، بدنه‌ای باریک و بلند و بال‌هایی با نسبت منظری پایین دارد؛ یعنی همان مولفه‌هایی که در طراحی F-104 هم رعایت شده بود با این تفاوت که این بار این هواپیما برای ماخ 25 طراحی شد. به هر ترتیب آیرودینامیک ابرصوت در سال 1953 میلادی، تازه در اول راه بود.

هفت سال بعد، هواپیمای ابرصوت دیگری طراحی شد که تفاوت‌های جالبی داشت. هواپیما-فضاپیمای X-20 Dynasoar طراحی کاملا متفاوت و جدیدی داشت و قوانین جدید پرواز ابرصوت در آن اعمال شده بود. در طرح اولیه این هواپیما از یک بال دیتاشکل ضخیم با لبه‌های حمله گرد و دایره‌ای شکل و همچنین بدنه‌ای ضخیم با دماغه پخ و دایره‌ای شکل استفاده شد و بدنه بر روی بال مثلثی‌شکل آن قرار گرفته بود. سطح زیر هواپیما نیز کامل صاف بود. این پروژه یکی از نامزدهای پرواز با موتور راکتی در حدود ماخ 20 بود اما در نهایت تحت تاثیر پروژه‌هایی مانند آپولو، مرکوری (Mercury) و Gemini در سال 1963 کنار گذاشته شد و حتی یک نمونه آزمایشی هم از آن به تولید نرسید. با این حال بعدها در طراحی شاتل‌های فضایی از این طرح اولیه الهام گرفته شد.

همان‌طور که می‌بینید، وسایل پروازی ابرصوت با وسایل فراصوت و زیر صوت تفاوت‌های زیادی دارند و در نتیجه آیرودینامیک آن‌ها نیز متفاوت است. با نگاهی به فضاپیمای آپولو می‌توان این تفاوت را بهتر درک کرد؛ فضاپیمایی که هدف آن برگرداندن انسان از ماه و ورود به جو زمین با سرعت حدود 36 برابر سرعت صوت بود.

در هواپیماهای فراصوت، اجزای فراهم‌کننده نیروی بال‌ها، پیشرانش موتورها و اجزای آن‌ها و حجم قابل استفاده بدنه از هم جدا و قابل تشخیص هستند و هر یک از این اجزا را می‌توان به عنوان یک جسم آیرودینامیک جدا در نظر گرفت که وقتی با یکدیگر ترکیب می‌شوند، نیرویی که به هواپیما وارد می‌شود برابر برآیند نیروهای آیرودینامیکی وارد شده بر تک تک این اجزا است. اما طراحی هواپیماهای ابرصوت کاملا تفاوت دارد.

این تصویر نیز یک هواپیمای یکپارچه ابرصورت را به نمایش گذاشته که در آن، کل سطح زیر هواپیما، قسمتی از موتور SCRAM Jet آن است. فشرده‌سازی اولیه هوا توسط موج شوکی که از دماغه هواپیما آغاز می‌شود، رخ می‌دهد و در مرحله بعد، افزایش فشار و احتراق ماورا صوت در واحدهایی که به انتهای هواپیما نزدیک است، صورت می‌گیرد. سپس بخشی از انبساط گازهای داغ حاصل از احتراق در نازل موتور انجام می‌شود اما بخش عمده آن در زیر قسمت انتهایی هواپیما که شبیه به نازل است، رخ می‌دهد. علاوه بر آن، قسمت عمده نیروی بال‌ها نیز به وسیله قسمت فشار بالا در پشت شوک تولید می‌شود که با اعمال بر سطح صاف زیر هواپیما، نیروی رو به بالا ایجاد می‌کند؛ بنابراین دیگر نیازی به استفاده از بال‌های بزرگ به صورت مجزا جهت تولید نیروی بال‌ها نخواهد بود.

تمامی این مسائل در طراحی هواپیماهای ابرصوت با یکدیگر ترکیب شده و این مفهوم را به وجود آورده‌اند که اجزای گوناگون هواپیما به خوبی در شکل کلی ترکیب شده‌اند که این امر با طراحی هواپیماهای فروصوت و فراصوت، تضاد مستقیم دارد.