گذر از موج

یكی از موضوعاتی كه همواره ذهن طراحان سیستم ها و تجهیزات هوایی از قبیل انواع موشك ها و هواپیماها را به خود مشغول ساخته مقابله با ضربه های ناشی از برخورد تجهیزات هوایی با جریان هوای اطراف, حین پرواز از مبدا تا مقصد است

امروزه كارخانه های مهم هواپیما سازی و یا تولید موشك، خود را به تونل های باد و یا دستگاه های ضربه نگار صوتی مدرن مجهز نموده اند تا فشار ناشی از امواج ضربه ای و یا شوك های به وجود آمده از برخورد سیستم ها با مولكول های هوای اطراف را سنجیده و تا حد امكان روش های مقابله با حداقل سازی این شوك را تامین نمایند.

برای لحظه ای هوای اطراف خود را مورد بررسی قرار می دهیم. هوا از مولكول هایی تشكیل شده است كه دارای حركت نامنظم و سرعت و انرژی های لحظه ای متفاوت در زمان های مختلف هستند. به هر حال برای یك زمان مشخص، سرعت و انرژی میانگین مولكول ها را می توان تعریف كرد كه برای یك گاز كامل تابعی از دما است. حال فرض كنید كه یك ترقه در نزدیكی شما منفجر شود انرژی آزاد شده توسط این ترقه از طریق هوای اطراف جذب می شود كه منجر به افزایش سرعت میانگین مولكول ها می شود و آنها با سرعت بیشتر به مولكول های همسایه خود برخورد كرده و مقداری از انرژی جذب شده را به آنها انتقال می دهند در نتیجه مولكول های مجاور با مولكول های دیگر برخورد كرده كه منجر به پخش یا انتقال انرژی ترقه در هوا می شود. این موج انرژی در هوا با سرعت خاصی حركت می كند كه به نحوی با سرعت مولكولی در ارتباط است زیرا این موج به وسیله انرژی مولكولی انتقال داده می شود. همچنین در گذر از این موج، افزایش انرژی باعث تغییرات كمی در فشار می شود. در حالی كه این موج از كنار شما عبور می كند این اختلاف فشار كم به وسیله پرده گوش شما دریافت شده و به صورت حسی از صدا به مغز انتقال داده می شود. چنین موج ضعیفی را موج صوتی می نامیم. در هوافضا سرعت جسم پرنده بر حسب عدد ماخ بیان می شود. عدد ماخ برابر است با سرعت جسم بخش بر سرعت صوت كه ناحیه های مختلف سرعت جسم مادون صوت، گذر صوتی، مافوق صوت و ماورای صوت هستند. همچنین مقدار سرعت صوت در هوای سطح دریا برابر m/s ۳۴۰ است.

امواج ضربه ای یا شوك ها در پرواز های مافوق صوت روی اجسام پرنده (هواپیما یا موشك) به وجود می آیند. شوك ناحیه بسیار نازكی در حدود ۱۰-۵ سانتی متر است كه جریان قبل از آن مافوق صوت است و جریان بعد از آن اگر شوك قائم باشد مادون صوت و اگر مایل باشد مافوق صوت است.

• فعالیت های نیوتن و لاپلاس فرانسوی

از لحاظ تاریخی می توان گفت كه انتشار صوت در هوا در یك سرعت معین تا قرن هفدهم برای عموم قابل فهم نبود در آن زمان اسحاق نیوتن اولین ویرایش كتاب خود به نام اصول را در سال ۱۶۸۷ میلادی به چاپ رسانده بود.

همچنین آزمایش های انجام شده با خمپاره نشان می داد كه سرعت انتقال صوت در حدود ۱۱۴۰ فوت برثانیه انجام می گرفت و زمان تاخیر در بین جرقه نور از سرلوله توپ و صدای رها شدن توپ یادداشت می شد. نیوتن در كتاب اصولش به طور صحیح بیان كرد كه سرعت صوت در ارتباط با الاستیسیته هوا (عكس تراكم پذیری) است و برای به دست آوردن سرعت صوت این فرض اشتباه را در نظر گرفت كه موج صوتی یك فرایند ایزوترمال (هم دما) است در نتیجه سرعت به دست آمده از این تعریف برای صوت برابر ۹۷۹ فوت بر ثانیه به دست آمد كه در این محاسبه نیوتن دچار ۱۵ درصد خطا شد و خطای ۱۵ درصد را به خاطر وجود ذرات بخار آب در اتمسفر دانست. این تصور غلط یك قرن بعد به وسیله ریاضیدان فرانسوی به نام لاپلاس تصحیح شد. لاپلاس موج صوتی را آدیاباتیك در نظر گرفت نه ایزوترمال. از این رو توانست مقدار صحیح سرعت صوت را بدون خطا به دست آورد. بنابراین از لحاظ تاریخی تا زمان فوت ناپلئون روابط و فرآیند ها برای انتشار صوت در یك گاز كامل مورد فهم قرار گرفته بود.

•پیشتازان امواج ضربه ای

وجود امواج ضربه ای مهم تا آن زمان شناخته شده بود و به دنبال روش موفق لاپلاس برای محاسبه سرعت صوت طبیعی بود كه ریاضیدانی آلمانی به نام برنارد ریمن در سال ۱۸۵۸ اولین كوشش خود را برای محاسبه خواص شوك به كار برد كه منجر به شكست شد. به هر حال دوازده سال بعد اولین دستاورد اساسی در تئوری موج ضربه ای توسط یك مهندس اسكاتلندی به نام ویلیام جان ماكورن رنكین انجام گرفت. سهم رنكین نسبت به تئوری موج ضربه ای در اواخر عمر او به وقوع پیوست .(دو سال قبل از فوت او.) رنكین در مقاله ای كه در سال ۱۸۷۰در مجله فلسفی انجمن سلطنتی تحت عنوان «بررسی تئوری ترمودینامیكی امواج اغتشاشی طولی معین» به چاپ رسید معادلات حاكم بر موج ضربه ای قائم را به دست آورد. علاوه بر این تصور رنكین از ساختار داخلی شوك صحیح بود و آن را آیزنتروپیكی قلمداد كرد. همچنین معادلات به دست آمده توسط رنكین بعداً به وسیله پرتابه شناس فرانسوی به نام هنری هیوگونیت دوباره به دست آمد. بی خبر از كار انجام شده به وسیله رنكین، هیوگونیت در سال ۱۸۸۷ مقاله ای به چاپ رساند كه در آن معادلات مربوط به خواص ترمودینامیكی شوك قائم را ارائه كرد. اما خواص دیگر امواج ضربه ای به وسیله لورد ریلی و جی آی تیلر مورد بررسی قرار گرفت.

•نتایج كاربرد امواج ضربه ای در سال های ۵۰-۱۹۴۰

امواج ضربه ای كه به وسیله رنكین، هیوگونیت، ریلی و تیلر مورد بررسی قرار گرفت در آن زمان به صورت تحقیق بر روی یك مسئله آكادمی در نظر گرفته می شد. كاربرد این تئوری تا ۳۰ سال بعد یعنی تا زمان گرایش علاقه ها به سمت وسائل نقلیه مافوق صوت در خلال جنگ دوم جهانی شروع نشده بود. به هر حال این یك مثال كلاسیك از مزایای تحقیقات پایه است حتی با وجود اینكه چنین كار هایی در آن زمان مبهم به نظر می آمد و وجود تئوری موج ضربه ای امكان پیشرفت پرواز مافوق صوت در سال های ۵۰-۱۹۴۰ را ممكن ساخت. با استفاده از تونل با دو دستگاه آشكار ساز امواج می توان امواج ضربه ای را روی یك مدل جسم پرنده مشاهده كرد.

با تشكر از صنایع هوافضا

راحله آهنی