لینک‌های قابلیت دسترسی

logo-print
جمعه ۹ مهر ۱۳۹۵ تهران ۱۳:۳۳ - ۳۰ سپتامبر ۲۰۱۶

سریع ترین هواپیماهای جهان به کدام سمت می‌روند؟


نسخه اولیه، ایکس-۴۳ بیش از هفت برابر سرعت صوت در حدود ۸۰۵۰ کیلومتر در ساعت را در ارتفاع ۳۰ کیلومتری زمین را تجربه کرد.

نسخه اولیه، ایکس-۴۳ بیش از هفت برابر سرعت صوت در حدود ۸۰۵۰ کیلومتر در ساعت را در ارتفاع ۳۰ کیلومتری زمین را تجربه کرد.

سال‌هاست که هواپیماهای مسافربری از خیر رسیدن به سرعت بالای صوت گذشته‌اند. در میان هواپیماهای آزمایشی یا جنگی یا برخی مدل‌ها که توسط ناسا در حال توسعه هستند هم همچنان گذشتن از سرعت‌های بالاتر از پنچ برابر سرعت صوت چندان قابل دستیابی نبوده است. در میان هواپیماهای نظامی ‌معمولا حداکثر دو برابر سرعت صوت و در هواپیماهای تحقیقاتی هم تا ۵ برابر سرعت صوت دست یافتنی شده است با این همه ناسا سعی دارد کمی ‌این مرزها را تغییر دهد.

اما چرا طراحی هواپیمایی با سرعت بالای صوت این قدر هزینه‌بر و از نظر فنی مشکل است؟

به بیان ساده، سیالاتی مانند هوا که قابل فشرده شدن هستند با امواج صوتی از مسیر جریان آگاه می‌شوند و خود را با آن مطابقت می‌دهند. حال اگر سرعت به بالای سرعت صوت برسد، پیش از آن که هوا بتواند خود را با جریان هماهنگ کند برخورد بین هواپیما و هوا رخ می‌دهد. این برخورد سبب به وجود آمدن موج‌های ضربه‌ای می‌شود که معمولا به شکسته شدن سرعت صوت معروف است. برخلاف تصور اشتباه رایج، شکست دیوار صوتی فقط زمانی روی نمی‌دهد که سرعت هواپیما از سرعت صوت بیشتر شود، چون هواپیما مادامی‌که با سرعت‌های مافوق صوت در حال پرواز است چنین موج‌های فشاری را که باعث بروز صدای انفجارمانند می‌شود ایجاد می‌کند.

از طرفی سرعت که به بالای سرعت صوت برسد، بسیاری از قوانین فیزیک سیالات وارونه عمل می‌کنند. به دلیل چنین شرایطی طراحی بال و بدنه در هواپیماهایی که سرعت بالای صوت دارند با هواپیماهای عادی متفاوت است، به دلیل شکل گرفتن موج‌های ضربه‌ای در سرعت بالای سرعت صوت، احتیاج به تقویت بدنه و مهندسی بهتر در سازه هواپیما است و مصرف سوخت هم به دلیل موج‌های ضربه‌ای به شدت افزایش پیدا می‌کند.

هم اکنون به دلیل تولید صدای بالا، بیشتر کشورها به هواپیماهای مسافربری با سرعت بالای سرعت صوت اجازه تردد نمی‌دهند.

البته این موضوع برای هواپیماهای نظامی ‌و تحقیقاتی صادق نیست با این همه همچنان مشکلات آیرو دنیامیک و طراحی موتور‌های جدید بزرگترین سد برای افزایش سرعت هواپیماهای ما فوق صوت است.

در حال حاضر ناسا برنامه ای را برای توسعه و رشد هواپیماهای ما فوق صوت در نظر گرفته است. این افزایش سرعت در قالب طرح ایکس گنجانده شده است.

هواپیماهای ایکس، یک سری از هواپیما، راکت و هلیکوپتر هستند که برای آزمایش و ارزیابی فناوری‌های جدید و مفاهیم آیرودینامیکی ایالات متحده آمریکا ساخته می‌شود. اطلاعات برخی از این پروژه‌ها در اختیار همگان قرار می‌گیرد و برخی مانند ایکس-۱۶ سری هستند.

پروژه هواپیماهای ایکس تا کنون کمک زیادی به پیشرفت دانش هوانوردی کرده است به عنوان مثال ایکس یک اولین هواپیمایی بود که توانست دیوار صوتی را بشکند و ایکس دو اولین هواپیمایی بود که توانست به سرعت سه برابر صوت برسد سرعتی که همچنان برای بیشتر هواپیماهای جنگنده دنیا غیر قابل دستیابی است.

در میان پروژه ایکس بیشترین سرعت متعلق به هواپیمای ایکس ۱۵ بوده است هواپیمایی که همچنان هم رکورد بیشترین سرعت یک هواپیما دارای سرنشین را در اختیار دارد.

ایکس ۱۵ از موتور راکت به عنوان پیشرانه استفاده می‌کرد. در ابتدای دهه ی شصت ایکس-۱۵ رکورد بیشترین سرعت و ارتفاع را با رسیدن به مرز فضا برای خود ثبت کرد. تا به امروز نیز ایکس-۱۵ رکورد رسمی‌سریعترین هواپیمای سرنشین‌دار را با حداکثر سرعت ۷۲۷۴ کیلومتر در ساعت در اختیار دارد.

در میان هواپیماهای غیر تحقیقاتی تنها پرنده سیاه توانسته است با سرعت سه برابر سرعت صوت بیش از ۴۰ سال عملیاتی باشد در مجموع ۳۲ فروند از این هواپیما ساخته شد.

سرعت پرواز عادی این هواپیما ۳.۳ ماخ در ارتفاع ۲۴ هزار متری بود. سرعت بالا و ارتفاع پروازی بسیار بالای این هواپیما باعث می‌شد تا در مقابل هر تهدیدی چه از ناحیه پدافند موشکی زمینی و چه از ناحیه جنگنده‌های رهگیر دشمن ایمن باشد. در عمل نیز در طول نزدیک به ۴ دهه فعالیت این هواپیما هیچگاه حتی یک فروند از آن مورد تهدید دشمن قرار نگرفت.

مشکل اصلی در طراحی این هواپیما حرارت تولید شده در سرعت‌های بالا بود، در نتیجه استفاده از مواد معمول در ساخت این هواپیما میسر نبود لذا در ساخت بدنه این هواپیما از تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم استفاده شد.

پس از پرنده سیاه هیچ هواپیمای با سرنشینی با سرعت بالای سه برابر صوت ساخته نشد.

البته در سال ۲۰۰۱ ناسا پروژه ایکس-۴۳ را با موفقیت آزمایش کرد. نسخه اولیه، ایکس-۴۳ بیش از هفت برابر سرعت صوت در حدود ۸۰۵۰ کیلومتر در ساعت را در ارتفاع ۳۰ کیلومتری زمین را تجربه کرد. سه نمونه از ایکس-۴۳ ساخته شده که نمونه اولیه در اقیانوس آرام سقوط کرد ولی دو نمونه دیگر با موفقیت پرواز کردند. با این همه این هواپیما‌ها همچنان قابلیت پرواز‌های طولانی و عملیاتی را نداشتند و از فاز آزمایشگاهی فراتر نرفتند هم اکنون ناسا در حال آزمایش هواپیماهای بدون سرنشین ایکس ۵۱ است هواپیمایی که می‌تواند به سرعت بالای ۶ برابر سرعت صوت برسد. هواپیمای ایکس-۵۱ تست مافوق صوت شش برابر سرعت صوت (۶۴۰۰ کیلومتر در ساعت) در سال ۲۰۱۰ را با موفقیت انجام داد. این هواپیما همچنین طولانی ترین مدت زمان پرواز در سرعت‌های بیش از پنچ برابر سرعت صوت را تا کنون بدست آورده است.

هم اکنون بزرگترین مشکل در کنار دمای بالای و تغییر رفتار گازها در سرعت‌های چند برابر سرعت صوت طراحی یک موتور کار آمد در چنین شرایطی است. برای سرعت‌های بالای سه برابر سرعت صوت موتور‌های رم جت کار برد دارند. البته این موتور‌ها که درون آن‌ها از توربین استفاده نشده در سرعت‌های زیر صوت توانایی کار کردن ندارند برای همین مهندسان باید موتورهای جدیدتری را توسعه می‌دادند که هم توانای کار کردن زیر سرعت صوت را داشته باشد هم بتواند نیروی لازم را برای پیمایش با سرعتی چندین برابر سرعت صوت را فراهم کند.

به همین دلیل در پرنده سیاه موتور‌های توربو رم جت استفاده شدند. این موتور از دو جزء ساخته می‌شود که شامل موتور رم جت و توربو فن است. در این نوع موتورها ابتدا برای شروع پرواز خلبان موتور توربوفن را روشن می‌کند بعد از این که موتور وهواپیما به سرعت یک ماخ یا نزدیک به آن رسید خود به خود موتور توربوفن خاموش شده و دریچه‌ی آن بسته می‌شود.

سپس هوای موجود به داخل موتور رم جت می‌رود و با فشار موجود در هوا، موتور روشن شده و در مدت کمی‌ هواپیما از سرعت یک ماخ به سه الی هفت ماخ می‌رسد.

در موتورهای توربوجت معمولی، هوا توسط کمپرسور فشرده و گرم شده و به درون اتاقک احتراق رانده می‌شود که در آنجا با سوخت مخلوط شده و پس از احتراق تولید گازهای پرفشار می‌کند. خروج این گازها از اگزوز تولید رانش به جلو می‌کند.

در موتور‌های جت و توربو فن برای سرعت هوای ورودی به داخل کمپرسور محدودیت وجود دارد. وقتی هواپیما به سرعت صوت نزدیک می‌شود هوای ورودی به داخل موتور با امواج شوک مانندی همراه است که می‌تواند باعث ایراد صدمه به کمپرسور شود.

در موتور رم جت کمپرسور و سایر اجزای متحرک مانند توربین وجود ندارد. بطور ساده هوا وارد اتاق احتراق شده و پس از ترکیب با سوخت می‌سوزد و تولید گازهای پرفشار می‌کند. تراکم هوا توسط سرعت بالای رو به جلوی جسم پرنده تامین می‌شود.

موتورهای رم جت نمی‌توانند زیر سرعت یک ماخ کار کنند زیرا به سرعت بالاتر برای متراکم کردن هوا در جلوی موتور نیاز دارند. سرعت بالاتر از شش ماخ نیز برای آنها دست نیافتنی است زیرا باعث داغ شدن گازهای احتراق تا حد تجزیه محصولات احتراق می‌شود. چاره کار در موتورهای اسکرم جت است.

در موتور اسکرم جت که در هواپیمای ایکس ۴۳ استفاده شده طراحی آیرودینامیکی جسم ورودی موتور اسکرم جت به گونه ای است که هوا را تنها تا حد احتراق در مدت چند هزارم ثانیه متراکم کند و در عین حال از سرعت هوای ورودی چندان کم نکند این امر بسیار پیچیده ای است. بدنه موتور و سایر قسمت‌های جسم پرنده نیز باید بسیار مستحکم باشد تا در برابر نیروهای آیرودینامیکی و ثقلی سرعت‌های بالا مقاومت کند.

موتورهای اسکرم جت می‌تواند سرعتی تا حد ۲۵ ماخ را نیز فراهم کنند. سقف پرواز قابل دسترسی توسط آنها نیز بسیار بالاتر از سایر موتورهای جت است. در حالی که موتورهای توربوجت مدرن حداکثر می‌تواند به ارتفاع ۴۰ کیلومتری دست یابند، این سقف برای رم جت ۵۵ و برای اسکرم جت ۷۵ کیلومتر یا حتی بالاتر است.

بالاترین سرعتی که تاکنون با موتور اسکرم جت حاصل شده توسط هواپیمای بدون سرنشین ایکس ۴۳ کلاس آ رخ داده است این مدل در ۱۶ نوامبر ۲۰۰۴ توسط ناسا با استفاده از یک بی ۵۲ به عنوان هواپیمای مادر به پرواز درآمده و به سرعتی معادل ۱۱۸۵۸ کیلومتر در ساعت دست یافته است.

به کمک موتورهای جدید ناسا به تازگی اعلام کرده که برنامه گسترده ای برای توسعه هواپیماهای مافوق صوت دارد شاید این تحقیقات در کوتاه مدت جواب ندهد ولی در دارز مدت این تحقیقات می‌تواند نوع و زمان سفرهای هوایی و فضای را دست خوش تغییرات اساسی کند.

نمایش نظرات

XS
SM
MD
LG