در حالی کمتر کسی شانس سفر با سرعت صوت را پیدا می‌کند، اما پرواز فراصوت یک هدف پرواز جذاب و یک شاهکار تکنولوژیکی چشمگیر است. اگر چه افراد زیادی در هواپیما‌های با سرعت بالا پرواز کرده اند، اما پرواز فراصوت تقریباً به طور انحصاری برای خلبانان جنگنده در جت‌های فراصوت با سرعت‌های بسیار بیشتر از ماخ ۱ در نظر گرفته شده است. با این حال، همیشه چنین نبوده و هواپیما‌های تجاری که می‌توانند دیوار صوتی را بشکنند، در گذشته نه چندان دور وجود داشته و مسافران را جابجا کرده اند.
به گزارش روزیاتو، اما شکستن دیوار صوتی و حرکت سریع‌تر از سرعت صوت به چه چیز‌هایی نیاز دارد؟ این فرآیندی است که شامل چالش‌های منحصر به فرد و مفاهیم علمی است که صرفاً بخشی از تجربه پروازی نیست که بیشتر مردم با آن آشنا هستند. محقق کردن بی نقص پرواز فراصوت یک فرآیند پر زحمت بود و تاریخچه‌ای طولانی در پس آن وجود دارد که بیش از نیم قرن پیش آغاز شد، جایی که اولین هواپیما توانست از سرعت ماخ ۱ عبور کند.
در این مطلب قصد داریم به بررسی این موضوع بپردازیم که پرواز فراصوت یا پرواز با سرعت بیشتر از سرعت صوت به چه معناست و چگونه امکان پذیر می‌شود.
شاید مهم‌ترین سوال هنگام بحث در مورد پرواز فراصوت، درک معنای دقیق این اصطلاح باشد. اساساً پرواز فراصوت به معنای هر نوع پروازی است که در آن هواپیما سریع‌تر از سرعت صوت حرکت می‌کند. ادوارد هارینگ، از محققان ناسا، محققی که روی غرش صوتی مطالعه می‌کند، آن را پروازی “سریع‌تر از سرعتی که امواج صوتی می‌توانند از مسیر خارج شوند” توصیف می‌کند که اغلب با نام ماخ ۱ شناخته می‌شود و به عنوان سرعتی که امواج صوتی در هوا حرکت می‌کنند، محاسبه می‌شود؛ بنابراین هواپیمایی که قادر به حرکت در ماخ ۱ است باید همزمان با یک موج صوتی یا هر نوع ارتعاش دیگری به مقصد خود برسد، بعد از اینکه از نقطه‌ای مشترک با این موج صوتی حرکت کند.
با این حال، هیچ سرعت مشخص و معینی برای صدا وجود ندارد. همانند سرعت صوت، حداکثر شتاب امواج صوتی به عوامل خارجی مختلفی از جمله دما و فشار هوا بستگی دارد. در سطح دریا با دمای ۱۵ درجه سانتی گراد، سرعت صوت حدود ۱،۲۱۶ کیلومتر در ساعت است. با این حال، این سرعت می‌تواند به طور قابل توجهی نوسان داشته باشد، زیرا سرعت صوت هر چه بالاتر می‌رویم در نتیجه افت دما، کاهش می‌یابد. این موضوع بدین خاطر است که مولکول ها، که ارتعاشات را در هوا یا مواد دیگر حمل می‌کنند، در دما‌های سردتر آهسته‌تر حرکت می‌کنند، بدین خاطر که انرژی کمتری دارند. به همین دلیل، ماخ ۱ به عنوان یک نسبت محاسبه می‌شود تا با توجه به شرایطی که هواپیما با آن‌ها مواجه است، تغییر کند.
به طور کلی، چهار طبقه بندی مختلف برای پرواز‌ها از نظر سرعت وجود دارد. این دسته بندی‌ها به طور کلی برای تعیین نوع پرواز، بسته به سرعت حرکت هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرند. سرعت مادون صوت یا ساب سونیک (Subsonic) به هر هواپیمایی اشاره دارد که آهسته‌تر از سرعت ماخ ۱ حرکت می‌کند، به این معنی که سرعت آن پایین‌تر از سرعت صوت است. تراصوتی یا Transonic هواپیما‌هایی را توصیف می‌کند که با سرعت صوت حرکت می‌کنند، معمولاً در محدوده بین ماخ ۰.۸ تا ۱.۲. در همین حال، پرواز فراصوت یا سوپرسونیک (supersonic) هر پروازی است که سریع‌تر از ماخ ۱ باشد.
دسته بندی چهارم، هایپرسونیک (hypersonic) یا مافوق صوت، نوع بسیار سریع تری از پرواز است که در آن یک هواپیما با سرعتی بیشتر از ماخ ۵ از جو عبور می‌کند. این یعنی آن‌ها به طور کلی باید سریع‌تر از ۳،۰۰۰ مایل در ساعت (۴،۸۰۰ کیلومتر در ساعت) حرکت کنند تا هایپرسونیک محسوب شوند. هواپیما‌هایی که می‌توانند با سرعت ماخ ۵ یا بیشتر حرکت کنند، در معرض شرایط کاملًا متفاوتی نسبت به دیگر هواپیما‌ها قرار می‌گیرند، زیرا مقدار زیادی گرما را تجربه می‌کنند. به گفته موزه ملی هوا و فضای ایالات متحده، حجم عظیم اصطکاکی که هواپیما‌ها در حین پرواز مافوق صوت، همزمان با عبور هوا از روی بدنه آن‌ها تجربه می‌کند، چالش اصلی در طراحی یک وسیله نقلیه کاربردی است.
رسیدن و عبور از سرعت صوت تاثیرات قابل توجهی دارد. اندازه یا شکل شیء اهمیتی ندارد؛ زمانی که چیزی از دیوار صوتی عبور می‌کند، یک غرش صوتی (sonic boom) ایجاد خواهد کرد. این موج شوک مانند یک انفجار یا صدای رعد و برق به نظر می‌رسد و به اندازه‌ای قوی است که باعث آسیب ساختاری به ساختمان‌های مجاور می‌شود و در اوج خود به ۱۱۰ دسی بل می‌رسد. غرش‌های صوتی به این دلیل ایجاد می‌شوند که شیء سریع‌تر از امواج صوتی که تولید می‌کند حرکت می‌کند.
هنگامی که هواپیمای فراصوت در هوا حرکت می‌کند، امواج صوتی از آن ساطع می‌شوند و در تمام جهات پراکنده می‌شوند. در حین شتاب گیری، امواج صوتی ساطع شده از جلوی هواپیما شروع به فشرده شدن با یکدیگر می‌کنند و در نهایت به دلیل این فشار به یک موج شوک بزرگ تبدیل می‌شوند. با این حال، غرش صوتی یک انتشار منفرد نیست و همراه با موجی که در کنار هواپیمای فراصوت هرکت می‌کند یک مخروط صوتی را شکل می‌دهد.
یک مثال خوب در این مورد صدای ناشی از شلاق است. این صدا ناشی از تماس ماده شلاق با خودش نیست بلکه ناشی از حلقه‌ای است که با سرعتی فزاینده در امتداد شلاق حرکت می‌کند تا اینکه در نهایت مانع صوتی را می‌شکند و باعث صدای بلندی شبیه ترک خوردن می‌شود. اساساً، صدای تند شلاق در واقع یک غرش صوتی کوچک است، زیرا بخشی از شلاق سریع‌تر از سرعت صوت حرکت می‌کند.
قبل از درک دقیق چگونگی ممکن بودن پرواز فراصوت، بسیار کمک کننده خواهد بود که بفهمیم پرواز مادون صوت یا ساب سونیک نرمال چگونه صورت می‌گیرد. فیزیک پرواز شامل چهار نیرویی است که به شکل لیفت، وزن، رانش و کشیده شدن به هواپیما وارد می‌شوند. وزن نتیجه گرانش است و کشیده شدن محصول اصطکاک هوا در حین حرکت هواپیما در هوا است. برای غلبه بر این دو نیرو، هواپیما باید نیروی رانش و بلند شدن کافی برای برخاستن از زمین و باقی ماندن در هوا را تولید کند.
موتور‌های هواپیما نیروی پیشران را تامین می‌کنند. این اجزا سوخت را سوزانده و توربین‌های می‌چرخانند، که باعث می‌شود هوا به سمت بیرون فشار داده شده تا هواپیما را به جلو پیش ببرند، در حالی که در سرعت‌های بالا نیاز به نیروی پیشرانه بیشتری است، زیرا اصطکاک در تناسب با شتای هوایی که روی سازه در جریان است، افزایش می‌یابد. در عین حال، شکل بال‌ها هوا را مجبور می‌کند تا به شیوه‌ای خاص هم در زیر و هم در بالای آن‌ها جریان یابد. این کار یک اختلاف فشار روی بال‌ها ایجاد می‌کند و به طور موثر هواپیما را مجبور به حرکت به سمت بالا می‌کند. زاویه حمله یک بال به هوای اطرافش می‌تواند بسته به نیاز هواپیما، لیفت کمتر و بیشتری ایجاد کند و به آن اجازه بالا رفتن یا حفظ ارتفاع در سرعت‌های مختلف را بدهد.
توقف در طول پرواز زمانی رخ می‌دهد که جریان هوا روی بال‌ها مختل شود. این اتفاق می‌تواند به این دلیل رخ دهد که هواپیما بسیار آهسته حرکت می‌کند یا زاویه حمله بال‌ها بسیار بالا است. در هر دو حالت، با آشفته شدن جریان هوا، بال‌ها دیگر نمی‌توانند قدرت لیفت کافی تولید کنند.
بسیاری از مفاهیم فیزیک که در طول پرواز عادی وجود دارند، در مورد هواپیمایی که سریع‌تر از سرعت صوت حرکت می‌کند نیز صدق می‌کنند. با این حال، ویژگی‌های دیگری نیز وجود دارند که باید در نظر گرفته شوند. نگرانی اصلی برای یک هواپیمای فراصوت، اصصکاک است. در سرعت‌های مافوق صوت، مولکول‌های هوا را نمی‌توان با سرعت کافی از مسیر پرواز خارج کرد، که سایش هوایی بسیار بیشتری نسبت به پرواز مادون صوت (فرو صوت) ایجاد می‌کند.
این سایش اضافی مشکلات متعددی ایجاد می‌کند و به این معنی است که هواپیما‌های فراصوت باید طراحی‌های متفاوتی با هواپیما‌های مسافربری معمولی داشته باشند. آن‌ها معمولا نازک و باریک خواهند بود که نحوه حرکت جت یا هواپیما در هوا را بهبود می‌بخشند و با کاهش میزان اصطکاک هوا، سایش را کاهش می‌دهند. به همین خاطر، هواپیما‌های فراصوت اغلب به صورت اشکال مثلثی صیقلی ساخته می‌شوند.
آن‌ها همچنین باید بتوانند دما‌های بالا را تحمل کنند، زیرا اصطکاک هوا باعث می‌شود که بدنه هواپیما به طور قابل توجهی داغ شود. مواد استاندارد مورد استفاده در صنعت هوانوردی تجاری ممکن است قادر به مقابله با این نوسانات دمایی نباشند و نیاز به آلیاژ‌های قوی و بادوام تری وجود دارد. در نهایت، موتور‌ها باید بسیار قدرتمندتر از موتور‌های به کار رفته در هواپیما‌های تجاری باشند تا نیروی پیشرانه لازم را فراهم کنند و بتوانند در ارتفاعات بالاترِ ضروری برای کمک به کاهش اصطکاک هوا پرواز کنند. با این حال، انتخاب طرح و قطعات نیز پرواز در سرعت‌های مادون صوت و فرا صوت را دشوارتر می‌کند.
پرواز فراصوت در دهه ۱۹۴۰ آغاز شد. تا حدودی بر اساس تحقیقات یک پروژه بریتانیایی برای ساخت هواپیمایی که بتواند دیوار صوتی را بشکند، کمپانی Bell Aircraft و سازمان‌های مختلف دولتی ایالات متحده برای ساخت هواپیمای Bell X-۱ همکاری کردند. اساساً مهندسان این پروژه آن را به شکل یک گلوله مدل سازی کردند، زیرا می‌دانستند که این اشیاء می‌توانند به راحتی سد صوتی را بشکنند. پس از آزمایش‌های گسترده، این هواپیمای با پیشرانه راکتی اولین پرواز فرا صوت خود را توسط یک خلبان آمریکایی به نام چارلز «چاک» ییگر در سال ۱۹۴۷ با رسیدن به سرعت ماخ ۱.۰۶ انجام داد. این موفقیت نشان داد که نه تنها سفر هوایی با سرعتی بیش از سرعت صوت امکان پذیر است بلکه می‌توان آن را به صورت کنترل شده نیز انجام داد.
پس از این موفقیت، ارتش‌های مختلف در سراسر جهان شروع به طراحی جت‌های جنگنده فراصوت کردند. در اوایل دهه ۱۹۵۰، هم ارتش ایالات متحده و هم اتحاد جماهیر شوروی جت‌های جنگنده‌ای توسعه داده بودند که قادر به سرعت سوپرسونیک بودند. این جنگنده‌ها شامل MiG – ۱۹ و F – ۱۰۰ D Super Sabre می‌شدند؛ هر چند مدل‌های دیگری نیز در طول سال‌های بعد تولید شدند. در واقع، در حال حاضر اکثر جنگنده‌های مدرن می‌توانند با سرعتی بسیار بالاتر از ماخ ۱ پرواز کنند، جنگنده‌هایی مانند F – ۳۵ و یوروفایتر تایفون. سریع‌ترین هواپیمای تاریخ SR-۷۱ Blackbird ساخت کمپانی لاکهید است که به سرعت حداکثری ماخ ۳.۲ رسید.
در مورد هواپیما‌های تجاری، تنها دو ایرلاین اصلی وجود دارند که می‌توانند با سرعتی بیشتر از سرعت صوت پرواز کنند. توپولف Tu – ۱۴۴ ساخت روسیه در سال ۱۹۷۵ فعالیت خود را آغاز کرد، اما تنها چند سال بعد در سال ۱۹۷۸ بازنشسته شد. در همین حال، کنکورد فرانسوی – بریتانیایی در سال ۱۹۷۶ وارد خدمت شد و تا سال ۲۰۰۳ که رسما، بازنشسته شد، به حمل و نقل مسافران با سرعت بیش از سرعت صوت ادامه داد. کنکورد سرعت بسیار بالای Mach ۲.۰۴ داشت.
اگر چه هواپیما‌های فراصوت از نقطه نظر فناوری قابل توجه هستند، اما نسبت به ابزار‌های سنتی سفر‌های هوایی، بیشتر در مقابل خطرات خاص، آسیب پذیر هستند. بزرگترین چالش، ساخت وسیله نقلیه‌ای است که به اندازه کافی برای پرواز سوپرسونیک قوی باشد. سفر سریع‌تر از سرعت صوت به دلیل نیرو‌های شدیدی که به آن وارد می‌شود و تغییرات ناگهانی در فشار مربوط به غرش‌های صوتی، فشار زیادی را بر ساختار هواپیما وارد می‌کند. اصطکاک هوا نیز یک خطر دیگر است، زیرا باعث تنش حرارتی می‌شود در شرایطی که اجزای بدنه داغ شده و به سرعت منبسط می‌شوند. ارتعاشات شدید در طول شتاب گرفتن و ترمز نیز رایج است که فشار مضاعفی به اجزا و فریم هواپیما وارد می‌کند.
خطرات پرواز فراصوت تنها به هواپیما محدود نمی‌شود. سرعت بالاتر به این معنی است که خلبانان زمان کمتری برای واکنش نشان دادن به مسائل یا عیب یابی مشکلات احتمالی دارند. اگر یک هواپیمای با سرعت فراصوت در نزدیکی مناطق پرجمعیت باشد و در همان حال با مشکل مواجه شود، این موضوع می‌تواند حوادث فاجعه بار را ویرانگرتر کند. غرش‌های صوتی نیز مخرب بوده و قادر به ایجاد آسیب ساختاری به ساختمان‌های روی زمین یا خرد کردن پنجره‌ها هستند. همچنین نگرانی‌هایی در مورد آسیب شنوایی احتمالی به کسانی که ممکن است غرش صوتی و آلودگی صوتی عمومی را تجربه کنند، وجود دارد.
خطر بزرگ دیگر در مورد هواپیما‌های فراصوت این است که آن‌ها سوخت بسیار بیشتری نسبت به همتایان مادون صوت خود مصرف می‌کنند. برای غلبه بر اصطکاک افزایش یافته ناشی از حرکت در این سرعت‌های بالا، موتور‌ها به قدرت بیشتر و سطح سوخت بالاتری نیاز دارند. این نوع هواپیما‌ها همچنین معمولا سنگین‌تر هستند، زیرا باید قوی‌تر باشند و در ارتفاعات بالاتر کار کنند – هر دو عاملی که بهره وری سوخت را کاهش می‌دهند. در نهایت، پرواز فراصوت آلایندگی سوختی بیشتری نسبت به دیگر اشکال پرواز ایجاد می‌کند.
تنها هواپیمای مسافربری با توانایی پرواز فراصوت در بلند مدت در جهان، کنکورد بود که از سال ۱۹۷۶ تا ۲۰۰۳ توسط ایر فرانس و بریتیش ایرویز استفاده می‌شد. این هواپیما که عمدتاً برای پرواز‌های فرااقیانوسی و بین اروپا و آمریکا استفاده می‌شد، می‌توانست با سرعت کروز ماخ ۲ یا تقریبا ۲،۱۶۰ کیلومتر در ساعت حرکت کند. با این حال، کنکورد به دلایل متعددی بازنشسته شد که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به هزینه‌های عملیاتی بالای آن اشاره کرد که پرواز با آن را برای اکثر مسافران بسیار پرهزینه و گرانقیمت می‌کرد. مشکلات مربوط به غرش‌های صوتی نیز به این معنی بود که آن‌ها نمی‌توانستند در سرعت‌های فراصوت بر فراز مناطق پرجمعیت پرواز کنند بنابراین تنها می‌توانستند در مسیر‌های پروازی خاص پرواز نمایند.
خطرات پرواز فراصوت و هزینه‌های مربوط به آن باعث شده است که کار با هواپیما‌هایی که می‌توانند سریع‌تر از سرعت صوت در یک ظرفیت تجاری حرکت کنند، دشوار باشد. با این حال، این موضوع شرکت‌ها را از بررسی امکان بازگرداندن هواپیما‌های مسافربری فراصوت باز نداشته است. هر دو شرکت آمریکن ایرلاینز و یونایتد ایرلاینز سفارش هواپیما‌های فراصوت را به شرکت Boom Supersonic داده اند. این احتمال وجود دارد که این هواپیما‌های جدید تا سال ۲۰۲۹ عملیاتی شوند.
یک سازمان اروپایی به نام Destinus نیز یک پرواز با سوخت هیدروژنی را پیشنهاد کرده است که قادر به پرواز با سرعت ماخ ۵ خواهد بود. این شرکت در حال حاضر چندین پرواز آزمایشی را به پایان رسانده و امیدوار است در سال ۲۰۲۴ یک پرواز هیدروژنی فراصوت داشته باشد. نسخه‌های مفهومی دیگری از هواپیما‌های فراصوت بالقوه نیز در حال توسعه است که می‌توانند زمان پرواز در سراسر جهان را به طور چشمگیری کاهش دهد.
