پیشرانه‌ای جدید برای احیای پروازهای مسافربری مافوق صوت

طرحی جدید برای ساخت یک هواپیمای مافوق صوت بی‌صداتر و کم‌مصرف‌تر از کنکورد می‌تواند ما را به عصر پروازهای فوق سریع هوایی بازگرداند.

در گذشته‌ای نه چندان دور یک غرش بزرگ در فرودگاه هیثرو در لندن، پر رفت‌و‌آمد‌ترین فرودگاه اروپا، شروع حرکت پرواز BA001 به مقصد نیویورک را اعلام می‌کرد. این غرش مهیب ناشی از تزریق سوخت به چهار پس‌سوز یک هواپیمای مسافربری بود تا نیروی پیشرانش لازم برای تیک‌آف هواپیما را تأمین کنند. اندکی بعد خلبان هواپیما دوباره پس‌سوزهای موتور را روشن می‌کرد تا هواپیمای خود را به سرعتی بیشتر از سرعت صوت رسانده و مسافرانش را پس از سه و نیم ساعت در آن سوی اقیانوس اطلس در فرودگاه جی‌‌اف‌کندی در نیویورک پیاده کند. این هواپیما کنکورد نام داشت.

اما کنکورد اکنون در موزه‌ها نگه‌داری می‌شود. تاریخ سفرهای هوایی ماوراصوتی در سال ۲۰۰۳ به سر آمد، زمانی‌که در ۲۴ سپتامبر آخرین پرواز کنکورد از نیویورک به مقصد لندن به زمین نشست. سقوط هواپیمای کنکورد متعلق به شرکت هواپیمایی ایر فرانس در سال ۲۰۰۰ بر بازنشستگی کنکورد بی‌تاثیر نبود؛ اما دلایل اصلی چیز دیگری بود. یکی از دلایل کنار گذاشتن کنکورد، المپیوس، موتور ساخت رولزرویس و شرکت هواپیماسازی فرانسوی اسنکما بود.

این موتور به همراه پس‌سوزهای خود مصرف سوخت زیادی داشت و ازاین‌رو پرواز این هواپیما را از لحاظ اقتصادی بسیار هزینه‌بر می‌کرد. دومین دلیل، امواج شوکی ایجاد شده در اثر شکستن دیوار صوتی توسط کنکورد (وقتی که به سرعتی بالاتر از سرعت صوت می‌رسید) بود. این موضوع باعث می‌شد که کنکورد برخلاف پرواز روی اقیانوس، در حین پرواز بر فراز نواحی مسکونی، و به‌طور کلی‌تر بر فراز زمین زیر سرعت صوت انجام گیرد. پرواز کم‌تر از سرعت ۱ ماخ برای المپیوس که موتوری مخصوص سرعت بالای صوت بود، یک فاجعه‌ی تجاری محسوب می‌شد.

گفتنی است کنکورد می‌توانست به حداکثر سرعت ۲ ماخ دست یابد. البته کنکورد تنها هواپیمای مسافربری با قابلیت پرواز مافوق صوت نبود. هواپیمای توپولف TU-144 ساخت اتحاد جماهیر شوروی تقلیدی از کنکورد بود. مهندسان روس به کمک جاسوسان آن کشور و هزاران سند دزدیده‌شده توسط آن‌ها که مرتبط با طراحی کنکورد بود، دست به کار ساخت یک نمونه‌ی مشابه زدند. اما دانش فنی پایین و شتاب زمامداران اتحاد جماهیر شوروی برای رونمایی از هواپیمای مسافربری مافوق صوت پیش از رونمایی از کنکورد ساخته‌شده توسط فرانسه و بریتانیا با هدف اثبات برتری خود منجر به ساخت هواپیمایی شد که تنها چهار سال در خدمت ناوگان هوایی آن کشور بود.

مقاله‌های مرتبط:

با اینکه توپولف TU-144 (تصویر آن را در پایین مشاهده می‌کنید) از کنکورد سریع‌تر و بزرگ‌تر بود؛ اما کیفیت ساخت پایین و طراحی پر نقص آن بسیار زود آشکار شد. برای مثال برخلاف کنکورد، پس‌سوزهای موتور توپولف TU-144 باید همیشه روشن می‌ماندند که این امر باعث مصرف سوخت بسیار بالای این هواپیما و کاهش شعاع پروازی آن می‌شد. مانورپذیری هواپیما در سرعت‌های پایین بسیار کم بود؛ به‌گونه‌ای که برای کنترل بهتر، دو بال کوچک در نزدیکی دماغه هواپیما تعبیه شده بود. این دو بال کوچک در سرعت‌های پایین باز می‌شدند. از طرف دیگر فرود آن بسیار پرتکان بود و برای توقف کامل به پاراشوت احتیاج داشت. همچنین صدای موتور این هواپیما به قدری زیاد بود که مسافران در داخل آن نمی‌توانستند صدای یکدیگر را بشنوند و برای برقراری ارتباط باید از قلم و کاغذ استفاده می‌کردند. این موضوعات به همراه مشکلات مکانیکی بی‌شمار، عدم علاقه‌ی مردم شوروی برای پرواز و البته هزینه‌ی ساخت، نگه‌داری و پرواز بالای توپولف TU-144 باعث شد این هواپیما بسیار زود کنار گذاشته شود.

توپولوف شوروی مافوق صوت

اما کنکورد و توپولوف TU-144 متعلق به گذشته هستند. اکنون دانش مهندسی پیشرفت بسیار زیادی کرده است، مواد محکم‌تر و سبک‌تر شده‌اند. آیرودینامیک و فیزیک امواج صوتی و شوک‌های ناشی از آن بهتر درک شده‌اند. همچنین درک نیاز بازار به سفرهای هوایی مافوق‌صوت نیز منطقی‌تر و واقع‌بینانه‌تر شده است. به‌همین دلیل چند گروه از مهندسان هواپیماسازی دنیا دوباره به موضوع هواپیماهای مافوق‌ صوت علاقه‌مند شده‌اند. برخی از شرکت‌ها به توسعه‌ی هواپیماهایی با نصف ظرفیت سرنشین کنکورد علاقه‌مند هستند؛ در حالی برخی از آن‌ها به‌دنبال طراحی و ساخت هواپیماهای کوچک‌تر یعنی جت‌های تجاری با ظرفیت حمل سرنشین محدودتر هستند.

اخیرا احتمال ساخت و پرواز چنین هواپیماهایی در آینده بسیار بیشتر شده‌ است. جنرال الکتریک، یکی از بزرگ‌ترین سازندگان موتورهای جت با همکاری یک گروه از مهندسان شرکت آئریون، یک شرکت مهندسی واقع در نوادا درصدد طراحی یک موتور جت مافوق ‌صوت به نام افینیتی Affinity است. این دو شرکت امیدوارند، افینیتی اولین موتور جت مخصوص هواپیماهای تجاری مافوق صوتی پس از المپیوس لقب گیرد. لازم به ذکر است موتور المپیوس در اصل برای بمب‌افکن‌های بریتانیایی طراحی شده بود؛ اما نیم‌ قرن پیش به‌منظور استفاده در هواپیماهای مسافربری بازطراحی شد.

درک نیاز بازار به سفرهای هوایی مافوق‌صوت نیز منطقی‌تر و واقع‌بینانه‌تر شده است

هدف شرکت‌های جنرال‌ الکتریک و آئریون این است تا با استفاده از سه موتور افینیتی بتوانند نمونه‌ی آزمایشی از هواپیمای آئریون AS2 با ظرفیت حمل ۱۲ سرنشین را ساخته و به پرواز در آورند. هواپیمای AS2 که پرواز اصلی آن برای سال ۲۰۲۳ برنامه‌ریزی شده است، دارای حداکثر سرعت پروازی ۱.۴ (یک و چهار دهم) ماخ خواهد بود. این سرعت کم‌تر از سرعت نهایی کنکورد (۲ ماخ) است. اما جنرال الکتریک ادعا می‌کند که موتور افینیتی برخلاف المپوس در سرعت‌های بالاتر و پایین‌تر از سرعت صوت عملکرد یکسانی خواهد داشت و همچنین با تمام قوانین زیست‌محیطی و صوتی آتی در فرودگاه‌ها مطابقت خواهد داشت.

تحت قوانین فعلی، AS2 نیز مجبور خواهد بود بر فراز زمین با سرعتی کم‌تر از سرعت صوت حرکت کند، بااین‌حال این موضوع ممکن است در آینده دستخوش تغییر شود. طراحی این موتور می‌تواند به‌گونه‌ای تغییر کند که سرعت هواپیمای تجاری را به ۱.۸ (یک و هشت دهم) ماخ نیز برساند و راه را برای طراحی و ساخت هواپیماهای مسافربری مافوق‌ صوت بزرگ‌تر هموار کند.

فورس ماژور

همانند دیگر موتورهای جت، موتور افینیتی نیز به نیروی پیشرانشی که از قانون سوم نیوتن تبعیت می‌کند برای به پیش بردن هواپیما استفاده می‌کند. (قانون سوم نیوتن بیان می‌کند که برای هر کنشی یک واکنش با اندازه‌ی یکسان اما در خلاف جهت آن وجود دارد). موتور جت درواقع توده‌ی هوا را از ورودی موتور گرفته و آن را با سرعت بسیار بیشتری از خروجی خود به عقب پرتاب می‌کند. عکس‌العمل این عمل باعث می‌شود یک نیروی روبه جلو به موتور وارد شود و آن را به همراه تمام بخش‌هایی که به آن متصل است (یعنی بدنه‌ی هواپیما را) به جلو براند.

در یک موتور جت ساده، هوا ابتدا توسط یک کمپرسور فشرده می‌شود و سپس با سوخت ترکیب شده و در مرکز احتراق موتور شعله‌ور می‌شود تا گاز خروجی پرفشار حاصل از آن از نازل‌های موتور به بیرون پرتاب شود. موتورهای جت مدرن امروزی از قسمتی از گاز خروجی برای به حرکت درآوردن یک شفت استفاده می‌کند. این شفت به یک فن متصل است که در نزدیکی ورودی هوای موتور تعبیه شده است.

این فن قسمتی از هوای ورودی، به نام هوای بای‌پس را، به سمت محیط خارجی و پوسته‌ی داغ موتور هدایت کرده و از پشت آن خارج می‌کند و در نتیجه‌ی نیروی پیش‌رانش بیشتری تولید می‌شود. پیش‌رانش بای‌پس نسبت به نیروی پیش‌رانش تولیدشده در مرکز احتراق موتور از لحاظ اقتصادی به صرفه‌تر است؛ اما مقدار آن کم‌تر است.

هواپیمای آئرون مافوق صوت

به‌همین دلیل یک هواپیمای مافوق صوت دارای نسبت بای‌پس کوچکی است (در اغلب هواپیماهای نظامی این نرخ در حدود یک به یک است). در یک هواپیمای مسافربری نرخ نیروی پیش‌رانش بای‌پس به پیش‌رانش اصلی (که علاوه‌بر صرفه‌‌ی اقتصادی ازطریق کاهش مصرف سوخت باعث کاهش صدای تولید شده توسط موتور می‌شود) ممکن است حتی ۱۰ به یک باشد. به این نوع موتورها موتور توبوفن می‌گویند.

اما موتور افینیتی حد میانه‌ی این دو نوع موتور جت است و درواقع در طراحی آن از ترکیب تکنولوژی موتورهای نظامی و غیرنظامی استفاده شده است. با اینکه طراحان افینیتی نرخ واقعی بای‌پس موتور را آشکار نکرده‌اند (همان طراحی سایر قسمت‌های مهم هواپیما که تاکنون به‌صورت یک راز باقی مانده است)، اما اعلام کرده‌اند که موتور افینیتی دارای نرخ بای‌پس متوسطی است و البته دارای فن بزرگتری نسبت به هواپیماهای مافوق صوت دیگر است. همچنین این موتور دیگر به پس‌سوزهای پرمصرف نیز، نیازی نخواهد داشت.

موتور افینیتی باید در داخل قالب بدنه‌ هواپیما جاسازی شود

رسیدن به چنین پیشرفت بزرگی در سایه‌ی پیشرفت‌های علمی در دیگر حوزه‌های علمی و مهندسی نظیر پوشش‌های حرارتی، مهندسی صدای موتور و تولید مواد مستحکم و سبک مانند فیبرکربن میسر شده است. همچنین روش‌های تولید و ساخت جدید مواد مانند پرینت ۳ بعدی نیز در توسعه‌ی طراحی AS2 تأثیرگذار بوده است. از طرف دیگر نباید از همکاری شرکت‌های دیگر نظیر غول هوافضایی لاکهید مارتین و شرکت هانی‌ول، که در زمینه‌ی ساخت تجهیزات الکترونیکی هوافضا فعالیت می‌کند، چشم‌پوشی کرد.

یکی از چالش‌های طراحی خاصی که برد موتییر، یکی از مدیران اجرایی جنرال الکتریک که در این پروژه مشغول به کار است، این بود که برخلاف موتورهای جت معمولی که از بال‌های هواپیما آویزان می‌شوند، موتور افینیتی باید در داخل قالب بدنه‌ی هواپیما جاسازی شود. طبق قوانین آیرودینامیک این کار باعث افزایش راندمان موتور می‌شود.

همچنین تلفیق موتور در بدنه‌ی هواپیما باعث کاهش قدرت بمب‌های صوتی تولیده شده می‌شود. بمب‌های صوتی درواقع در اثر انباشت لایه‌های هوا در مقابل قسمت‌های مختلف هواپیما، به‌خصوص دماغه، بال‌ها و ورودی موتور‌ها ایجاد می‌شوند. این هوای انباشت‌شده سپس تبدیل به امواج شوکی می‌شود که حاوی انرژی زیادی هستند. وقتی این امواج به زمین می‌رسند، شنونده صدای مهیبی شبیه به صدای انفجار می‌شنود. جاسازی موتور در قالب هواپیما به همراه برخی طراحی‌های آیرودینامیکی دیگر از جمله طراحی بسیار دراز دماغه‌ی هواپیما می‌تواند تا حد زیادی از تولید بمب‌های صوتی توسط هواپیما جلوگیری کند.

کنکورد

اما بعد از تولید بمب صوتی توسط هواپیما، AS2 از یک سیستم‌ کنترلی برای کم کردن تاثیر آن استفاده خواهد کرد. این کار می‌تواند شانس پرواز آن بر فراز سطح زمین را در آینده بیشتر کند. این سیستم کنترلی وضعیت اتمسفریک اطراف هواپیما را به‌طور مستمر پایش می‌کند. به این ترتیب مهندسان طراح AS2 امیدوار هستند با استفاده از این سیستم از پدیده‌ای به نام کات آف ماخ بهره جویند. در این فرایند بمب‌های صوتی تولیدشده به‌سمت لایه‌های ضخیم‌تر هوا در ارتفاع‌های پایین هدایت می‌شوند تا توسط آن‌ها دچار انکسار شوند.

اگر بمب‌های صوتی یا همان امواج صوتی پرانرژی به‌اندازه‌ی کافی توسط لایه‌های ضخیم هوا دچار انکسار شوند، به‌نوعی دچار انعکاس‌های متعدد بین لایه‌های هوا شده و انرژی خود را از دست می‌دهند و در نتیجه هیچ‌گاه به زمین نمی‌رسند. سیستم کنترلی هواپیما می‌تواند اطلاعات مربوط‌ به لایه‌های هوا را به خلبان خودکار هواپیما ارسال کند تا هواپیما را از بین لایه‌های ضخیم‌تر عبور داده و به این ترتیب از پدیده‌ی کات آف ماخ نهایت استفاده صورت گیرد.

کارشناسان هوافضا هم‌اکنون در حال آزمایش این نظریه‌ها هستند. در ماه نوامبر یک فروند جت F/A-18 به درخواست ناسا و تحت نظارت این آژانس، تعدادی مانور فراصوتی در بخشی از ایالت تگزاس انجام داد. اکنون مشخص شده است که ناسا درواقع در حال آزمایش روی احتمال و میزان ازبین‌بردن تاثیر بمب صوتی با استفاده از پدیده‌ی کات آف ماخ بوده است. ماموران ناسا به‌منظور ارزیابی تاثیر این پدیده دستگاه‌های سنجش صدا روی زمین نصب کردند و همچنین از بیش از ۴۰۰ فرد ساکن در آن محل سؤال کردند که آیا صدای بلند به خصوصی شنیده‌اند یا نه. بسیاری از مصاحبه‌شوندگان گفتند که صدایی نشنیدند؛ این در حالی‌ بود که برخی دیگر صدایی مانند بسته شدن در خودرو شنیده بودند.

مقاله‌های مرتبط:

ناسا در سال‌های پیش‌رو قصد دارد یک پرواز آزمایشی مافوق صوت بر فراز آمریکا انجام دهد تا روش‌های جدید کم کردن صدای بمب‌های صوتی رسیده به سطح زمین را آزمایش کند. اگر این آزمایش با موفقیت همراه شود، می‌تواند قوانین مربوط‌به پرواز هواپیماهای مسافربری مافوق صوت را دستخوش تغییر کند، مانند هواپیمای AS2 که هنوز طبق قوانین از پرواز ماوراصوتی آتی بر فراز سطح زمین محروم است. اگر مهندسان راهی کم‌هزینه و کارآمد برای بی‌صداتر کردن پروازهای مافوق صوتی بیابند، شاید این پرنده‌های سریع آینده‌ای درخشان‌تر از کنکورد پیش روی خود داشته باشند.

مطالب مرتبط

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *