دیوارصوتی

[joshua]

دیوارصوتی چگونه شکسته می شود ؟دراین زمان چه چیزی رخ می دهد؟

[امیرکاوه]

ببنید دیوار صوتی یک نقطه و سرحد سرعت صوت هست که اگر بخواهیم به مافوق صوت برسیم باید اصطلاحا دیوار صوتی را بکشنیم . شکستن این دیوار در کل به معنای شکستن سرعت صوت هست که این کار اولین بار در 1950 اتفاق افتاد .

[joshua]

میشه بهترتوضیح بدید؟چی میشه که اینطوری میشه!؟

[mahdi :D]

وقتی هواپیما داره حرکت می کنه صدای هواپیما (موتور و باله ها و...) که به سمت جلو منتشر میشه از هواپیما سریعتر میره جلو (هنوز هواپیما به سرعت صوت نرسیده)
صوت هم که میدونید موجی هست که باعث فشردگی هوا در قله موج و باعث افت فشار در حفره های موج میشه (مولکول ها در بعضی قسمتی از هوا فشرده یا باز میشن از هم)

حالا هواپیما که به سرعت صوت میرسه (عکس بالا) یک موج صوتی فرستاده به جلو که باعث فشرده شدن هوا میشه. این فشردگی داره با سرعت صوت به جلو حرکت می کنه. اما هواپیما هم داره با همین سرعت حرکت می کنه.
وقتی اون فشردگی هوا (قله موج صوتی) یک متر جلو رفت، هواپیما هم یک متر جلو رفته. در همین حین هواپیما داره بازهم صدا تولید می کنه که یعنی داره روی همون فشردگی دوباره یک فشردگی تولید میکنه.
این میشه که قسمتی از هوای جلوی هواپیما به شدت فشرده شده و قسمتی شبیه خلاء میشه.
وقتی هواپیما به سرعت صوت میرسه با این دیواره ی فشرده هوا برخورد می کنه که عبور ازش کار خطرناکیه (لرزش های شدید در هواپیما ایجاد می کنه) اما اگه سرعتش بیشتر بشه دیگه خطری نداره!
امیدوارم منظورم رو رسونده باشم

[pndei]

هر چه دما و فشار کاهش یابد، سرعت صوت کم می شود، به طوری که برای هواپیمایی در ارتفاع 35هزار پایی - جایی که دما 54- درجه است سرعت صوت به 295متر در ثانیه یا 1060کیلومتر در ساعت می رسد. این جبهه های موج پرفشار جلوی یک هواپیما که با سرعتی در آستانه سرعت صوت حرکت می کند جمع شود. در این صورت جبهه ها همدیگر را تقویت می کنند و یک موج فشار با دامنه بسیار زیاد تشکیل می دهند. این موج ، نیروی مقاومت هوا را زیاد می کند و باعث کاهش نیروی بالابر و دشواری کنترل هواپیما می شود. وقتی سرعت هواپیما با افزایش توان از سرعت صوت پیشی می گیرد، از این سد و دیوار صوتی عبور می کند و به اصطلاح دیوار صوتی را می شکند. شدت موج رسیده به زمین به ارتفاع هواپیما و اندازه آن بستگی دارد. اگر هواپیما به قدر کافی به زمین نزدیک باشد موج فشار می تواند آنقدر قوی باشد که باعث شکستن شیشه ها، تخریب ساختمان های سست و یا کاهش شنوایی افراد شود.
شکستن دیوار صوتی یا گذشتن از سرعت صوت ، اولین بار در 14اکتبر 1947 و به وسیله چاک بیگر، خلبان نیروی هوایی امریکا با هواپیمای -X1 که به همین منظور ساخته شده بود اتفاق افتاد.
منبع:دانستنی های جهان

[rohamavation]

سد صوتی یا Sound barrier افزایش زیادی در کشش آیرودینامیکی و سایر اثرات نامطلوب است که توسط هواپیما یا جسم دیگر در هنگام نزدیک شدن به سرعت صوت تجربه می شود. ... در هوای خشک در دمای 20 درجه سانتیگراد (68 درجه فارنهایت)، سرعت صوت 343 متر بر ثانیه (حدود 767 مایل در ساعت، 1234 کیلومتر در ساعت یا 1125 فوت بر ثانیه) است.آیا دیوار صوتی برای هواپیمای بی صدا اعمال می شود؟دیوار صوتی هیچ ارتباطی با صدای هواپیما ندارد. این مربوط به این واقعیت است که اگر به اندازه کافی سریع پیش رود، هوا نمی تواند از مسیر خارج شود. این یک موج شوک ایجاد می کند که در آن هواپیما هوا را کنار می زند. موج ضربه ای جایی است که سرعت هوا از سریعتر از صوت به آهسته تر از صدا تبدیل می شود و شامل آزاد شدن انرژی قابل توجهی می شود. می‌توانید با شکل‌دهی دقیق سطوح، موج ضربه را تا حدودی کنترل کنید، اما هواپیمایی که با سرعت کافی حرکت می‌کند، نمی‌تواند بی‌صدا باشد.
شما می توانید هواپیماهای زیر صوت بسیار آرام بسازید، اما آنها به آرامی حرکت می کنند تا صدای جریان هوا بر روی هواپیما به حداقل برسد.$v=\sqrt{\frac{\gamma P}{\rho}}$به طور کلی سرعت صوت در گاز با تصحیح لاپلاس فرمول نیوتن به دست می آید.
چگونه یک هواپیما می تواند سریعتر از سرعت صوت بدون شکستن دیوار صوتی حرکت کند؟
دیوار صوتی تابعی از سرعت هوا و چگالی هوا است. اگر باد پشتی به اندازه کافی قوی داشته باشید، سرعت زمین شما بالاتر از سرعتی خواهد بود که اکثر مردم عادی از سرعت صوت بدون شکستن دیوار صوتی واقعی در نظر می گیرند.
هواپیما (یا هر جسمی که به تنهایی در هوا حرکت می کند) توسط سرعت هوایی کنترل می شود. سرعت زمین فقط در هنگام سفر بر روی زمین یا انتقال به آن حالت (نزدیک به فرود) مرتبط است.در مثال ذکر شده در سوال، اگر فرض کنیم هواپیمایی با سرعت زمینی 380 متر بر ثانیه در حال حرکت باشد، اما باد عقب 80 متر بر ثانیه داشته باشد، به این معنی است که از نظر مسیر زمینی، مافوق صوت بوده است. نسبت به زمین سفر می کرد. به این معنی که اگر صداها بدون باد پشتی حرکت کنند، سریعتر از سرعت صوت حرکت می کند. اما نسبت به هوای واقعی (سیستم محصور) با سرعت 300 متر بر ثانیه یعنی حدود 0.88 ماخ حرکت می کند.
و این بدان معناست که یک موج صوتی در همان توده هوا - که از همان مبدأ با سرعت پایه 80 متر بر ثانیه (باد عقب) پرتاب می شود - سریعتر از هواپیما حرکت می کند.
دقت کنید در سرعت مادون صوت، در حالی که هوا در اطراف هواپیما جریان دارد، فشار و سرعت به آرامی تغییر می کند. در نتیجه، مرکز فشار موضعی تغییر می کند (نیروی بالابر آن) در حدود یک چهارم وتر عمل می کند، به طوری که هواپیما زمانی که مرکز ثقل آن در همان مکان است متعادل می شود.
در سرعت های مافوق صوت، هوا غافلگیر می شود - در یک لحظه همه چیز آرام و ساکت بود و ناگهان مولکول های هوا توسط یک مهاجم ناشناس به اطراف پرتاب می شوند. فشار به طور ناگهانی از طریق یک شوک تغییر می کند، بنابراین به جای یک انتقال صاف، در سرعت مافوق صوت مناطقی با فشار مشابه وجود دارد که با افت یا پرش ناگهانی از هم جدا می شوند. در نتیجه، مرکز تغییرات فشار به سمت عقب به 50٪ از وتر تغییر می کند. اگر مرکز ثقل در یک چهارم وتر باقی بماند، پیامد آن یک لحظه پایین آمدن قوی است: هواپیما دچار نوسان خواهد شد.
بدتر
از آن، انحراف سطح کنترل، که می‌تواند بالابر را بین سطح بال و دم توزیع کند، لزوماً مانند سرعت زیر صوت عمل نمی‌کند: هواپیما ممکن است غیرقابل کنترل شود..
انتشار صدا
ترفند اکنون این است که به هوا هشدار داده شود، حتی زمانی که هواپیما با سرعت مافوق صوت حرکت می کند. این را می توان با جارو کردن بال به دست آورد، زیرا اگر زاویه جارو بزرگتر از زاویه مخروطی باشد که در آن تغییرات فشار با سرعت پرواز مافوق صوت منتشر می شود، هوای جاری بر روی بال از قبل هشدار داده می شود، بنابراین واکنش مشابهی با جریان مادون صوت نشان می دهد. برای تصحیح جابجایی اجتناب ناپذیر در مرکز فشار، سطوح دم در هواپیماهای مافوق صوت بزرگ‌تر و کامل‌تر هستند، بنابراین در جریان فراصوت و مافوق صوت کار می‌کنند. همچنین، با پمپاژ سوخت، مرکز ثقل را می توان به عقب جابجا کرد، بنابراین نیاز به تغییر تریم کمتری است.
اگر هواپیما موتور به اندازه کافی قدرتمند داشته باشد و به اندازه کافی سفت باشد، دیوار صوتی را می توان در هر ارتفاعی شکست. به طور معمول، برای صرفه جویی در وزن، طراحان محدودیتی را برای حداکثر فشار دینامیکی تعیین می کنند (= چگالی هوا ضربدر سرعت هوا، تقسیم بر دو)، بنابراین تغییر شکل ساختاری در این حداکثر فشار دینامیکی به اندازه کافی کوچک است. توجه داشته باشید که انحراف باله‌های آن، بال یوروفایتر را در حداکثر فشار دینامیکی تغییر شکل می‌دهد تا حدی که سه چهارم کارایی هواپیما از بین می‌رود - بادگیرها یک لحظه پیچشی ایجاد می‌کنند که بال را تاب می‌دهد به طوری که مانند مکانیسم تاب برداشتن بال عمل می‌کند. رایت فلایر، فقط در جهت مخالف ورودی هواکش.
از آنجایی که چگالی با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد، فشار دینامیکی یکسانی با سرعت بالاتر حاصل می‌شود و به هواپیماها اجازه می‌دهد هرچه بالاتر پرواز می‌کنند سریع‌تر پرواز کنند. حد بعدی توسط گرمای محلی نزدیک خط رکود داده می شود. اگر هوا کاهش یابد، دمای آن با مجذور اختلاف سرعت افزایش می یابد. حداکثر سرعت پیوسته F-22 از 1.8 ماخ به 1.6 ماخ کاهش یافت تا از گرم شدن بیش از حد ساختار بال مرکب حساس جلوگیری شود.
هنگامی که جسم از روی ناظر عبور می کند، امواج اختلال فشار (امواج ماخ) به سمت زمین تابش می کند و باعث ایجاد یک بوم صوتی می شود. ... سپس، درست زمانی که هواپیما از دیوار صوتی عبور می کند، هوا به طور موضعی توسط موج ضربه ای ایجاد شده مختل می شود و ابر تراکم/بخار ناپدید می شود.در ایالات متحده، شکستن دیوار صوتی غیرقانونی است. ... شکستن دیوار صوتی منجر به بوم صوتی می شود.آیا می توانید هواپیما را بعد از شکستن دیوار صوتی بشنوید؟
برای وقتی یک هواپیما دیوار صوتی را می شکند چه اتفاقی می افتد؟
پاسخ کوتاه: بله، خلبانان یک جت مافوق صوت هنوز هم می توانند صدای زمزمه موتورها را بشنوند که هواپیمای آنها دیوار صوتی را بشکند، اگر صدا از طریق هوای داخل هواپیما منتقل شود (اما آنها نمی توانند صداهای بیرون را بشنوند.
چرا هواپیماها نمی توانند دیوار صوتی را بشکنند؟
برای شکستن دیوار صوتی، باید از آن سطح فشار عبور کنید. همانطور که هواپیما به دیوار صوتی نزدیک می شود، امواج فشاری روی سطوح اصلی و عقبی هواپیما شروع به ایجاد می کنند - و شکستن این مقاومت به قدرت قابل توجهی نیاز دارد.
حال ایا میشود با کاویتاسیون در هوا دیوار صوتی را شکست .همان اصلی که باعث پرواز يک هواپيما ميشود ، موجب پديد آمدن پديده کاويتاسيون در اطراف يک شناور می گردد و می توان هر دو حالت را به وسيله اصل برنولی ( Bernoullics Principle ) توضيح داد. هرگاه سرعت سيالی افزايش يابد با نگرش به اصل بقای انرژی ، از فشار آن کاسته می شود .
هر گاه دمای مايع ، در فشار ثابت افزايش و يا فشار آن در دمای ثابت ، کاهش يابد ، در نهايت حالت مايع شروع به تغيير کرده و حبابهای پر شده از بخار آب و يا گاز توليد می گردند . اين حبابها را می توان به عنوان فضاهای خالی در مايع در نظر گرفت ( در زبان انگليسی کاويتی Cavity نام دارند ) .
بنابراين هم بوسيله افزايش دما در فشار ثابت و هم کاهش فشار ديناميکی در دمای ثابت ، حباب در مايع بوجود می آيد . نخستين روش جوشيدن ( Boiling ) و دومين روش کاويتاسيون نام دارد . بنابراين کاويتاسيون باعث ايجاد حباب در يک مايع در اثر کاهش فشار آن مايع ميگردد .بنابراین، اگر یک هواپیما در یک حباب هلیوم (به خاطر استدلال) محصور شود، کشش را کاهش می دهد (نه لزوماً از بین می برد) و به آن اجازه می دهد سریع تر حرکت کند و بالابر اضافی لازم برای ماندن در جو مصنوعی کم تراکم را ایجاد کند.این گرافیک ناسا نحوه بلعیدن لایه مرزی و برخی از مزایای بالقوه آن را شرح می دهد.
در عوض، بلعیدن لایه مرزی - یاجذب لایه مرزی چگونه کار می کند؟
بلع لایه مرزی یک روش شناخته شده برای کاهش مصرف انرژی نیروی محرکه یک موتور هوایی است. ایده اصلی این است که از جریان ورودی با کمترین سرعت ممکن برای تولید نیروی رانش استفاده کنیم تا نیروی محرکه مورد نیاز برای رانش لازم به حداقل برسد.
همانطور که هوا از جریان آزاد به سطح کمپرسور منتقل می شود، جریان ممکن است توسط ورودی مختل شود. در سطح کمپرسور، یک قسمت از جریان ممکن است سرعت یا فشار بیشتری نسبت به قسمت دیگر داشته باشد. جریان ممکن است چرخشی باشد یا بخشی از لایه مرزی به دلیل شکل ورودی ممکن است ضخیم‌تر از بخش دیگر باشد. پره های روتور کمپرسور به صورت دایره ای در اطراف محور مرکزی حرکت می کنند. همانطور که تیغه ها با جریان ورودی ناهنجار مواجه می شوند، شرایط جریان در اطراف تیغه خیلی سریع تغییر می کند. تغییر شرایط جریان می تواند باعث جدا شدن جریان در کمپرسور، توقف کمپرسور و مشکلات ساختاری برای پره های کمپرسور شود. یک ورودی خوب باید بازیابی فشار بالا، کشش ریزش کم و اعوجاج کم ایجاد کند.
اکنون سؤال این است: برای حفظ مفهوم موتور نیمه مدفون جز برای جلوگیری از اعوجاج جریان ورودی ناشی از جذب لایه مرزی، چه کاری می توان انجام داد؟
راه حل 1:
همانطور که به نظر می رسد، انحراف کننده ساده را جلوتر از موتورها پیشنهاد می کند که قرار است لایه مرزی کند را به طرفین فشار دهد:
منحرف کننده لایه مرزی
راه حل 2:
مکش لایه مرزی که کمتر مورد استفاده قرار می گیرد، می تواند برای حذف هوای آهسته نزدیک به سطح و ایجاد مجدد مشخصات سرعت یکنواخت تر استفاده شود.
. شبکه سوراخ ها برای مکیدن لایه مرزی استفاده می شود.
در ساده‌ترین حالت: با BLI، موتورهای هواپیما در نزدیکی عقب هواپیما قرار می‌گیرند به طوری که هوایی که بر روی بدنه هواپیما جریان می‌یابد، بخشی از ترکیب هوای ورودی به موتور می‌شود و سپس به سمت عقب شتاب می‌گیرد.
بنابراین، به طور خاص، BLI دقیقا چیست و چگونه به مزایای بالقوه اقتصادی و زیست محیطی منجر می شود؟
زمانی که یک هواپیما در حال پرواز است، چهار نیروی اصلی روی آن وارد می شود - رانش، کشیدن، وزن و بلند کردن. رانش باعث می شود هواپیما به جلو برود، در حالی که درگ سعی می کند سرعت آن را کاهش دهد. بلند کردن وزن را جبران می کند تا هواپیما در آسمان بماند.
BLI به طور خاص با بخش کشش معادله می پردازد و در نهایت تلاش می کند تا کشش کل تجربه شده یک هواپیما در آسمان را کاهش دهد.
همه چیز از این واقعیت شروع می شود که وقتی یک هواپیما در هوا پرواز می کند، لایه ای از هوای با حرکت کندتر در امتداد پوست بدنه و بال ها شروع به ایجاد می کند که به درستی لایه مرزی نامیده می شود. این هوای کندتر باعث کشش اضافی می شود.
در قسمت جلوی هواپیما، ضخامت لایه مرزی صفر است، اما با برگشت هوا بر روی سطح بدنه و بال‌های هواپیما، لایه ضخیم‌تر می‌شود. زمانی که به عقب هواپیما می رسد می تواند یک فوت یا بیشتر عمق داشته باشد.
در یک هواپیمای معمولی با لوله و بال، که در آن موتورهای جت زیر بال‌ها آویزان شده‌اند، این پایان داستان لایه مرزی است. جریان هوای آهسته‌تر و محرک در عقب هواپیما ادامه می‌یابد تا با هوای دست نخورده آنجا مخلوط شود.
کاهش کشیدن
داستان زمانی تغییر می کند که موتورهای هواپیما در مسیر لایه مرزی قرار می گیرند، مثلاً با قرار دادن آنها در انتهای انتهایی هواپیما. همانطور که امروزه در برخی از هواپیماهای مسافربری یا جت های تجاری دیده می شود، در دو طرف دم روی دکل های کوتاه نصب نمی شود، بلکه مستقیماً در بالای بدنه اصلی یا پشت آن قرار دارد.
با موتورهایی که در این مکان قرار دارند، هوای لایه مرزی کندتر وارد موتور می شود - یا مانند خوردن لایه مرزی وارد موتور می شود - و سپس با عبور بقیه هوا از موتور شتاب می گیرد و از پشت خارج می شود.
فرقی نمی‌کند هوای لایه‌ی مرزی ورودی فشرده شود، با سوخت مخلوط شود و بسوزد تا بخشی از اگزوز جت داغ شود، یا جریان هوا از اطراف هسته موتور، از طریق فن‌ها و از پشت خارج شود.
و لایه مرزی هوا موتورها را کم و بیش قدرتمند نمی کند.
چه چیزی تغییر می کند؟
مقدار کل پسا ایجاد شده توسط هوای آهسته تر که روی و پشت کل بدنه هواپیما حرکت می کند کاهش می یابد زیرا مقداری از آن هوای کندتر دوباره با عبور از موتورها سرعت گرفته است.
«هنوز کشش وجود دارد. هنوز باخت. هایدمن گفت، اما این ضرر کمتری است.
و این فایده است. با کشش کلی کمتر، موتورها به نیروی رانش کمتری نیاز دارند تا هواپیما را به جلو برانند، به این معنی که آنها مجبور نیستند سوخت زیادی بسوزانند، که باعث کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و صرفه جویی در هزینه سوخت می شود.
طراحی موتور برای BLI
بیایید به طراحی بال و لوله معمولی با موتورهای آویزان از پایین بالها برگردیم.
در آن پیکربندی، با حرکت هواپیما در امتداد، ورودی‌های موتور در معرض جریان هوای خوب، تمیز و یکنواختی قرار می‌گیرند که وارد موتور می‌شود، جایی که جریان هوا کمی کند می‌شود تا با اولین مجموعه پره‌های فن مواجه شود.
این برای طراحان موتور ایده‌آل است، زیرا با چرخش پره‌های فن، شرایط محیطی یکسانی - فشار هوا و سرعت یکسان - را با هر چرخش تجربه می‌کنند.
اما با موتورهای نصاما با موتورهای نصب شده در عقب در مسیر
در لایه مرزی، تیغه های فن موتور هر بار که از جریان هوای منحرف شده عبور می کنند، در معرض تنش های اضافی قرار می گیرند..hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا