يكى از موضوعاتى كه همواره ذهن طراحان سيستم ها و تجهيزات هوايى از قبيل انواع موشك ها و هواپيماها را به خود مشغول ساخته مقابله با ضربه هاى ناشى از برخورد تجهيزات هوايى با جريان هواى اطراف، حين پرواز از مبدا تا مقصد است. امروزه كارخانه هاى مهم هواپيما سازى و يا توليد موشك، خود را به تونل هاى باد و يا دستگاه هاى ضربه نگار صوتى مدرن مجهز نموده اند تا فشار ناشى از امواج ضربه اى و يا شوك هاى به وجود آمده از برخورد سيستم ها با مولكول هاى هواى اطراف را سنجيده و تا حد امكان روش هاى مقابله با حداقل سازى اين شوك را تامين نمايند.

براى لحظه اى هواى اطراف خود را مورد بررسى قرار مى دهيم. هوا از مولكول هايى تشكيل شده است كه داراى حركت نامنظم و سرعت و انرژى هاى لحظه اى متفاوت در زمان هاى مختلف هستند. به هر حال براى يك زمان مشخص، سرعت و انرژى ميانگين مولكول ها را مى توان تعريف كرد كه براى يك گاز كامل تابعى از دما است. حال فرض كنيد كه يك ترقه در نزديكى شما منفجر شود انرژى آزاد شده توسط اين ترقه از طريق هواى اطراف جذب مى شود كه منجر به افزايش سرعت ميانگين مولكول ها مى شود و آنها با سرعت بيشتر به مولكول هاى همسايه خود برخورد كرده و مقدارى از انرژى جذب شده را به آنها انتقال مى دهند در نتيجه مولكول هاى مجاور با مولكول هاى ديگر برخورد كرده كه منجر به پخش يا انتقال انرژى ترقه در هوا مى شود. اين موج انرژى در هوا با سرعت خاصى حركت مى كند كه به نحوى با سرعت مولكولى در ارتباط است زيرا اين موج به وسيله انرژى مولكولى انتقال داده مى شود. همچنين در گذر از اين موج، افزايش انرژى باعث تغييرات كمى در فشار مى شود. در حالى كه اين موج از كنار شما عبور مى كند اين اختلاف فشار كم به وسيله پرده گوش شما دريافت شده و به صورت حسى از صدا به مغز انتقال داده مى شود. چنين موج ضعيفى را موج صوتى مى ناميم.

در هوافضا سرعت جسم پرنده بر حسب عدد ماخ بيان مى شود. عدد ماخ برابر است با سرعت جسم بخش بر سرعت صوت كه ناحيه هاى مختلف سرعت جسم مادون صوت، گذر صوتى، مافوق صوت و ماوراى صوت هستند. همچنين مقدار سرعت صوت در هواى سطح دريا برابر  ۳۴۰m/s  است.

امواج ضربه اى يا شوك ها در پرواز هاى مافوق صوت روى اجسام پرنده (هواپيما يا موشك) به وجود مى آيند. شوك ناحيه بسيار نازكى در حدود ۱۰-۵ سانتى متر است كه جريان قبل از آن مافوق صوت است و جريان بعد از آن اگر شوك قائم باشد مادون صوت و اگر مايل باشد مافوق صوت است.

 

• فعاليت هاى نيوتن و لاپلاس فرانسوى

از لحاظ تاريخى مى توان گفت كه انتشار صوت در هوا در يك سرعت معين تا قرن هفدهم براى عموم قابل فهم نبود در آن زمان اسحاق نيوتن اولين ويرايش كتاب خود به نام اصول را در سال ۱۶۸۷ ميلادى به چاپ رسانده بود.
همچنين آزمايش هاى انجام شده با خمپاره نشان مى داد كه سرعت انتقال صوت در حدود ۱۱۴۰ فوت برثانيه انجام مى گرفت و زمان تاخير در بين جرقه نور از سرلوله توپ و صداى رها شدن توپ يادداشت مى شد. نيوتن در كتاب اصولش به طور صحيح بيان كرد كه سرعت صوت در ارتباط با الاستيسيته هوا (عكس تراكم پذيرى) است و براى به دست آوردن سرعت صوت اين فرض اشتباه را در نظر گرفت كه موج صوتى يك فرايند ايزوترمال (هم دما) است در نتيجه سرعت به دست آمده از اين تعريف براى صوت برابر ۹۷۹ فوت بر ثانيه به دست آمد كه در اين محاسبه نيوتن دچار ۱۵ درصد خطا شد و خطاى ۱۵ درصد را به خاطر وجود ذرات بخار آب در اتمسفر دانست. اين تصور غلط يك قرن بعد به وسيله رياضيدان فرانسوى به نام لاپلاس تصحيح شد. لاپلاس موج صوتى را آدياباتيك در نظر گرفت نه ايزوترمال. از اين رو توانست مقدار صحيح سرعت صوت را بدون خطا به دست آورد. بنابراين از لحاظ تاريخى تا زمان فوت ناپلئون روابط و فرآيند ها براى انتشار صوت در يك گاز كامل مورد فهم  قرار گرفته بود.

 

•پيشتازان امواج ضربه اى

وجود امواج ضربه اى مهم تا آن زمان شناخته شده بود و به دنبال روش موفق لاپلاس براى محاسبه سرعت صوت طبيعى بود كه رياضيدانى آلمانى به نام برنارد ريمن در سال ۱۸۵۸ اولين كوشش خود را براى محاسبه خواص شوك به كار برد كه منجر به شكست شد. به هر حال دوازده سال بعد اولين دستاورد اساسى در تئورى موج ضربه اى توسط يك مهندس اسكاتلندى به نام ويليام جان ماكورن رنكين انجام گرفت. سهم رنكين نسبت به تئورى موج ضربه اى در اواخر عمر او به وقوع پيوست .(دو سال قبل از فوت او.) رنكين در مقاله اى كه در سال ۱۸۷۰در مجله فلسفى انجمن سلطنتى تحت عنوان «بررسى تئورى ترموديناميكى امواج اغتشاشى طولى معين» به چاپ رسيد معادلات حاكم بر موج ضربه اى قائم را به دست آورد. علاوه بر اين تصور رنكين از ساختار داخلى شوك صحيح بود و آن را آيزنتروپيكى قلمداد كرد. همچنين معادلات به دست آمده توسط رنكين بعداً به وسيله پرتابه شناس فرانسوى به نام هنرى هيوگونيت دوباره به دست آمد. بى خبر از كار انجام شده به وسيله رنكين، هيوگونيت در سال ۱۸۸۷ مقاله اى به چاپ رساند كه در آن معادلات مربوط به خواص ترموديناميكى شوك قائم  را ارائه كرد. اما خواص ديگر امواج ضربه اى به وسيله لورد ريلى و جى آى تيلر مورد بررسى قرار گرفت.

 

•نتايج كاربرد امواج ضربه اى در سال هاى ۵۰-۱۹۴۰

امواج ضربه اى كه به وسيله رنكين، هيوگونيت، ريلى و تيلر مورد بررسى قرار گرفت در آن زمان به صورت تحقيق بر روى يك مسئله آكادمى در نظر گرفته مى شد. كاربرد اين تئورى تا ۳۰ سال بعد يعنى تا زمان گرايش علاقه ها به سمت وسائل نقليه مافوق صوت در خلال جنگ دوم جهانى شروع نشده بود. به هر حال اين يك مثال كلاسيك از مزاياى تحقيقات پايه است حتى با وجود اينكه چنين كار هايى در آن زمان مبهم به نظر مى آمد و وجود تئورى موج ضربه اى امكان پيشرفت پرواز مافوق صوت در سال هاى ۵۰-۱۹۴۰ را ممكن ساخت. با استفاده از تونل با دو دستگاه آشكار ساز امواج مى توان امواج ضربه اى را روى يك مدل جسم پرنده مشاهده كرد.

 

با تشكر از صنايع هوافضا