Süpersonik Serbest Düşüşün Fiziği ve Daha Sessiz Bir Uyum Kurma Yarışı

Cesur ve yeni bir tasarıma sahip bir roket inşa etmek istiyorsanız, bir motor kurmadan yapısal bütünlüğünü test etmenin bir yolunu bulmalısınız. Rüzgar tüneliniz yok ama kabul etmeye hazır değilsiniz. Kendine, “Tahrik olmadan uçuş nedir?” Diye düşünüyorsunuz. Sonra kendi sorunuzu yanıtlıyorsunuz: “Düşüyor.” Basitçe söylemek gerekirse, fırlatmadan uçmanın en kolay yolu, düşmek. Çok yüksek bir prototip alın, düşürün ve hızındaki performansını anlayın.

Dünyanın önde gelen hassas bırakma sanatının uygulayıcısı Japonya Havacılık Araştırma Ajansı veya temelde Japonya’nın NASA’nın versiyonu olan JAXA’dır. Ajans kolay bir şey olmayan pratik bir süpersonik uçak inşa etmeye çalışıyor. Geçmişteki benzer çabalar, en meşhur olan Concorde olan vasat ürünleri yarattı.

Concorde, diğer havayolu şirketlerinin kendi gemileri için aynı tür tasarımları benimsemelerini engelleyen sorunlara boğuldu. En büyük sorunlardan biri aşırı gürültü oldu. “Sonik patlama” terimi yanlış bir isim değildir - ses bariyerini kırmak delicesine yüksek sesli bir fenomendir. Üreticiler, yolcuların kafalarının patlamasını önlemek için uçağı tasarlamak zorunda kaldılar ve uçaklar, karadaki uçağı karaya uçuramadı çünkü yerdeki hiçbir insan böyle yıkıcı yüksek seslere maruz kalmak istemiyor. JAXA’nın hedefi daha sessiz bir süpersonik yolcu uçağı oluşturmaktır. Ve İsveç'te deneysel bir model ile açılan testler ile test ediyor.

Bu nasıl çalışıyor? Temel olarak, bir balon insansız model uçaklarını kaldırıyor - JAXA’nın Silent SuperSonic Konsept Modeli havada yaklaşık 18.6 mil yükseliyor ve sadece düşüyor. Uçağa bağlanan sensörler, düzlem serbest düşüşte Mach 1.39'a kadar olan hızlara yaklaştığında şok dalgalarını ölçer.

Süpersonik bir serbest düşüşün fiziği, yatay bir düzlemde sesten daha hızlı hareket eden bir nesnenin çalışma şeklinden farklı değildir. Hava, her yöne bir yüksek basınç dalgasını aktaran uçağın önünde güçlü bir şekilde sıkıştırılır. Bu şok dalgası havada yayılmaya başlar, ancak daha da ileri gittikçe zayıflar ve işlem sırasında ses dalgası artar. Bu, duyduğumuz ve sonik bir patlama olarak adlandırdığımız yüksek patlama.

Süpersonik bir serbest düşüş hakkında neyin özel olduğunu anlamak için, Mach numaralarının tam olarak neye atıfta bulunduğunu daha yakından incelemeliyiz: nesnenin hızı ile belirli bir yerdeki sesin hızı arasındaki oran. Ve sesin hızı sıcaklık ve basınçtaki değişimlere maruz kalır - daha yüksek irtifalarda sesin hızı düşer, bu nedenle bir nesnenin mutlaka Mach 1'e hava ile aynı düzeye ulaşması için aynı hızda hareket etmesi gerekmez. deniz seviyesinde yapar. (Deniz seviyesindeki sesin hızı saatte yaklaşık 760 mildir).

Ayrıca, Mach 1, ses bariyerini kırarak oluşturulan şok dalgası nedeniyle oldukça dengesiz bir ortamdır. Küçük hareketlerin bile nesne üzerinde çok güçlü fiziksel etkileri olabilir. Olması gereken en kötü yer Mach 0.9 ile 1.2 arasında.

Bu nedenle, bir nesne serbest düşüşde süpersonik hızlarda hareket ederken, Mach numarası daha yavaş bir oranda artarken sıra dışı bir şekilde daha hızlı hızlanır. Kararsız Mach bölgesinde yatay bir düzlemde hareket etmekten daha fazla zaman harcanır. Çoğu uçak Mach 1'i geçecek ve olabildiğince çabuk güvenli bir bölgeye girecek şekilde tasarlanmıştır. Böyle bir şeyi serbest düşme deneyinde test edemezsiniz.

Hız aynı zamanda sürtünme nedeniyle kapanıyor. Ses muhtemelen yerçekimi yoluyla sesten daha hızlı hareket eden bir nesnenin muhtemelen en ünlü örneğinde olan şey buydu: Felix Baumgartner 2012'de havada yaklaşık 23 mil yükseldi, kullanmadan ses bariyerini kıran ilk gökyüzü dalgıcısı oldu. Bir uçak Baumgartner Dünya'ya düştüğünde sonunda hava molekülleriyle çarpışma nedeniyle hızlanmayı bıraktı ve yerçekimine eşit ve zıt olana kadar hava direnci olarak oluşturulan “sürtünme kuvveti” yarattı. Bu noktada Baumgartner maksimum hıza ulaşmıştı.

Aslında, terminal hızına ulaşan nesnelerin çoğu sabit bir hızda kalırken, Baumgartner gerçekte yavaşlamaya başladı, çünkü çevreleyen atmosfer serbest düşüşte bir nesne aşağı indikçe daha kalın ve kalınlaşmaya başlıyor. Böylece terminal hızı düşmeye başlar - yani Baumgartner da yavaşlamaya başlar. Aynı şey, muhtemelen JAXA'nın test ettiği Silent SuperSonic Konsept Model uçaklarından birinin de başına gelebilecek.

Bilim, hayattaki diğer birçok şey gibi, daha hızlı olduğunda daha soğuktur.