تبلیغات
مهندسی مکانیک و هوافضا - مطالب مهندسی هوافضا
منوی اصلی
مهندسی مکانیک و هوافضا
www.Aeros.ir
  • حسین اتحادی دوشنبه 15 دی 1393 06:59 ب.ظ نظرات ()

    ایرفویل (Airfoil)

    به مقطع هر جسمی که در جریان هوا قرار می گیرد، ایرفویل گویند. ایرفویلهایی که در شکل مشاهده می کنید، مقاطعی هستند كه در بال هواپیما و یا در پره های ملخ موتور استفاده می گردند و ایجاد نیروی برآ می كنند. در اینجا قصد داریم اطلاعات فنی و حرفه ای درباره ایرفویل هواپیما را بررسی كنیم.

    قسمت جلویی ایرفویل لبه حمله (Leading Edge) نامیده می­شود و اولین محل تماس با هوا می­باشد و از نظر طراحی ظرافت و حساسیت بالایی دارد. قسمت انتهایی، لبه­ی فرار  (Trailing Edge) نامیده می­شود و مانند یک لبه­ی تیز است و در انتهای این محل هوای قسمت بالایی و قسمت پایینی به یکدیگر می­رسند. روی آن «سطح زبرین» یا «انحنای رویی»  (Upper Camber)نامیده می­شود و زیر آن «سطح زیرین» یا «انحنای زیرین»  (Lower Camber) نامیده می­شود.

    خط وتر    (Cord line)خط مستقیمی که لبه ی حمله را به لبه ی فرار وصل می­کند. طول خط وتر را با حرف c نشان می­دهند. 
    خط انحنای میانه ( mean camber line)
    خطی است که هر نقطه از آن به یک اندازه از مرزهای سطوح زیرین و رویی فاصله دارد و این فاصله­ها عمود بر خط مرکزی اندازه­گیری می­شود. به بیان ساده­تر خط میانی خطی است که شکل ایرفویل را به دو قسمت مساوی در جهت طول ایرفویل تقسیم می­کند.

    مقطع بال هواپیماها استاندارد گذاری های مختلفی دارد. یكی از معروفترین استانداردها  مربوط به ایرفویلهایی موسوم به ناكا (National Advisory Committee for Aeronautics - NACA) می باشد. ایرفویلهای ناكا سری های مختلفی دارند كه در زیر هر كدام را به اختصار شرح می دهیم:

    سری 4 رقمی: رقم اول نشاندهنده بیشترین خمیدگی بر حسب صدم وتر – دومین رقم، فاصله نقطه بیشترین خمیدگی از لبه حمله بر حسب دهم  وتر – دو رقم آخر، بیشترین ضخامت برحسب صدم وتر

    برای مثال در مقطع بال NACA 3513  اگر طول وتر را با C نمایش دهیم:

    یا در مثالی دیگر ایرفویل NACA 2412 دارای بیشترین انحنا در 0.02 طول وتر كه در فاصله 0.4 طول وتر از لبه حمله قرار گرفته است و بیشترین ضخامت 0.12 طول وتر می باشد:

    خانواده‌های مختلفی از ایرفویل‌ها توسط سازمانهای طراحی و مراكز تحقیقاتی مختلف ارائه شده است كه این ایروفویل‌ها حاصل فعالیت‌‌های تجربی و یا محاسبات عددی می‌باشند.از مشهورترین آنها می‌توان به خانواده‌‌های زیر اشاره نمود:

    NACA series 4, 5, 6 - Eppler - Clarck - AH (Althaus) - Boeing

     برای درك بیشتر و آشنایی با سری های بعدی ناكا، به آدرسهای زیر بروید:

    http://www.ppart.de/aerodynamics/profiles/NACA4.html

    http://people.clarkson.edu/~pmarzocc/AE429/The%20NACA%20airfoil%20series.pdf

     

    ادامه دارد....

    آخرین ویرایش: - -
    ارسال دیدگاه
  • حسین اتحادی یکشنبه 14 دی 1393 04:34 ب.ظ نظرات ()

    عدد ماخ (Much number) یک عدد بی بعد است که بیان کننده نسبت سرعت جسم در سیال به سرعت صوت در همانسیال می باشد. و معمولا برای نشان دادن سرعت جسمی که نزدیک به سرعت صوت یا بالاتر از آن حرکت می کند، استفاده می شود.(هواپیما)

    M=v/a

    M: عدد ماخ

    V: سرعت جسم

    a: سرعت صوت

    عدد ماخ به طور معمول برای سیالاتی که در سرعت های بالا مانند دیفیوزر، نازل یا تونل باد کار می کنند استفاده می شود.

    در شرایط استاندارد در سطح آزاد دریا (دمای 15 درجه سلسیوس) سرعت صوت 340.3 m/s است. عدد ماخ 1 ثابت نیست بلکه بستگی به دما و شرایط محلی و فشار دارد. به طور مثال با افزایش سرعت صوت دما زیاد شده یعنی سرعت واقعی جسم در ماخ 1 بستگی به دمای اطراف آن سیال دارد. این عدد، عدد مهمی است چرا که رفتار سیالات در یک عدد ماخ، مشابه همدیگر است.

    در سرعت نزدیک صوت میدان جریان اطراف شی شامل هر دو بخش زیر و مافوق صوت است. در ماخ بزرگتر از 1  محدوده سرعت "نزدیک صوت" شی را فرا می گیرد. در ایرفول ها مانند بال هواپیما این اتفاق در بالای بال می افتد. جریان های مافوق صوت در شوک های نرمال سرعتشان تا "سرعت نزدیک" صوت کم می شود.(شکل a)

    عدد ماخ جریان هوای

    عدد ماخ جریان هوای"نزدیک صوت" در اطراف ایرفول

    همانطور که سرعت افزایش می یابد، ناحیه M>1 در پشت و لبه ها افزایش می یابد. در M=1 شوک نرمال لبه ها ضعیف شده و جریان بعد از شوک کاهش پیدا می کند. سرعت جریان بعد از شوک کم می شود ولی همچنان مافوق صوت باقی می ماند. حال یک شوک طبیعی در جلوی جسم ایجاد می شود و تنها منطقه مافوق صوت در این جریان یک منطقه کوچک در اطراف لبه جسم است.(شکل b)

     

    مافوق صوت

    صوت

    نزدیک صوت

    زیر صوت

    جریان

    1.2-5

    1

    0.8-1.2

    <1

    ماخ

     

    وقتی عدد ماخ در هواپیما بیش از 1 باشد تفاوت فشار زیادی در جلوی بدنه هواپیما به وجود می آید. این اختلاف فشار ناگهانی موج شوک نامیده می شود و تا عقب هواپیما به حالت مخروطی گسترش می یابد(اصطلاحا ماخ مخروطی). این موج شوک ایجاد انفجار صوتی می کند و زمانی که هواپیما از بالای سر ما می گذرد قابل شنیدن است. اما مسافران داخل هواپیما این صدا را نمی شوند. در سرعت های بالاتر این موج مخروط باریک تر می شود. در ماخ 1 به سختی مانند مخروط است و بیشتر شکل مقعر به خود می گیرد.

    در سرعت های مافوق صوت، موج شوک شروع شده و حالت مخروطی شکل به خود می گیرد، جریان کاملا مافوق صوت است و یک منطقه بسیار کوچکی از جریان در دماغه "زیر صوت" باقی می ماند.( در اجسام نوک تیز هیچ هوایی بین دماغه و موج شوک وجود ندارد. موج شوک از دماغه شروع می شود.)

    با افزایش عدد ماخ موج شوک قوی تر شده و مخروط ماخ بسیار باریک می شود. با عبور سیال از موج شوک سرعت کم شده و فشار و دما و چگالی افزایش می یابد. شوک قوی تر تغییرات بزرگتری در بر خواهد داشت. در ماخ های بالا، دما آنقدر زیاد شده که یونیزاسیون و تفکیک مولکول های گاز در پشت موج شوک ایجاد می شود. این جریان ها را مافوق صوت گویند. از این رو انتخاب مواد مقاوم در برابر گرما اهمیت زیادی دارد.

    عدد ماخ به عنوان پارامتر تشابهی در بسیاری از معادلات جریان های تراکم پذیر، امواج ضربه ای و انبساطی کاربرد دارد. در تستتونل باد ممکن است عدد ماخ بین شرایط آزمایش و شرایط پرواز مطابقت داشته باشد. این کاملا نادرست است که ضریب درگ را در سرعت کم در نظر بگیریم(200 مایل بر ساعت) و آن را در دو برابر سرعت صوت به کار بریم (حدود 1400 مایل بر ساعت). تراکم هوا از لحاظ فیزیکی در این دو شرایط متفاوت است.

    عدد ماخ بستگی به سرعت صوت در گاز و سرعت صوت نیز بسته به نوع و دمای گاز دارد. سرعت صوت در سیارات مختلف متفاوت است. اتمسفر زمین تشکیل شده از گازهای دو اتمی اکسیژن و نیتروژن و دما نیز به ارتفاع بستکی دارد. دانشمندان و مهندسان ناسا یک مدلی از جو برای کمک کردن به تغییرات دما در ارتفاعات مختلف طراحی کرده اند. جو مریخ هم بیشتر از دی اکسید کربن تشکیل شده پس مدل مشابهی از جو مریخ نیز موجو است. این به شما این امکان را می دهد تا از تغییرات سرعت صوت در سیارات دیگر نیز مطلع شوید.

    آخرین ویرایش: دوشنبه 15 دی 1393 07:16 ب.ظ
    ارسال دیدگاه
  • حسین اتحادی یکشنبه 14 دی 1393 04:24 ب.ظ نظرات ()

    تاریخچه

    در اعصار آغازین دوران هوانوردی ابتدایی ، هواپیماها بیشتر با سرعتهای بسیار پایین نسبت به هواپیماهای امروزی پرواز می‌کردند که حتی به بیشتر از 300 کیلومتر در ساعت نمی‌رسید؛ در حالی که چنین سرعتی ، سرعت مطلوب برای تیک آف یا برخاست یک هواپیمای جنگنده امروزی است و رسیدن به چنین سرعتی ، ابداً مستلزم تلاش بسیار و فشار آوردن بیش از حد به موتور نمی‌باشد. اما رفته رفته ، سرعت هواپیماها حتی با موتورهای پیستونی گاها بالای 650 کیلومتر بر ساعت رسیده و از آن زمان بود که دانشمندان علوم آیرودینامیک دریافتند که با افزایش سرعت ، به تدریج میزان پسا افزایش پیدا کرده و در سرعت معینی ، دیگر هواپیما قادر به سرعت گرفتن نبوده گاه نیز استال می‌شوند.


    img/daneshnameh_up/a/a7/vehicles_158.gif



    در آن زمان ، علت این موضوع بدین گونه بیان شد که با افزایش سرعت ، به تدریج سرعت گردش انتها یا نوک پره‌های پروانه موتور ، به سرعت صوت نزدیک شده و سرانجام در حداکثر سرعت یک هواپیمای پیستونی که حدود 950 کیلومتر می‌باشد، سرعت انتهای پره‌ها از سرعت صوت گذشته و پسا یا درگ بسیاری ایجاد می‌شود که خود مانع سرعت گرفتن بیشتر هواپیماست. در چنین سرعتهایی ، پروانه موتور هواپیماهای پیستونی ، نه تنها تراست یا نیروی کشش تولید نمی‌کند، بلکه در اثر سرعت بسیار زیاد ، تبدیل به یک دیسک یا دایره توپر چرخنده می‌شود که جز ایجاد درگ و پسا ، کار دیگری انجام نمی‌دهد.

    آیرودینامیستهای آن زمان این حد را یک محدوده سرعت یا همان دیوار صوتی در نظر گرفته و بسیاری از آنان نیز بر این عقیده بودند که گذشتن از دیوار صوتی و پشت سر گذاشتن آن ، کاری غیر ممکن است؛ اما با ورود به عصر جت و پیشرفت علم آیرودینامیک ، این کار برای جنگنده‌های امروزی کاری بس سهل و آسان است.

    اولین بار خلبانی آمریکایی به نام چاک ییگر ، با انجام اصلاحاتی بر روی یک بمب افکن قدیمی آن را به چهار موتور موشکی مجهز کرده و بر فراز بیایانی در آمریکا ، پس از جدا شدن از هواپیمای مادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانیه پرواز هواپیمای پرتقالی رنگ ملقب به X-1 به صورت گلاید، خلبان چهار موتور موشکی خود را روشن کرده و پس از چند لحظه صدایی رعد آسا در آسمان شنیده شد که همان نتیجه شکستن دیوار صوتی برای اولین بار در جهان بود. در این آزمایش ، این هواپیما به سرعت 16/1 ماخ دست یافت، و با ورود به عصر جت ، رویای شکستن دیوار صوتی و پا گذاشتن به سرعت صوت نیز به واقعیتی بسیار قابل لمس مبدل گشت. 

    خصوصیات صوت و دیوار صوتی

    خصوصیات صوت و دیوار صوتی چیست و چرا گذر از آن نیازمند قدرت و کشش و توانایی زیادی است. صوت ، در شرایط عادی (دما ، فشار و ... معمولی) در سطح دریا دارای سرعتی معادل 332 متر بر ثانیه یا 1,195 کیلومتر بر ساعت می‌باشد که این سرعت ، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا ، کاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر ، صوت فواصل را با سرعت کمتری می‌پیماید. این مسئله بدین صورت است که صوت از طریق ضربات ملکولهای هوا به یکدیگر و انتقال انرژی آنها فضا را طی می‌کند و هر چه تعداد مولکولها در یک حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورت پذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال می‌یابد؛ چنانکه سرعت صوت در مایعات بیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل 6000 کیلومتر بر ساعت است.

    پس در نتیجه افزایش ارتفاع ، تعداد ملکولها در یک حجم معین کاهش یافته و صوت با سرعت کمتری فضا را می‌پیماید. دیوار صوتی ، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست؛ بلکه به دلیل اینکه گذشتن از سرعت صوت نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب می‌باشد، این حد را یک مانع برای رسیدن به سرعتهای بالاتر دانسته و از آن به نام دیوار صوتی یاد می‌کنند. عدد ماخ ، در حقیقت همان نسبت سرعت شیء پرنده یا همان هواپیما به سرعت صوت محیط است که به احترام دانشمندی آلمانی که برای اولین بار چنین مقیاسی را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ ، کمیتی متغیر است و بسته به خصوصیات هوا مانند دما و فشار ، تغییر کرده و کاهش یا افزایش می‌یابد. 



    img/daneshnameh_up/7/7d/f-14sm2.jpg

    عامل ایجاد دیوار صوتی

    امواج ضربه‌ای یا Shockwaves در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربه‌ای ، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که می‌تواند به لایه‌های دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید. برای درک بهتر مطلب ، وقتی که سنگی در آب انداخته می‌شود، موجهایی در آب بوجود می‌آیند که به سمت خارج در حال حرکتند. این امواج ، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه‌ای از ملکولهای آب است که قادر به انتقال به لایه‌های دیگر نیز می‌باشد، و امواج ضربه‌ای نیز ، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت که آنها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا ، تشکیل می‌شوند.

    در سرعتهای نزدیک سرعت صوت ، فرضیه غیر قابل تراکم بودن هوا رد شده و ضریب تراکم هوا به 16% در می‌رسد، که مقداری غیر قابل چشم پوشی است. در این سرعتها هوای جلوی بال یا لبه حمله به شدت متراکم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهی افزایش می‌یابد، همین مسأله ، یکی از عوامل ایجاد امواج ضربه‌ای است. هواپیما با حرکت خود در هوا ، نظم فشار هوای محیط را بر هم می‌زند و همانند قایقی که در آب در حال حرکت است، امواجی از آن ساطع شده و به دلیل اینکه این امواج با سرعت صوت حرکت می‌کنند و هواپیما زیر سرعت صوت در حال سیر است، از آن دور می‌شوند.

    اما کم کم ، با نزدیک شدن به سرعتهای ترانسونیک و حدود سرعت صوت ، این امواج فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و در جلوی بال متراکم می‌شوند. در مناطقی از بدنه هواپیما که سطوح ناموزونی نسبت به جهت حرکت هواپیما دارد، سرعت گذر هوا افزایش یافته و بر اساس اصل برنولی ، با افزایش سرعت سیال ، فشار آن کاهش می‌یابد. در چنین سرعتهایی ، هوای اطراف این سطوح به سرعت صوت می‌رسد، گر چه هواپیما هنوز به سرعت صوت نرسیده باشد. در نتیجه رسیدن بعضی سطوح به سرعت صوت ، امواج ضربه‌ای تولید شده و درگ یا پسای فراوانی را قبل از رسیدن به سرعت صوت تولید می‌کنند، که همین مسأله گذر از دیوار صوتی را مشکل می‌نماید. 

    عدد ماخ بحرانی

    به سرعتی که در آن حداقل یکی از سطوح هواپیما به سرعت صوت رسیده باشد، گر چه این پدیده در مورد خود هواپیما صادق نباشد، عدد ماخ بحرانی یا Critical Mach Number می‌گویند. عدد ماخ بحرانی را می‌توان به سرعتی که نمودار پسا در مقابل سرعت سیر صعودی می‌گیرد، نیز تعریف نمود. در این سرعت ، فرامین هواپیما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتی شبیه به کوبیدن بر روی بال توسط امواج ضربه‌ای بوجود می‌آید که با گذر از دیوار صوتی ، فرامین هواپیما به حالت طبیعی خود باز می‌گردند.

    بنابراین ، در سرعتی که هواپیما به عدد ماخ بحرانی خویش می‌رسد، پسا به دلیل ایجاد امواج ضربه‌ای بطور قابل توجهی افزایش می‌یابد، پس ، باید تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحرانی هر چه بیشتر با بهبود ویژگیهای آیرودینامیکی افزایش یابد، چون اگر این اتفاق در سرعتهای پایین‌تر رخ دهد، هواپیما نیز باید از سرعت پایین‌تری جدال با افزایش پسا را شروع کند. 



    تصویر

    چرا با تولید امواج ضربه‌ای ، پسا افزایش می‌یابد؟

    قانونی در مبحث دیوار صوتی بیان می‌کند که هر جریان هوایی که از یک موج ضربه‌ای بگذرد، موج ضربه‌ای انرژی جنشی سرعتی آن را گرفته و در خور تبدیل به گرما و افزایش فشار می‌کند، در نیتجه سرعت جریان هوای گذرنده از موج ضربه‌ای به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. با کاهش سرعت جریان هوا در جلوی بالها در سرعتهای نزدیک سرعت صوت ، تلاش پیشرانه یا موتورهای هواپیما باید چند برابر شود تا اثر کاهش سرعت در اثر موج ضربه‌ای را خنثی نماید. در صورتی که عدد ماخ بحرانی هواپیمایی پایین باشد، در سرعتهای پایین باید نیروی رانشی هواپیما چند برابر شود که مصرف سوخت فوق العاده‌ای را برای گذر از دیوار صوتی به دنبال خواهد داشت؛ اما، در صورت بالا بودن عدد ماخ بحرانی ، هواپیما فقط مدت کوتاهی نیازمند قدرت و کشش بسیار زیاد برای شکستن دیوار صوتی می‌باشد.

    با اعمال نیروی فراوان رانشی ، سرانجام هواپیما بر مشکل پسای زیاد فائق آمده و از دیوار صوتی می‌گذرد. در نتیجه این عمل ، امواج تولید شده توسط هواپیما از آن جا مانده و پشت سر هواپیما حرکت می‌کنند. در این حالت ، وضعیت به حالت عادی بازگشته و پسای ایجاد شده به وضعیت نرمال باز می‌گردد. بعضی از هواپیماها از تمام نیروی پس سوزشان یا 100% قدرت موتور برای گذر از دیوار صوتی و یا سرعت 1,195 کیلومتر بر ساعت استفاده می‌کنند، در حالی که در سرعتهای بسیار بالاتر ، تنها از 30% قدرت موتور برای رانش به جلو بهره می‌جویند. با دقت در این مثال ، می‌توان به خوبی افزایش درگ و پسا و قدرت فروان لازم برای غلبه بر آن در سرعتهای نزدیک به سرعت صوت را درک و تجزیه و تحلیل نمود. 

    اثرات شکست دیوار صوتی

    امواج ضربه‌ای توسط هواپیما در سرعت صوت ، بسیار قدرتمند می‌باشند، چنانکه در صورت پرواز هواپیما نزدیک به زمین و گذر آن از دیوار صوتی ، امواج ضربه‌ای با منتهای قدرت به اجسام زمینی مانند شیشه‌های منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شکستن آنها می‌شود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربه‌ای بطور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است.

    از امواج ضربه‌ای ، در بمبها و تسلیحات دیگر نیز استفاده می‌شود. بمبها با یک افزایش دما و فشار ناگهانی در لایه‌هایی از هوا ، امواج ضربه‌ای بوجود آورده که از طریق هوا انتقال یافته و باعث شکستن شیشه‌ها و تخریب دیوارها نیز می‌شود. اگر شخصی در فاصله‌ای نسبتاً نزدیک در فضایی تهی از هوا و خلاء ، حتی نزدیک یک بمب ده تنی ایستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب ، آسیبی به وی نخواهد رسید، چون هوایی برای انتقال امواج ضربه‌ای وجود ندارد.

    به دلیل تولید امواج ضربه‌ای در سرعتهای حدود سرعت صوت ، خلبانان سعی می‌کنند فقط مدت کوتاهی در چنین سرعتهایی ترانسونیک پرواز کرده و به زودی از دیوار صوتی گذر کنند، چون پرواز در این سرعتها نیروی بسیار زیاد موتور در نیتجه افزایش فوق العاده میزان مصرف سوخت را در پی دارد. 

    صدای انفجار

    امواج حاصله از حرکت هواپیما یا صدای تولید شده در اثر حرکت ، هر بار در سرعتهای زیر سرعت صوت از هواپیما دور شده و به گوش شنونده می‌رسد. اما با رسیدن هواپیما به سرعت صوت، این صداها دیگر فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و کلاً در جلوی هواپیما جمع می‌شوند. با گذر از سرعت صوت ، صدایی چند ده برابر شده از حرکت هواپیما باهم به گوش شنونده می‌رسد که مانند یک انفجار شدید یا صدای رعد و برقی بسیار قدرتمند می‌باشد. شاید در تصاویر هواپیماهای در حال گذر از دیوار صوتی ، هاله‌ای سفید رنگ را در اطراف هواپیما مشاهده کرده باشید. در هنگام گذر از دیوار صوتی ، اگر هواپیما نزدیک به زمین و در محیطی مرطوب با درصد بخار آب زیاد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه‌ای فشرده شده و ابر سفیدی را برای چند ثانیه پدید می‌آورند که همان هاله سفید رنگ قابل روئیت در تصاویر است. اما از امواج ضربه‌ای در موتورهای جت نیز استفاده می‌شود. بدین گونه که ، هوا ورودی در موتورهای جت ، حتی اگر هواپیما با سرعتهای بالای صوت پروزا نماید، باید زیر سرعت صوت باشد تا قابلیت احتراق را در موتور داشته باشد. 

    طراحی هواپیما

    بنابراین ، اکثراً در ورودی موتورهای هواپیماهای جنگنده مخروطی را به شکل کامل یا نصف مانند هواپیماهای میگ 21 یا اف 104 ستارفایتر دیده می‌شود، که فلسفه ایجاد این مخروط تولید عمدی امواج ضربه‌ای است. در صورت تولید امواج ضربه‌ای ، هوای عبوری از میان آن با سرعت کاهش یافته یا زیر صوت وارد موتور می‌شود و فرآیند احتراق بطور کامل انجام می‌پذیرد. برای انجام پروازهای مافوق صوت ، اغلب هواپیماهای جنگنده از مقطع بالهای ویژه‌ای که عدد ماخ بحرانی را به حداکثر می‌رسانند، استفاده می‌نمایند و مقطع بالها معمولاً بسیار نازک و متقارن می‌باشد.

    به عقب برگشتگی بالهای هواپیماهای مدرن نیز در نتیجه تلاش برای افزایش عدد ماخ بحرانی بوده ، چرا که آزمایشهای تونل باد نشان داده که با به عقب برگشتگی بالها به میزان چند درجه عدد ماخ بحرانی به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد، تا جایی که هواپیماهای مسافربری سریع السیر مانند بوئینگ 747 که در حدود سرعت صوت یا حدود 980 کیلومتر بر ساعت پرواز می‌کنند، نیز به بالهایی به عقب برگشته مجهزند.

    در برخی از هواپیماها ، مانند هواپیمای اف 14 تامکت ، از سیستم بالهای متغیر استفاده شده که در این سیستم ، در سرعتهای پایین که از عدد ماخ بحرانی خبری نیست بالها گسترده می‌شوند و برای فراوانی تولید می‌کنند، ولی رفته رفته با نزدیک شدن به سرعت صوت ، کامپیوتر موجود در این سیستم خود زاویه لازم برای افزایش عدد ماخ بحرانی را محاسبه کرده و بال را متناسب با زوایه آن تغییر داده و به عقب بر می‌گرداند. این سیستم به دلیل هزینه‌های بالا و سنگینی بیش از حد آن ، دارای استفاده محدودی می‌باشد. 

    دسته بندی هواپیماها

    هواپیماها کلاً از نظر سرعت نسبت به سرعت صوت به چند دسته زیر تقسیم می‌شوند:


    • هواپیماهای زیر سرعت صوت یا مادون صوت با محدوده سرعت 350 تا 950 کیلومتر بر ساعت ، Subsonic
    • هواپیماهای حدود سرعت صوت با محدوده سرعت 950 تا 1200 کیلومتر بر ساعت ، Transonic
    • هواپیماهای سرعت صوت با محدوده سرعت دقیقاً سرعت صوت نسبت به محیط ، Sonic
    • هواپیماهای بالای سرعت صوت یا مافوق سرعت صوت با محدوده سرعت 1 ماخ تا 5 ماخ ، Supersonic
    • هواپیماهای با سرعت بسیار بیشتر از سرعت صوت با محدوده سرعت 5 ماخ و بالاتر ، Hypersonic
    آخرین ویرایش: دوشنبه 15 دی 1393 07:17 ب.ظ
    ارسال دیدگاه
  • حسین اتحادی یکشنبه 14 دی 1393 04:19 ب.ظ نظرات ()

    مقدمه:

    تغییر ناگهانی صدای بوق ماشین یا صدای آهنگی که از ماشین در حال عبور (به عنوان منبع) از کنار شما (ناظر) به گوش می رسد، توسط کریستین دوپلر در سال 1842 مطرح شد. اثر دوپلر عبارت است از:

    جابه جایی و شیفت در فرکانس و طول موج امواجی که از منبع متحرک نسبت به محیط، سرچشمه می گیرند.

    فرکانس دریافتی (´f) توسط رابطه زیر به فرکانس واقعی منبع مربوط می شود؛ سرعت منبع (vs)، سرعت ناظر (vo) و سرعت موج (v) در محیط با رابطه زیر داده می شود:

    اثر دوپلر و دیوار صوتی

    انتخاب علامت (+) یا (-) طبق قرارداد به این صورت است که اگر منبع و ناظر به سمت هم حرکت کنند، فرکانس دریافتی(´f) بزرگ تر از فرکانس واقعی (f0) است و اگر منبع و ناظر از هم دور شوند، فرکانس دریافتی (´f) از فرکانس واقعی (f0) کوچک تر خواهد بود.

    اگرچه این رابطه ابتدا برای امواج صوتی به کاربرده شد؛ اما برای تمام امواج از جمله نور (و دیگر امواج الکترومغناطیسی) صادق است. اثر دوپلر برای نور معمولا بر اساس تغییر رنگ ها نسبت به فرکانس توصیف می شود. به عنوان مثال، شیفت قرمز  نور برای کهکشان های دور دست ثابت می کند که جهان در حال انبساط است.

     

    منبع صوتی ساکن:

    تصویر متحرک زیر، منبع صوتی ساکنی را نشان می دهد. امواج صوتی با فرکانس ثابت f0 تولید می شوند و جبهه های موج به طور متقارن در اطراف منبع با سرعت ثابت v انتشار می یابند که همان سرعت صوت در محیط است. فاصله بین جبهه های موج، طول موج است و تمام ناظرها فرکانس یکسانی را خواهند شنید که با فرکانس واقعی منبع، یکی است.

    اثر دوپلر و دیوار صوتی

    برای نشان دادن این که چگونه امواج دایره ای می توانند تولید شوند (بر حسب حرکت موجی و ذره ای) این جا را ببینید.

     

    منبع متحرک با صوتV > منبعV (عدد ماخ 0.7):

    در تصویر متحرک زیر، همان منبع صوتی، امواج صوتی را با فرکانس ثابت در همان محیط منتشر می کند؛ با این فرق که اکنون با سرعت vs = 0.7 v  (عدد ماخ 0.7) به سمت راست حرکت می کند.

    اثر دوپلر و دیوار صوتی

    جبهه های موج با همان فرکانس قبل تولید می شوند. با این وجود، زمانی که منبع حرکت می کند، مرکز هر جبهه موج جدید اندکی به سمت راست حرکت می کند. در نتیجه، جبهه های موج در سمت راست (در جلوی منبع صوت) به هم فشرده می شوند و در سمت چپ (پشت منبع صوت) از هم دور می شوند. ناظر در جلوی منبع، فرکانس بالاتر f ´ > f0  و پشت منبع،فرکانس پایین تر f ´< f0 را می شنود.

    اثر دوپلر و دیوار صوتی

    منبع متحرک با سرعت صوتV = منبعV (عدد ماخ 1، شکستن سد صوتی):

    حال منبع صوتی با سرعت صوت حرکت می کند. سرعت صوت در هوا و در سطح دریا حدود 340 m/s یا حدود 750  مایل در هر ساعت است. اکنون جبهه های موج همگی در جلوی منبع در همان نقطه جمع می شوند. در نتیجه، تا وقتی که منبع نرسیده است، برای ناظر در جلوی منبع، چیزی آشکار نخواهد بود. جبهه فشار به دلیل جمع شدن تمام جبهه های موج کاملا شدید خواهد بود (یک موج ضربه ای)، و هنگامی که دیواره فشار  عبور می کند، به صورت زیر و بم دریافت نخواهد شد، بلکه به صورت "گرومپ" مانندی شنیده خواهد شد.

    اثر دوپلر و دیوار صوتی

    شکل بالا گلوله ای را نشان می دهد که با M=1.01 حرکت می کند. می توانید جبهه موج ضربه ای را در  جلوی نقطه ببینید.

     

     

     

     
    اثر دوپلر و دیوار صوتی
    اثر دوپلر و دیوار صوتی

            خلبان های جتی که در M=1 حرکت می کنند، گزارش می کنند که "دیوار" یا "سد" محسوسی وجود دارد که بایستی قبل از رسیدن به سرعت های مافوق صوت سوراخ شوند. این "دیوار" به دلیل شدت جبهه فشار است و پرواز کردن در این جبهه فشار، یک سواری آشفته و جهنده ای تولید خواهد کرد.

     

     

    چاک ایگر اولین کسی بود که هنگام پرواز سریع تر از سرعت صوت در 14 اکتبر 1974 با هواپیمای موشکی X-1 دیوار صوتی را شکست.

     

    منبع متحرک با صوتV  < منبعV(عدد ماخ 1.4 – مافوق صوت):

    اکنون منبع صوت از سد سرعت صوتی عبور کرده است و با سرعت 1.4 برابر سرعت صوت (عدد ماخ 1.4) در حال حرکت است. از آن جایی که منبع با سرعت بیش تر از امواج صوتی که ایجاد می کند، حرکت می کند، واقعا از جبهه موج خود سبقت می گیرد. قبل از این که ناظر صدایی تولید شده توسط منبع را بشنود، منبع صوت از کنار ناظر ساکن رد می شود.

    اثر دوپلر و دیوار صوتی

    به تشکیل مخروط ماخ در این شکل دقت کنید؛ زاویه این مخروط به سرعت منبع نسبت به سرعت صوت بستگی دارد. این جبهه فشار قوی در مخروط ماخ است که باعث موج ضربه ای موسوم به "صدای شکستن دیوار صوتی" هنگام گذشتن هواپیما از بالای سر ناظر می شود. موج ضربه با سرعت صوتی v پیش روی می کند و چون از ترکیب تمام جاثر دوپلر و دیوار صوتیبهه موج ها، تشکیل یافته است، صدای شنیده شده توسط ناظر، کاملا زیاد خواهد بود. یک هواپیمای مافوق صوت معمولا دو صدای شکست دیوار صوتی تولید می کند؛ یکی از دماغه هواپیما و دیگری از دم آن؛ که به صدای بلند دوگانه منجر می شود.

     شکل روبرو، گلوله ای را با عدد ماخ 2.45  نشان می دهد. مخروط ماخ و جبهه موج

     ضربه کاملا محسوسند.

     

     

    جبهه موج ایجاد شده توسط T-38 تالون، یک توربو جت دو موتوره با قابلیت پرواز در ارتفاع بالا و مافوق صوت

     

     

    اثر دوپلر و دیوار صوتی

    شکست دیوار صوتی توسط گروه TRUST-SSC ؛ رکورد سرعت فرود و دیوار صوتی روی زمین توسط این گروه شکسته شد.
    اثر دوپلر و دیوار صوتی
    آخرین ویرایش: دوشنبه 15 دی 1393 07:17 ب.ظ
    ارسال دیدگاه
تعداد صفحات : 6 ... 3 4 5 6