جنگنده‌ها چگونه دیوار صوتی می‌شکنند

آیا موشک‌ و پهپاد دیوار صوتی می‌شکند

کد خبر: ۸۳۲۶۵۳

تاریخ: ۰۳ فروردين ۱۴۰۵ - ۱۴:۱۰

اگر هواپیما با سرعتی معادل سرعت امواج حرکت کند، امواج صوتی تولیدشده در جلوی دماغه هواپیما بر روی هم انباشته می‌شوند؛ یعنی هوا دیگر فرصت نمی‌کند تا از سر راه هواپیما کنار برود و به‌شدت متراکم می‌شود. این توده‌هوای فوق فشرده، همان چیزی است که به آن دیوار صوتی می‌گوییم.

غزال زیاری- در دنیای مدرن که درگیری‌های نظامی و جنگ‌ها، از میدان‌های نبرد سنتی به فضای روانی و سایبری گسترش یافته، پدیده‌های فیزیکی ساده‌ای مثل شکستن دیوار صوتی بیشتر از هرزمان دیگری اهمیت پیدا می‌کنند

اگر در طول جنگ سرد، انفجار صوتی نشانه‌ای از پیشرفت فناوری هوانوردی بود، در دنیای امروز تبدیل به ابزاری برای نمایش قدرت، ایجاد ترس و نفوذ استراتژیک شده است. برای درک دقیق این پدیده، باید نیم‌نگاهی به اصول آیرودینامیک، مهندسی تسلیحات و روان‌شناسی انداخت.

در این گزارش قصد داریم تا به زبان ساده درباره ماهیت دیوار صوتی و نحوه شکستن آن صحبت کنیم. با ما همراه باشید:

دیوار صوتی: مرزی از فشار و مولکول‌ها

برای درک پدیده دیوار صوتی، قبل از هر چیزی باید ماهیت صوت را بشناسیم. صوت درواقع موجی از تغییرات فشار است که در یک محیط مادی مثل هوا منتشر می‌شود.

وقتی جسمی به ارتعاش درمی‌آید یا در هوا حرکت می‌کند، مولکول‌های هوا را جابه‌جا کرده و مناطقی از تراکم و انبساط ایجاد می‌کند که با سرعت مشخصی به نام سرعت صوت حرکت می‌کنند.

سرعت صوت برخلاف سرعت نور، مقدار ثابتی نیست و تحت تأثیر ویژگی‌های محیطی قرار دارد. عامل اصلی تعیین‌کننده در این میان، دمای محیط است. در هوای گرم، مولکول‌ها انرژی جنبشی بیشتری دارند و درنتیجه ارتعاشات را سریع‌تر منتقل می‌کنند، ولی در هوای سرد، این فرآیند کندتر انجام می‌شود. مثلا در ارتفاع سطح دریا و در شرایطی که دما ۱۵ درجه سانتی‌گراد است، سرعت صوت ۳۴۰ متر بر ثانیه است.

ولی در ارتفاع ۹ کیلومتری از سطح زمین که دما حدود ۵۰- درجه سانتی‌گراد است، سرعت صوت به ۲۹۹ متر بر ثانیه کاهش می‌یابد.

از سوی دیگر در یک محیط آبی و در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد، سرعت صوت به ۱۴۹۳ متر بر ثانیه افزایش می‌یابد و درنهایت در یک جامد مثل الماس، در شرایطی که دما حدود ۲۰ درجه سانتی‌گراد باشد، سرعت صوت به ۱۲ هزار متر بر ثانیه افزایش خواهد یافت.

با نیم‌نگاهی به این اعداد می‌توان متوجه شد که چرا در محاسبه سرعت، ارتفاع پروازی برای خلبانان و طراحان موشک تا این حد اهمیت دارد. عدد ماخ که به احترام ارنست ماخ، فیزیکدان آلمانی نام‌گذاری شده، نسبت سرعت شیء به‌سرعت صوت در همان محیط خاص است.

تعریف فیزیکی شکستن دیوار صوتی

برای آنکه بتوانید به بیان ساده مفهوم شکستن دیوار صوتی را درک کنید، تصور کنید سنگی را در یک استخر آرام می‌اندازید؛ موج‌هایی دایره‌ای شکل به‌طور منظم از مرکز دور می‌شوند. اگر سنگ را با سرعت کمتری از سرعت موج‌ها در آب بیندازید، موج‌ها از سنگ جلو می‌زنند. حالا در این مثال، به‌جای سنگ، هواپیما را تصور کنید.

اگر هواپیما با سرعتی معادل سرعت امواج حرکت کند، امواج صوتی تولیدشده در جلوی دماغه هواپیما بر روی هم انباشته می‌شوند؛ یعنی هوا دیگر فرصت نمی‌کند تا از سر راه هواپیما کنار برود و به‌شدت متراکم می‌شود.

این توده‌هوای فوق فشرده، همان چیزی است که به آن دیوار صوتی می‌گوییم. زمانی که سرعت هواپیما از ماخ ۱ بیشتر شود، این سد فشاری شکافته شده و امواج صوتی که دیگر نمی‌توانستند به جلو حرکت کنند، به‌صورت یک مخروط فشاری بزرگ به نام مخروط ماخ به سمت عقب و پایین پرتاب می‌شوند. این رهاسازی ناگهانی انرژی و فشار، همان انفجاری است که ما بر روی زمین می‌شنویم.

انواع امواج صوتی:

صدای مهیبی که در اثر شکستن دیوار صوتی ایجاد می‌شود، در یک‌لحظه خاص نیست و ممکن است ادامه‌دار باشد؛ یعنی تا زمانی که هواپیما با سرعت مافوق صوت حرکت کند، این مخروط فشار را به دنبال خود می‌کشد و مسیری که این صدا بر روی زمین طی می‌کند، فرش صوتی نامیده می‌شود.

انفجار صوتی معمولاً به دو شکل اصلی به گوش می‌رسند:

۱- موج N: این موج در پروازهای مستقیم و پایدار ایجاد می‌شود. فشار هوا ناگهان به اوج می‌رسد، سپس به‌طور خطی کاهش یافته و زیر فشار محیط می‌رود و دوباره با یک شوک به فشار عادی برمی‌گردد. این فرآیند باعث می‌شود تا ناظر روی زمین معمولاً دو صدای بوم پشت سر هم بشنود که اولی ناشی از شوک دماغه و دومی ناشی از شوک دم هواپیماست.

۲- موج U: این موج وقتی هواپیما در حال انجام مانورهای تند، دور زدن یا شیرجه رفتن باشد، ایجاد می‌شود. در این حالت، امواج شوک در نقاط خاصی متمرکزشده و شدتی بین ۲ تا ۵ برابر موج N پیدا می‌کنند. این دقیقاً همان تکنیکی است که در جنگ‌های روانی برای ایجاد صداهای بسیار وحشتناک‌تر از حد معمول استفاده می‌شود.

شدت و اثرات تخریبی بر سازه‌ها

شدت انفجار صوتی با واحد پوند بر فوت مربع (psf) سنجیده می‌شود. فشار جو زمین در حالت عادی حدود ۲۱۱۶ پوند بر فوت مربع است و انفجار صوتی یک اضافه فشار بر این مقدار پایه است.

مقدار اضافه فشار (psf)

آثار

کمتر از ۱

شنیدن صدایی شبیه به رعدوبرق دور و بدون آسیب

۱ تا ۲

لرزش پنجره‌ها و ایجاد واکنش اضطرابی در مردم

۲ تا ۵

احتمال شکستن شیشه‌های قدیمی یا بزرگ و ایجاد ترک‌های سطحی در گچ‌بری‌ها

۵ تا ۱۰

احتمال آسیب به سازه‌های ضعیف و سقوط اشیاء از قفسه‌ها

۲۰ تا ۱۴۴

ایجاد آسیب‌های سازه‌ای جدی؛ نتیجه پرواز یک F-۴ در ارتفاع ۱۰۰ فوتی است.

البته حتی قوی‌ترین انفجارهای صوتی ثبت‌شده (۱۴۴ psf) هم باعث آسیب مستقیم جسمی به انسان نمی‌شوند و فشارهای بالاتر از ۷۲۰ psf ممکن است به پرده گوش آسیب بزنند.

هاله بخار و توهمات بصری

خیلی از افراد به اشتباه تصور می‌کنند که دیدن ابر مخروطی در اطراف هواپیما، نشانه لحظه شکستن دیوار صوتی است؛ اما این پدیده که هاله بخار نام دارد، به دلیل کاهش ناگهانی فشار و دما در اطراف بدنه هواپیما که باعث میعان بخار آب موجود در هوا می‌شود، رخ می‌دهد.

البته این پدیده با سرعت مافوق صوت هم‌زمان نیست و ممکن است در سرعت‌های فراتر از صوت، یعنی بین ماخ ۰.۸ تا ۱.۲ هم اتفاق بیفتد. در وقوع این اتفاق، میزان رطوبت هوا نقش تعیین‌کننده‌ای دارد؛ یعنی در هوای مرطوب روی اقیانوس‌ها، این هاله‌ها بسیار واضح‌تر از هوای خشک بیابان‌های خاورمیانه شکل می‌گیرند.

چه پرنده‌هایی می‌توانند دیوار صوتی را بشکنند؟

توانایی عبور از سرعت صوت، مرزی است که تجهیزات پرنده را به دسته‌های متفاوتی تقسیم می‌کند:

۱- جنگنده‌های سرنشین دار: پادشاهان سرعت

تمام جنگنده‌های تراز اول دنیا، توانایی عبور از دیوار صوتی را دارند. چراکه این هواپیماها برای تحمل فشارهای آیرودینامیکی و حرارتی ناشی از سرعت‌های بالا طراحی‌شده‌اند.

۲- موشک‌ها: از کروز تا هایپرسونیک

گرچه خیلی از هواپیماها، همیشه از دیوار صوتی عبور نمی‌کنند، اما بسیاری از موشک‌ها برای دنیای مافوق صوت طراحی‌شده‌اند:

نام موشک / نوع

کشور سازنده

حداکثر سرعت (ماخ)

وضعیت دیوار صوتی

تاماهاک (کروز)

آمریکا

۰.۸

زیرصوت؛ دیوار صوتی را نمی‌شکند.

سومار (کروز)

ایران

زیرصوت

برای پنهان‌کاری، زیر سرعت صوت پرواز می‌کند.

براهموس

هند/روسیه

۳.۰

دائماً در وضعیت مافوق صوت است.

فتاح-۱ (بالستیک)

ایران

۱۳ تا ۱۵

هایپرسونیک؛ با ورود به جو، شوک‌های عظیمی ایجاد می‌کند.

موشک‌های بالستیک ایران ازجمله سری فتاح، با سرعت‌هایی فراتر از ماخ ۵ (هایپرسونیک) حرکت می‌کنند. این موشک‌ها نه‌تنها دیوار صوتی را می‌شکنند، بلکه به دلیل سرعت بسیار بالا، هوای اطراف خود را یونیزه کرده و به پلاسما تبدیل می‌کنند و همین ردیابی آن‌ها توسط رادارهای معمولی را سخت می‌کند.

موشک فتاح

پهپادها: سد صوتی، مرز جدید پرنده‌های بدون سرنشین

شاید برایتان این سؤال مطرح شود که آیا پهپادها هم می‌توانند دیوار صوتی را بشکنند؟ پاسخ کوتاه این است: اکثر آن‌ها خیر، اما نسل‌های جدید در حال تغییر قواعد بازی هستند.

پهپادهای انتحاری (شاهد ۱۳۱ و ۱۳۶): این پهپادها که شهرت جهانی دارند، با استفاده از موتورهای پیستونی، به‌سرعت ۱۸۵ کیلومتر بر ساعت می‌رسند که به‌مراتب کمتر از سرعت صوت (۱۲۲۵ کیلومتر بر ساعت) است؛ از همین رو هرگز دیوار صوتی را نمی‌شکنند. صدای «موتور گازی» مانندی که از آن‌ها شنیده می‌شود، ناشی از ملخ و موتور است و نه انفجار صوتی.

پهپادهای موتور جت (شاهد ۲۳۸ و کرار): شاهد ۲۳۸ که نسخه جت شاهد ۱۳۶ است، می‌تواند به‌سرعت ۶۰۰ کیلومتر بر ساعت برسد. پهپاد کرار ایران هم با سرعت ۹۰۰ کیلومتر بر ساعت، در رده گذارصوت قرار می‌گیرد. این پرنده‌ها سریع هستند اما هنوز نمی‌توانند دیوار صوتی را به‌طور کامل بشکنند.

پهپادهای مافوق صوت آینده: ترکیه با پروژه قزل‌الما و آمریکا با پروژه‌هایی مثل XQ−۵۸A در حال توسعه پهپادهایی هستند که رسماً از دیوار صوتی عبور می‌کنند. قزل‌الما در نسخه‌های پیشرفته‌اش (مدل B) برای پرواز مافوق صوت طراحی‌شده تا بتواند در کنار جنگنده‌های سرنشین‌دار عملیاتی شود.

پهپاد شاهد

جنگ روانی: وقتی صدا از بمب خطرناک‌تر می‌شود

در خیلی از جنگ‌ها، صدا به‌تنهایی در حکم یک سلاح عمل می‌کند. ارتش اسرائیل در عملیات‌هایش در لبنان و غزه، بارها از شکستن دیوار صوتی در ارتفاع پایین برای تحت تأثیر قرار دادن روحیه غیرنظامیان و نیروهای مقاومت استفاده کرده است. طبق توضیح استراتژیست‌های نظامی، اهداف متعددی برای این کار وجود دارد:

ایجاد حس ناامنی دائمی: القای این باور که آسمان شهر کاملاً در اختیار دشمن است و هرلحظه ممکن است بمباران واقعی آغاز شود.

تحریک سیستم‌های پدافندی: وادار کردن پدافند هوایی به واکنش و شناسایی موقعیت رادارهای آن‌ها.

در این میان برخی از کارشناسان حقوق بین‌الملل بر این باور هستند که استفاده عمدی و مکرر از شکستن دیوارهای صوتی، نوعی مجازات دسته‌جمعی تلقی می‌شود.

چگونه شکسته شدن دیوار صوتی را تشخیص دهیم؟

تشخیص نوع صدا در شرایط جنگی، همیشه اهمیت سرنوشت سازی دارد. پیش از این در مقاله‌ای درباره تشخیص صدای انواع جنگنده‌ها و بمب افکن‌ها و موشک‌ها و بمب‌های سنگرشکن صحبت کرده بودیم؛ اما حالا می‌خواهیم به این سؤال پاسخ بدهیم که چطور صدای شکستن دیوار صوتی را متوجه شویم و علائم وقوع این اتفاق چیست:

انفجار صوتی (دیوار صوتی)، صدایی شبیه به «تق» یا «بوم» خیلی تیز و خشکی دارد. لرزش آن بیشتر در هوا و شیشه‌ها حس می‌شود تا زمین. معمولاً دو صدای پشت سر هم (به فاصله کسری از ثانیه) شنیده می‌شود.

این درحالی است که یک انفجار واقعی، معمولاً با لرزش زمین (موج لرزه‌ای) همراه است و صدایش کوتاه‌تر و کدرتر است. اگر دود یا نوری دیده شد، دیگر می توان قاطعانه گفت که انفجار فیزیکی رخ داده است. اما اگر صدایی مداوم و شبیه به موتور سیکلت یا ماشین چمن‌زنی شنیدید که به‌تدریج بلند و سپس کم می‌شود، باید بدانید که این صدای پهپادهای زیرصوت است.

توازن وحشت در مقیاس ماخ

این روزها بحث دیوار صوتی فراتر از یک موضوع در کتاب‌های فیزیک است. این پدیده نقطه تلاقی مهندسی پیشرفته، قدرت نظامی و جنگ اعصاب است. وقتی یک جنگنده F-۳۵ یا یک موشک فتاح دیوار صوتی را می‌شکند، پیامی فراتر از جابه‌جایی هوا مخابره می‌شود؛ پیامی حاوی هشدار، تسلط و توانایی نفوذ به عمق استراتژیک حریف.

اما آگاهی از ماهیت این پدیده برای عموم مردم، به کاهش اضطراب‌های ناشی از جنگ روانی کمک زیادی می‌کند. درک اینکه هر صدای مهیبی به معنی انفجار بمب یا ریزش ساختمان نیست، بخشی از تاب‌آوری در دوران بحران است. با پیشرفت تکنولوژی، رقابت بر سر سریع‌تر و بی‌صداتر بودن ادامه دارد و آسمان ، همچنان آزمایشگاه اصلی این رقابت‌های پرهزینه و خطرناک باقی خواهد ماند.