وبلاگ

بدنه خمیده: چرا بخش ورود به جو فضاپیماها نوک تیز نیست؟

ورود فضاپیما به جو
بدنه خمیده: چرا بخش ورود به جو فضاپیماها نوک تیز نیست؟
۴.۷ (۹۳.۳۳%) ۳ امتیازها

آيا تا‌ به ‌حال به اين موضوع فكر كرده‌ايد كه چرا با اين‌كه در صنعت هوافضا تلاش می شود هواپيماهاى تندرو و فراصوت را به صورت نوک تيز بسازند، بخش ورود به اتمسفر فضاپيماها كه سرعتشان در هنگام وارد شدن به اتمسفر بالاتر از بيست برابر سرعت صوت است به صورت خميده می باشد؟! اگر تا به حال به اين موضوع توجه نكرده بوديد بد نيست ادامه‌ى مطلب را بخوانيد.

ورود فضاپیما به جو

بدنه خمیده فضاپیماها برای ورود به جو

در اواخر دوران جنگ جهانى دوم، مباحث آيروديناميک در سرعت‌هاى بالا و فراصوت مورد توجه ويژه‌اى قرار گرفت. در اين زمان متخصصان اين علم براى كم كردن نيروى پس‌كشى يا همان دِرَگ به استفاده از بدنه‌هاى باريک و دماغه هاى نوك تيز روى آوردند؛ چرا كه هرچه بدنه باريک تر و نوک تيز‌تر باشد، موج شوك ايجاد شده در جلوى آن ضعيف‌تر بوده و در نتيجه نيروى درگ كمترى را ايجاد می كند. بر همين اساس موشك هاى وى-٢ آلمان نازى كه اولین سرى موشک هاى ساخته شده در جهان است، و تمامى موشک هاى ساخته شده در دهه‌ى بعد از آن، نوكِ تيز و بدنه اى باريک داشتند. تا اينكه در سال ١٩٥٣ اولين بمب هيدروژنى توسط آمريكايى ها ساخته شد؛ اين امر موجب ساخت موشك‌هاى دوربرد قارّه‌پيما براى حمل چنين بمب‌هايى گشت. اين نوع موشك‌ها بايد در ناحيه‌اى خارج از جوّ زمين (در ارتفاع حدود٣٠٠٠ كيلومتر) حركت مى‌كردند و در سرعتى كمتر از سرعت مدارى (حدود ٦٧٥٠  تا ٧٣٥٠ متر بر ثانيه)، وارد اتمسفر مى‌شدند. در چنين سرعت بالايى گرماى ايجاد شده در سطح وسيله به حد غيرقابل تحمّلى مى‌رسيد و باعث ذوب شدن آن قبل از رسيدن به هدف مى‌شد.

در اين زمان اين مشكل گرم شدن اساسى‌ترين مشغله‌ى ذهنی دانشمندان فعّال در زمينه‌ى آيروديناميك بود. راه‌حل‌ اوليه‌ى آنان بسيار ساده‌انگارانه بود؛ استفاده از يك بدنه‌ى نازك نوك تيز. تلاش‌هاى اوليّه براى حل اين مشكل بر روى حفظ لايه‌ى مرزى آرام بر روى بدنه متمركز شده بود، چرا كه اين نوع رژيم جريان گرماى بسيار كمترى نسبت به جريان مغشوش در لايه‌ى مرزى ايجاد مى‌كرد. امّا طبيعت به جريان مغشوش گرایش دارد و در این مورد، اجسام ورود به جوّ نیز استثناء نيستند. بنابراين اجسام نوك تيزی که قصد ورود به جو را داشتند، محكوم به شكست بودند، چرا كه در جو و قبل از رسيدن به سطح زمين كاملاً ذوب می شدند.

ورود فضاپیما به جو

در سال ١٩٥١ يكى از اتفاقات نادر در رشته‌ى مهندسى، توسط اچ. جوليان آلن در آزمايشگاه هوانوردى آمز ناكا (كميته‌ى ملى توصيه‌هاى هوانوردى) -كه بعدا به ناسا (سازمان ملى هوافضا) تغيير نام داد- به وقوع پيوست. او ايده‌ى استفاده از بدنه‌ى خميده را مطرح كرد. اين ايده‌ى او در این ريشه داشت که زمانى كه يك جسم وارد اتمسفر مى‌شود به دليل سرعت زياد، مقدار بسيار زيادى انرژى جنبشى دارد و مقدار زيادی انرژى پتانسيل به دليل ارتفاع زياد؛ اما زمانى كه به سطح زمين نزديك مى‌شود سرعت آن به نسبت كم بوده و ارتفاعش نيز به صفر می‌رسد. اين انرژى زياد به كجا رفته؟! جواب اين سؤال گرماى بدنه و گرماى هواى اطراف بدنه است. موج شوك در نوك جسم هواى پيرامون بدنه را گرم مى‌كند، در همين حين، بدنه توسط اصطكاك موجود در لايه‌ى مرزى گرم مى‌شود. آلن نتيجه گرفت اگر بيشتر انرژى موجود هنگام ورود را بتوان به هواى اطراف تخليه كرد، گرما كمتری براى منتقل شدن به خود وسيله باقى‌ مى‌ماند. براى افزايش گرماى هواى پيرامون بايد موج شوك قوى‌ترى در جلوى بدنه به وجود آورد كه براى اين كار بايد از يك بدنه با نوك خميده استفاده نمود. اين نتيجه‌گيرى اهمّيّت بسيار زيادى داشت، تا حدى كه در ابتدا به صورت اطلاعات طبقه‌‌بندى شده در مدارك دولتى ثبت شد.

اين نظريه با توجه به نامتعارف بودن و اين‌كه در ظاهر درست به نظر نمى‌رسيد، طى زمانی چند ساله مورد قبول مجامع علمى واقع شد. در طى اين سال‌ها آزمايشات و تحليل هاى آيروديناميكى بيشترى انجام شد و درستى اين نظريه را اثبات كرد. تا سال ١٩٥٥ آلن به خاطر نظريه‌ى بزرگش بسيار معروف شد و بالاخره در سال ١٩٥٨ نظريه‌ى او به صورت علنى و در گزارش ١٣٨١ ناكا منتشر شد. پس از آلن، تمامى وسايل ورود به جو، از موشک هاى بالستيک گرفته تا كپسول آپولو همه با نوكی خميده ساخته شدند.

مرجع: نشریه مکانیکا
نویسنده: سروش مانی

نوشتن دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

شما ممکن است از این برچسب ها و خصوصیات HTML استفاده کنید:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>