مقدمة MHD2
...في الممر المتباعد لقناة صوتية (على سبيل المثال ثنائية الأبعاد)، يتم تسريع الغاز:
..أعلاه موجات ماتش في الممر المتباعد لمحرك صاروخي. تبدو هذه الموجات وكأنها تنعكس على الجدار. وهذا مرتبط بشرط توافق يتعلق بالتدفق على الجدار: منصف موجات ماتش الداخلية أو الخصائص يمثل اتجاه التدفق، والذي يجب أن يكون مماسًا للجدار.
...تُحقَّق سرعة الصوت في الحلق. في الأماكن السابقة، يكون الغاز بسرعة تحت الصوتية. يتم تسريعه في الممر المتباعد ويقل الضغط. سيعمل محرك الصاروخ بكفاءة أفضل كلما كانت سرعة الإطلاق أعلى. ولكن هناك جانب سلبي: يجب أيضًا أن يتم إخراج الغاز بضغط مساوي للضغط المحيط، في الارتفاع الذي يعمل فيه هذه المحركات. يُسمى هذا "تكيف القناة". إذا كان الممر المتباعد مفرطًا، سيتم إخراج الغاز بضغط أقل من الضغط المحيط (الجوي) وستظهر موجات صدمة إعادة الضغط. تُعرف موجات ماتش أيضًا باسم "الخصائص" للتدفق. في محرك صاروخي ذي تناظر دوراني، هذه موجات ماتش مخروطية. وهذا يعني أنه في أي نقطة من القناة، إذا وُضع عائق ثابت بحجم حبة رمل، فإنه سيولد موجة ماتش مخروطية.
..يتوافق متجه السرعة مع نصف زاوية الرأس للمخروط. كلما زاد عدد ماتش، أصبح مخروط ماتش أكثر حدة.
...محركات الطائرات النفاثة مزودة بقناة ذات مقطع متغير، حيث يتوسع الممر المتباعد تدريجيًا مع زيادة الارتفاع وتقليل الضغط المحيط.
..يتم تزويج ممرات القنوات في محركات الطائرات النفاثة بـ "أزهار" تفتح باستخدام أسطوانات هيدروليكية، تدريجيًا مع تناقص الضغط، وهذا يتم مباشرة من خلال قياس بارومتري. وبما أن سرعة الإطلاق أعلى، فإن هذه المحركات تتمتع بكفاءة أفضل في الارتفاعات العالية.
...لكن دعونا نعود إلى ممرنا. ماذا يحدث عندما يظهر المنعطف على هذا النحو:
...على اليسار، "الممر المركزي" ليس مفرطًا. تميل الخصائص (موجات ماتش) إلى التقارب، لكنها لا تتقاطع (إذا تقطعت، فستكون خارج التدفق نفسه). هناك انخفاض في "عدد ماتش المحلي"، وسرعة وزيادة في ارتفاع الماء (المكافئ للضغط في الغاز).
...على اليمين، المنعطف مفرط. تميل موجات ماتش إلى التداخل. يظهر "صورة مائية" مشابهة لموجة صدمة في الغاز. يعاني التدفق من انقطاع. في الجانب التالي لموجة الصدمة، تنخفض السرعة فجأة، عند عبور الصورة-الموجة.
..الجدار الأمامي لسفن هو أيضًا "ممر مركزي". إذا كانت السفينة تتحرك بسرعة منخفضة، أقل من سرعة انتشار موجات السطح (وبالتالي في "السرعة تحت الصوتية")، لا توجد موجات ماتش. بشكل مرتبط، يبقى مستوى الماء ثابتًا.
...بسرعة أكبر (V > a)، يمكننا باستخدام الحاسوب حساب هندسة موجات ماتش النظرية في تدفق ثنائي الأبعاد. نلاحظ أنها تتقاطع، وتتجه نحو التركيز:
...في الرسم أعلاه، تم حساب موجات ماتش النظرية في تدفق غازي، من خلال حل معادلات ميكانيكا السوائل (نافيير-ستوكس) حول شكل جناح مُستدير، مُغمور في تدفق غازي فائق الصوت، باستخدام الحاسوب (1979). نلاحظ أن موجات ماتش تتجه نحو التركيز. تم تمثيل عائلة واحدة من الموجات. هذه الأماكن من التركيز هي "أماكن الولادة" لموجات الصدمة. فعلاً، هذه موجات ماتش هي موجات ضغط صغيرة. لذلك، التدفق أعلاه ليس واقعيًا فعليًا. نلاحظ وجود اثنين من "الأوراق المفتوحة" على جانبي الشكل. وبالتالي، سيظهر نظامان من موجات الصدمة:
..في الجانب التالي لموجات الصدمة، يتم "صدم" الغاز، ويُعاد ضغطه، وتنخفض سرعته. يحدث هذا الظاهرة في سماكة صغيرة جدًا: بضع مئات من المليمتر.
..في الجانب التالي لموجة الصدمة الأمامية، بعد أن تم تقليل سرعة الغاز فجأة، يتم تسريعه باستمرار، وفقًا لـ "ورقة مفتوحة". حتى يتم تسريعه أكثر من اللازم، يجب أن تحدث موجة صدمة ثانية، تُسمى موجة الصدمة الخلفية، على حافة الجناح لاستعادة الضغط المحيط في الجانب التالي، وفقًا لمبدأ ذكره في روايتي "جدار الصمت" (انظر "CD-Lanturlu"):
*يُطلب من الغاز أن يبقى في الحالة التي وُجد بها عند الدخول. *
..يمر متجه السرعة أيضًا بانقطاع في الاتجاه، إذا كان حافة المقدمة على شكل مدبب:
(ظاهرة مشابهة لحافة المقدمة، إذا كانت أيضًا على شكل مدبب).
...لننظر ماذا يعطي هذا في مثال هيدروليكي.
...نرى أن تسارع الماء على جانبي السفينة يُظهر الجزء من القارب الذي يبقى ساكنًا أسفل خط الماء.
...هذه الأنظمة من الموجات (في تدفق غازي أو في تدفق سائل حر) تغير توزيع الضغط حول الشكل أو القارب. ويترتب على ذلك * مقاومة موجية * تُضاف إلى مقاومة الاحتكاك. عندما تكون رحلة فائقة الصوت (مثل رحلة طائرة كونكورد)، تصبح مقاومة الموجة كبيرة جدًا بحيث تفوق بوضوح مقاومة الاحتكاك. لذلك، الطيران الفائق الصوت يستهلك كمية كبيرة من الطاقة، ويجب أن تكون الطائرات مزودة بمحركات قوية. وبالمثل، لا يمكن إجراء هذه الرحلات الفائقة الصوتية إلا في الارتفاعات العالية، وإلا ستكون مقاومة الموجة مكلفة للغاية. لا يمكن لطائرة نفاثة أن تتجاوز Mach 1.2 بالقرب من الأرض.
أين تذهب هذه الطاقة؟ تُهدر بطريقةين. تُنتج المركبات الفائقة الصوتية "صوتًا قويًا جدًا"، يوزع هذه الطاقة بعيدًا عنهم، تمامًا كما تُهدر طاقة موجة الصدمة الناتجة عن الانفجار على مسافات كبيرة. كما تُسبب موجة الصدمة تسخين الهواء، لكن التبديد على شكل صوت هو الأكبر.
..لدينا هنا عرض نظام "موجات مثبتة". إذا كانت الجزء الأمامي من المركبة مُعَرَّضًا (مثل أنف أو حافة مقدمة للجناح والذيل، في حالة مركبة الفضاء)، فإن موجة الصدمة تتشكل على بعد معين من الجسم. وبما أن السرعة صفر في "نقطة التوقف" من التدفق، يصبح التدفق تحت الصوتي بعد الموجة، ثم يتم تسريعه مجددًا.
..يصاحبه تسخين عند إعادة ضغط الغاز بعد موجة الصدمة. تزداد درجة حرارة "نقطة التوقف" بسرعة كبيرة مع عدد ماتش (كمربعها). لذلك، تواجه الطائرات الفائقة الصوتية، على أجزاءها الأمامية (الأنف، الحواف المقدمة)، عبئًا حراريًا كبيرًا. على الرغم من أن هذا يؤدي إلى زيادة مقاومة الموجة، يجب أن تكون الأنف أو الحواف المقدمة مُعَرَّضَة بسرعة عالية (حالة فائقة الصوت) لتوزيع تدفق الحرارة. تذكّر أن أنف المركبة التجريبية مثل X-15 مُعَرَّض بدرجة كبيرة.
..في حالة الأجسام التي تدخل الغلاف الجوي، لا يشكل هذا مشكلة، لأننا نسعى إلى التباطؤ. كبسولات الدخول الروسية مُحَوَّلة بشكل كروي. تتميز الكبسولات الأمريكية بوجود "درع حراري" كبير، أو يتم تآكل جزء من المادة (لا تُصمم لخدمة دقائق قليلة فقط، ويجب استبدالها بعد كل دخول، إذا كانت الكبسولة قابلة لإعادة الاستخدام).
...في عام 1975، طرحنا مشكلة احتمال تطور فائق الصوت، وحتى فائق...