تقرير: اختراق في السرعات الفرط صوتية قد يتيح رحلات عبر العالم خلال ساعة

نشر موقع "سايتك ديلي" تقريرا لمعهد ستيفنز للتكنولوجيا، قال فيه إنه إذا أصبح الأمر ممكنا يوما ما، فإن الطيران بسرعات فرط صوتية، الذي كان في السابق مجرد خيال علمي، قد يُحدث تغييرا جذريا في السفر العالمي. فالرحلات التي تستغرق حاليا يوما كاملا قد تُختصر إلى مدة قصيرة، وعلى سبيل المثال، قد تستغرق الرحلة من سيدني إلى لوس أنجلوس ساعة واحدة فقط بدلا من خمس عشرة ساعة.

يقول البروفيسور نيكولاس بارزيالي، الذي تُركز أبحاثه على جعل هذا الطيران فرط الصوتي واقعا ملموسا، والحائز مؤخرا على جائزة الرئيس للعلماء والمهندسين في بداية مسيرتهم المهنية عن بحثه في ميكانيكا الموائع التي تؤثر على الطيران عالي السرعة: "إنه يُقلّص مساحة الكوكب حقا. سيجعل السفر أسرع وأسهل وأكثر متعة".

حاجز الحرارة والاضطرابات
قد يبدو تغطية نصف الكرة الأرضية في ساعة واحدة مستحيلا، إلا أن هذا الهدف يقترب من التحقق. تصل الطائرات العسكرية بالفعل إلى ضعفي أو حتى ثلاثة أضعاف سرعة الصوت، أي ماخ 2 وماخ 3، حيث يعادل ماخ 1 حوالي 760 ميلا في الساعة عند مستوى سطح البحر. ولقطع رحلة لوس أنجلوس - سيدني في ساعة واحدة، تحتاج الطائرة إلى الوصول إلى ماخ 10، أي عشرة أضعاف سرعة الصوت، ويكمن التحدي الأكبر في الاضطرابات الشديدة والحرارة الناتجة عن اختراق الطائرة للغلاف الجوي بهذه السرعات القصوى.

لا يتصرف الهواء بنفس الطريقة عند السرعات البطيئة والسريعة، ويستخدم مهندسو الطيران مصطلحات محددة لوصف الفرق: التدفق غير القابل للانضغاط والتدفق القابل للانضغاط. في التدفق غير القابل للانضغاط، الذي يحدث عند سرعات أقل (أقل من حوالي 0.3 ماخ أو 225 ميلا في الساعة)، لا تتغير كثافة الهواء تقريبا، مما يُبسّط حسابات التصميم. ومع ذلك، بمجرد أن تتجاوز السرعات حاجز الصوت، يصبح تدفق الهواء قابلا للانضغاط. يوضح بارزيالي قائلا: "هذا لأن الغاز قادر على "الانضغاط".

كيف تُغير قابلية الانضغاط ديناميكيات الطيران؟
يُسبب الانضغاط تغيرا جذريا في كثافة الهواء مع تغيرات الضغط ودرجة الحرارة، مما يُغير كيفية تفاعل الطائرة مع الهواء المحيط. "تؤثر قابلية الانضغاط على كيفية تدفق الهواء حول جسم الطائرة، وهذا يُمكن أن يُغير عوامل مثل الرفع والسحب والدفع اللازمة للإقلاع أو البقاء في الجو". هذه العوامل بالغة الأهمية في كيفية تصميم أي طائرة.

يُدرك المهندسون جيدا تدفق الهواء للطائرات التي تُحلق بسرعة أقل من سرعة الصوت أو قريبة منها، والتي تُعرف بأرقام "الماخ المنخفضة". لكن تصميم المركبات التي تُحلق بسرعة تتراوح بين خمسة وعشرة أضعاف هذه السرعة يتطلب فهم تدفق الهواء في ظل ظروف أكثر قسوة. لا يزال هذا اللغز يُحيط به بعض الغموض، باستثناء فكرة توجيهية واحدة تُعرف باسم فرضية موركوفين.

فرضية موركوفين: اضطراب عبر حاجز الصوت.
صاغها مارك موركوفين في منتصف القرن العشرين، وتفترض أنه عند تحرك الهواء بسرعة 5 أو 6 ماخ، لا يتغير سلوك الاضطراب كثيرا مقارنة بالسرعات المنخفضة. ورغم أن كثافة الهواء ودرجة حرارته تتغيران بشكل أكبر في التدفقات الأسرع، تنص الفرضية على أن الحركة "المتقطعة" الأساسية للاضطراب تبقى ثابتة في الغالب.

يقول بارزيالي: "ببساطة، تعني فرضية موركوفين أن طريقة حركة الهواء المضطرب عند السرعات المنخفضة والعالية لا تختلف كثيرا. إذا كانت الفرضية صحيحة، فهذا يعني أننا لسنا بحاجة إلى طريقة جديدة كليا لفهم الاضطرابات عند هذه السرعات العالية. يمكننا استخدام نفس المفاهيم التي نستخدمها للتدفقات الأبطأ". هذا يعني أيضا أن الطائرات الأسرع من الصوت لا تحتاج إلى نهج تصميم مختلف تماما.


ومع ذلك، لم يتمكن أحد حتى الآن من تقديم أدلة تجريبية كافية لدعم فرضية موركوفين. وقد أصبح هذا موضوع دراسة بارزيالي الجديدة، بعنوان "الكميات المضطربة فرط الصوتية لدعم فرضية موركوفين"، والتي تُنشر اليوم (12 تشرين الأول/ نوفمبر) في مجلة Nature Communications.

اختبار الفرضية: الليزر والكريبتون وعقد من العمل

في الدراسة، استخدم فريق بارزيالي الليزر لتأين غاز يُسمى الكريبتون، والذي يُزرع في الهواء المتدفق داخل نفق هوائي. أدى ذلك إلى تشكيل ذرات الكريبتون خطا مستقيما متوهجا في البداية مؤقتا. ثم استخدم الباحثون كاميرات فائقة الدقة لالتقاط صور لكيفية تحرك خط الكريبتون الفلوري هذا،

وانحناءه، والتواءه عبر هواء نفق الرياح - على غرار دوران ورقة شجر عبر الدوامات الصغيرة في النهر.
يقول بارزيالي: "أثناء تحرك هذا الخط مع الغاز، يمكنك رؤية تجاعيد وبنية في التدفق، ومن ذلك، يمكننا تعلم الكثير عن الاضطرابات"، مضيفا أنه أمضى 11 عاما في بناء هذا النظام الذكي. "وما وجدناه هو أنه عند سرعة 6 ماخ، يكون سلوك الاضطرابات قريبا جدا من سلوك التدفق غير القابل للضغط".

في وقت مبكر، حظيت مجموعة بارزيالي بدعم من برنامج أبحاث الباحثين الشباب التابع لمكتب القوات الجوية للأبحاث العلمية (YIP) عام 2016، وبرنامج أبحاث الباحثين الشباب التابع لمكتب الأبحاث البحرية (ONR) عام 2020، ويدعم المكتب العمل الحالي.

نحو السفر بسرعات تفوق سرعة الصوت والسفر الفضائي
على الرغم من أن الفرضية لم تُؤكد بالكامل بعد، إلا أن الدراسة تُقرّبنا خطوة أخرى من الطيران بسرعات تفوق سرعة الصوت، إذ تُشير إلى أن الطائرات لا تحتاج إلى تصميم جديد كليا للطيران بسرعات تفوق سرعة الصوت. وهذا يُبسّط الأمور.

يقول بارزيالي: "اليوم، علينا استخدام الحواسيب لتصميم طائرة، وستكون الموارد الحاسوبية اللازمة لتصميم طائرة تطير بسرعة ماخ ٦، مما يجعل محاكاة جميع التفاصيل الصغيرة والدقيقة أمرا مستحيلا. تسمح لنا فرضية موركوفين بتبسيط الافتراضات، مما يُسهّل تحقيق المتطلبات الحاسوبية لتصميم مركبات تفوق سرعة الصوت."

يوضح بارزيالي أن نتائج الدراسة تُبشّر بتغيير جذري في كيفية النقل الفضائي. ويضيف: "إذا استطعنا بناء طائرات تحلق بسرعة تفوق سرعة الصوت، فسنتمكن أيضا من إطلاقها إلى الفضاء، بدلا من إطلاق الصواريخ، مما يُسهّل النقل من وإلى مدار الأرض المنخفض". ويضيف: "سيُحدث هذا نقلة نوعية في مجال النقل، ليس فقط على الأرض، بل أيضا في المدارات المنخفضة".