پرواز مافوق صوت تجاری برفراز خشکی سرانجام امکان‌پذیر می‌شود؟
سال ۱۹۴۷، چاک ییگر، خلبان آزمایش نیروی هوایی ارتش آمریکا به نخستین فردی تبدیل شد که دیوار صوتی را می‌شکند. او این کار را با هواپیمای نارنجی‌رنگ کوچکی به‌نام بل ایکس۱ انجام داد که دراصل کاکپیت و دو بال متصل به موتور موشک بود. ییگر همانند تمام هوانوردان مافوق صوت، پشت سر خود غرش صوتی (Sonic Boom) به‌جا گذاشت. اصل پشت این غرش ساده است: صوت به‌صورت امواج طولی یا فشاری در هوا حرکت می‌کند. این امواج بدین دلیل به این نام خوانده می‌شوند که با افزایش و کاهش چگالی هوا شکل می‌گیرند.
همان‌طور که هواپیما پرواز می‌کند، امواج در تمام جهات با سرعت صوت منبسط می‌شوند؛ اما وقتی هواپیما خود از این سرعت فراتر می‌رود (در سرعت تقریبا ۱۲۴۰ کیلومتر بر ساعت در سطح دریا یا تقریبا ۱۰۶۲ کیلومتر بر ساعت در ارتفاع کروز)، همپای امواجی می‌شود که در مقابلش درحال انبساط هستند. در این وضعیت، امواج شروع به انباشت می‌کنند و درنهایت موجی واحد و ترکیب‌شده به یک‌باره به زمین می‌رسد و غرش ایجاد می‌کند.
اتفاقی نیست که غرش‌های صوتی مانند تندر یا صدای صاعقه به گوش می‌رسند. تندر غرشی صوتی است که دراثر امواج شوک درحال انبساط در اطراف صاعقه به‌وجود می‌آید. برخلاف آنچه احتمالا تصور می‌کنید، هواپیما وقتی دیوار صوتی را می‌شکند، نه‌فقط یک‌بار، بلکه به‌طور پیوسته تا زمانی که فراتر از صوت درحال پرواز است، غرش صوتی ایجاد می‌کند.
برنامه‌ها برای ساخت هواپیمایی که بعدا کنکورد (نخستین هواپیمای تجاری مافوق صوت) را شکل داد، در دهه ۱۹۵۰ آغاز شد. ناسا پس از بنیان‌گذاری در سال ۱۹۵۸، به سراغ کار روی ایده حمل‌ونقل مافوق صوت رفت و درنهایت از بین چند گزینه، طراحی بوئینگ را انتخاب کرد. اما این پیشگامی‌ها در زمانی انجام شد که غرش‌های صوتی هنوز به‌طول کامل شناخته نشده بودند.
دانشمندان ناسا در چکیده‌ای فنی در سال ۱۹۶۰، هشدار دادند که «فشارهای سروصدای موج شوک ممکن است به‌اندازه‌ای شدید باشند که علاوه‌بر ایجاد مزاحمت، به بخش‌هایی از سازه‌های ساختمان‌های زمینی همچون پنجره‌ها آسیب برسانند.» بااین‌حال، اندازه‌گیری وسعت کامل این مزاحمت قدری زمان‌بر بود. درطول ده ماه بین سال‌های ۱۹۶۱ و ۱۹۶۲، نیروی هوایی آمریکا و اداره هوانوردی فدرال (FAA) با انجام عملیات بونگو، بمب‌افکن‌های بی۵۸ را برفراز سنت لوئیس به‌پرواز درآوردند و درباره تقریبا ۱۵۰ غرش صوتی ایجاد‌شده توسط هواپیماها، از شهروندان سؤال کردند. نویسندگان فقط به این نتیجه رسیدند که پس از غرش‌های مکرر، «می‌توان نوعی واکنش را انتظار داشت.»
وقتی عملیات بونگو ۲ در سال ۱۹۶۴ بیش از هزاران غرش صوتی برفراز اوکلاهاما سیتی ایجاد کرد، تصویری واضح‌تر از پیامدهای پرواز مافوق صوت ظاهر شد. مردم شهر از مزاحمت برای خواب، گفتگوها و آرامش خاطر خود و ایجاد برخی ترک‌ها در گچ یا شیشه شکایت کردند. در پایان، تقریبا از هر چهار نفر یک نفر گفت نمی‌تواند با سروصدای پرواز هواپیماها کنار بیاید. این مطالعات در کنار د‌ها هزار ادعای خسارت مالی علیه نیروی هوایی (اسب‌ها و بوقلمون‌ها ظاهرا مرده یا دچار دیوانگی شده بودند)، موجب شد تا اداره هوانوردی فدرال، پرواز مافوق صوت غیرنظامی برفراز خشکی را در سال ۱۹۷۳ ممنوع کند.
کنکورد در سال ۱۹۶۹ نخستین پروازش را انجام داد و در سال ۲۰۰۳ به دلایل زیادی به پایان کار خود رسید. یکی از دلایل این حقیقت بود که هواپیما فقط اجازه داشت برفراز اقیانوس به سرعت مافوق صوت برسد. ماه گذشته، شرکت هواپیمایی یونایتد ایرلاینز اعلام کرد که درصدد خرید هواپیما از «بوم سوپرسونیک» است؛ استارتاپی آمریکایی که قصد دارد نسل جدیدی از هواپیماهای مسافربری مافوق صوت را تولید کند. اما هواپیمای بوم به‌نام «اورچور»، همچنان غرش خواهد کرد و درنتیجه پرواز مافوق صوت آن، دست‌کم با قدرت کامل به فراز دریا محدود خواهد بود. سفر مافوق صوت برفراز خشکی (از نیویورک تا سان‌فرانسیسکو در مدت تقریبا سه‌ساعت) به اختراع غرشی آرام‌تر بستگی دارد.
فقط در ۲۰ سال گذشته با به‌کارگیری مدل‌های کامپیوتری آیرودینامیک، ایجاد نوعی کوبش صوتی امکان‌پذیر شده است. مایکل بوآنانو، مسئول وسایل نقلیه هوایی در لاکهید مارتین به نیویورکر گفت «نظریه اصلی برای شکل‌گیری غرش صوتی درواقع درجریان ساخت کنکورد در دهه ۱۹۶۰ وجود داشت.» او افزود «متاسفانه کامپیوترها در آن زمان به‌اندازه‌ای قدرتمند نبودند تا شبیه‌سازی‌های پیشرفته لازم را برای محدودسازی واقعی [غرش صوتی] در شکل ایدئال اجرا کنند.» در سال‌های ۲۰۰۳ و ۲۰۰۴، ناسا با استفاده از شبیه‌سازی‌های بهتر در برنامه «آزمایش غرش صوتی شکل‌داده‌شده»، جنگنده نورثروپ اف-۵ را با دماغه اصلاح‌شده به پرواز درآورد.
پژوهشگران با اتصال بخشی جداشدنی به قسمت پایینی هواپیمایی از قبل ساخته‌شده، در هزینه‌ها صرفه‌جویی کردند و هواگرد حاصله را به‌دلیل ظاهر برآمده‌اش از نیم‌رخ، «پلیکان» نامیدند. در سال‌های ۲۰۰۶ و ۲۰۰۷، ناسا در همکاری با گلف‌استریم ایروسپیس، شرکت هواگردسازی آمریکایی به‌دنبال کار روی ایده‌ای مشابه رفت و قطعه‌ای نیزه‌مانند با طول تقریبا هفت متر را به دماغه جنگنده مک‌دانل داگلاس اف-۱۵ متصل کرد.
هواپیمای پلیکان که دراصل مدلی اصلاح‌شده از جنگنده نورثروپ اف-۵ بود.
در هر دو مورد، هدف گردکردن نوک موج فشاری پیش‌رو و تبدیل موج بزرگ لبه‌تیز به موجی ملایم‌تر بود. هواپیماها با اشکال متمایزشان درواقع موج‌های کوچک متمایز بسیاری ایجاد می‌کنند. این امواج کوچک با نزدیک‌شدن به زمین، با موج‌های دماغه و دم عامل ایجاد غرش ادغام می‌شوند. اگر بتوان شکل هواپیما را به‌نحوی اصلاح کرد که امواج به‌جای ترکیب با یکدیگر، پراکنده شوند (مثلا به‌وسیله دماغه‌ای بسیار بلند)، آن وقت غرش‌های صوتی شدت کمتری خواهند داشت.
آزمایش‌های ناسا موفقیت‌هایی کم‌صدا بودند و غرش‌های هواپیماهای نوک‌تیز آن‌ها، چندان رعد‌آسا نبود. در سال ۲۰۱۵، جاکسا (آژانس کاوش‌های هوافضای ژاپن)، این یافته اساسی را در پروژه‌ای با مقیاس کوچک‌تر به نام دی-سند تأیید کرد. این سازمان، یک گلایدر براق تقریبا ۸ متری و بدون نیرو را از بالونی در ارتفاع ۳۰ کیلومتری برفراز سوئد رها کرد. گلایدر به سرعتی معادل ماخ ۱/۳۹ (۱/۳۹ برابر سرعت صوت) رسید و موجی نسبتا ملایم تولید کرد.
پروژه کنونی ناسا به نام ایکس-۵۹ کیواس‌اس‌تی (مخفف فناوری مافوق صوت آرام)، قصد دارد هم فناوری غرش کم و هم واکنش عمومی به غرش‌های آرام را مطالعه کند. دیوید ریچواین، جانشین مدیر پروژه فناوری کیواس‌اس‌تی در ناسا به نیویورکر گفت «هواپیما دراصل فقط مولد غرش یا در این مورد کوبش است.» متخصصان صدا معیارهای زیادی برای اندازه‌گیری بلندی صدا دارند؛ اما ناسا از سطح قابل تشخیص دسی‌بل یا PLdB استفاده می‌کند. غرش کنکورد درحدود ۱۰۳ PLdB بود که تقریبا به بلندی تندر در فاصله نزدیک یا صدای کوبیدن در خودرو هنگام حضور درون آن است. ناسا برای کیواس‌اس‌تی قصد دارد بلندی غرش را به ۷۵ PLdB یا تقریبا یک‌هشتم صدای معادل با تندر در فاصله دور یا کوبیده‌شدن در خودرو از فاصله ۶ متری برساند. (همانند دسی‌بل یا زمین‌لرزه، PLdB در مقیاس لگاریتمی اندازه‌گیری می‌شود.) لاکهید مارتین که هم‌اکنون درحال ساخت ایکس-۵۹ است، این هواپیما را در سال ۲۰۲۴ برفراز شهرهای آمریکا به پرواز درخواهد آورد.
ایکس-۵۹ با دماغه نوک‌تیز و بال‌های دلتا (سه‌گوش) خود، از برخی جهات به نسخه‌ای کوچک از کنکورد شباهت دارد و از جهاتی دیگر با این هواپیما متمایز است. هواپیمای ناسا ۳۰ متر طول بدنه و ۹ متر طول بال خواهد داشت، موتور آن در مرکز دم قرار خواهد گرفت و با بهره‌گیری از پایدارکننده‌های افقی در هر دو بخش پایینی و بالایی دم و همچنین روی دماغه، دارای سطوحی فراتر از حد ظاهرا لازم خواهد بود. دیوید ریچاردسون، مدیر برنامه ایکس-۵۹ در لاکهید مارتین گفت «تمام این سطوح برای تنظیم آن شوک‌ها به‌کار می‌روند.» تیم ساخت ایکس-۵۹ امیدوار است که طول موج غرش را از یک میلی‌ثانیه به ۲۰ یا ۳۰ افزایش دهد.
درنهایت تیم سازنده با اجرای نوعی عملیات بونگو ۳، قصد دارد اداره هوانوردی فدرال را به تجدیدنظر درباره ممنوعیت پرواز مافوق صوت مجاب کند؛ اما این سازمان درعوض ممکن است استانداردهای تاییدیه را برای حمل‌ونقل مافوق صوت تجاری صادر کند. هواپیمای ناسا دارای فناوری دیگری است که می‌تواند به طراحی تجاری تبدیل شود. این ویژگی نویدبخش، سامانه بینایی خارجی (XVS) است. ایکس-۵۹ برای داشتن پوشش شفاف کاکپیت بیش از حد نوک‌تیز است؛ در نتیجه تیم سازنده، هواپیما را به دوربین‌ها و مانیتورهای با وضوح بالا مجهز کرده تا خلبان‌ها با خیره‌شدن به نمایشگرها بتوانند از داخل هواپیما نوعی دید واقعیت افزوده داشته باشند.
طراحان کنکورد که هواپیمایی به‌طرز مشابه نوک‌تیز بود، به‌وسیله سازوکاری پیچیده که پیش از فرود، دماغه را به‌طور فیزیکی به سمت پایین خم می‌کرد، به خلبان‌ها امکان دیدن باند فرودگاه را دادند. این سازوکار موجب افزایش شدید وزن و هزینه برای هواپیمایی شد که از قبل دچار افزایش بیش از حد هزینه‌های ساخت بود. لاکهید مارتین احتمالا نسخه‌ای تجاری از ایکس-۵۹ نخواهد ساخت؛ اما می‌تواند با دیگر شرکت‌ها وارد همکاری شود. لاکهید پیش‌بینی می‌کند که نسخه تجاری هواپیمای مافوق صوتش با ۷۰ متر طول تقریبا هم‌اندازه بوئینگ ۷۷۷ باشد و نزدیک به ۵۰ نفر را حمل کند.
برخی شرکت‌ها هم‌اکنون درحال پیگیری ایده هواپیماهای مسافربری مافوق صوت کم‌غرش هستند. گلف‌استریم برخی اختراع‌ها را در این زمینه ثبت کرده و شرکتی به‌نام اسپایک ایرواسپیس نیز می‌گوید به‌منظور ساخت جت تجاری مسافربری ۱۸ نفره با غرش صوتی ۷۵ PLdB، درحال استفاده از «فناوری پرواز مافوق صوت آرام» است.
اگزوسونیک، استارتاپی کالیفرنیایی است که آزمایش‌های تونل باد را روی مدلی اولیه از هواپیمایی مافوق صوت با ظرفیت ۷۰ صندلی انجام می‌دهد. این شرکت رویکردی مشابه با ناسا دارد. جان مورگنسترن، مدیر بخش آیرودینامیک و غرش در اگزوسونیک به نیویورکر گفت «آنچه ما انجام می‌دهیم، تغییر شکل موج غرش صوتی به چیزی بسیار کمتر قابل شنیدن است.» سپتامبر گذشته، اگزوسونیک به‌منظور بررسی امکان استفاده از هواپیمایش به‌عنوان هواگرد حامل رئیس‌جمهور آمریکا، قراردادی یک میلیون دلاری از ارتش این کشور دریافت کرد.
مورگنسترن آوریل امسال پس از کار در لاکهید مارتین به‌عنوان طراح روی ایکس-۵۹، به اگزوسونیک ملحق شد. او در سمت جدید وظیفه دارد که متغیرهای زیادی را به توازن برساند. هواپیما باید فراتر از مولد کوبش باشد و از طراحی ویژه‌ای بهره بگیرد که شدت غرش، ایمنی مسافران، سروصدای موتور هنگام برخاست و فرود و راندمان سوخت را بهینه می‌کند. (شورای بین‌المللی حمل‌ونقل پاک برآورد کرده است که هواپیماهای مافوق صوت در مقایسه با هواپیماهای معمولی، به ازای هر مسافر ۳ تا ۹ برابر سوخت بیشتر مصرف خواهند کرد.)
هواپیمای کنکورد
هواپیمای اگزوسونیک در سرعت ماخ ۱/۸ پرواز خواهد کرد که سرعتی ایدئال برای حمل‌ونقل مافوق صوت است. هواپیماهای کم سرعت‌تر زمان پرواز را به‌اندازه کافی کاهش نمی‌دهند و نمونه‌های سریع‌تر نیز به موتورهای پرسروصداتر نیاز دارند. سرمایه‌گذاری در هواپیمای کم‌غرش تجاری درحالی‌که ممنوعیت پرواز مافوق صوت برفراز خشکی همچنان برقرار است، اقدامی پرمخاطره محسوب می‌شود؛ اما مورگنسترن این سرمایه‌گذاری را کم‌خطرتر از ورود به عرصه حمل‌ونقل مافوق صوت با هواپیمایی فاقد فناوری غرش آرام‌تر می‌داند. او سناریویی را متصور است که در آن مقررات حوالی سال ۲۰۲۸ تغییر و اگزوتیک پروازهای آزمایشی‌اش را چهار یا پنج سال بعد آغاز می‌کند.
سال ۲۰۱۶، اندیشکده مرکز مرکیتس در دانشگاه جرج میسون، با انتشار مقاله‌ای سفید به‌نام « آمریکا را دوباره به غرش درآورید»، استدلال کرد که با توجه به فناوری جدید، ایالات متحده باید حمل‌ونقل مافوق صوت را بازگرداند. نویسندگان مقاله تأسف خورده‌اند که رکود و عقب‌نشینی در هوانوردی مافوق صوت، روند پیشرفت سریع مسافرت هوایی را که با برادران رایت آغاز شده بود، شکسته است. بااین‌حال، براساس برخی دلایل می‌توان معتقد بود که حتی در صورت لغو محدودیت، پرواز با سرعت مافوق صوت جذابیت تجاری محدودی خواهد داشت.
- مهندسی بی‌نهایت: کنکورد، پرواز با سرعت صوت
- نیم قرن پس از کنکورد؛ بازگشت جت‌های جدید مافوق صوت نزدیک است
حمل‌ونقل مافوق صوت می‌تواند زمان پروازها را به تقریبا نصف کاهش دهد؛ اما تا زمانی که مشکلات زیرساختی رفع نشود، پرواز مافوق صوت زمان کل پرواز را به‌طور متناسب کاهش نخواهد داد. به‌عنوان مثال، هواپیمای مافوق صوت پرواز از لس‌آنجلس تا نیویورک را در مدت دو تا سه ساعت امکان‌پذیر می‌کند؛ اما اگر قرار باشد مسافران دو برابر این زمان را در فرودگاه و ترافیک بگذارند، کاهش زمان پرواز چه فایده‌ای برایشان خواهد داشت؟
در اغلب سال‌هایی که کنکورد پرواز می‌کرد، مسافر می‌توانست به فرودگاه وارد شود و مستقیم به گیت برسد. سال ۲۰۱۳، داگ رابینسون، ستون‌نویس روزنامه‌ای در یوتا، سرعت فرودگاه‌ها را پیش از حادثه ۱۱ سپتامبر یادآوری کرد. او نوشت «در یکی از بزرگ‌ترین موفقیت‌های ورزشی عمرم، یک‌بار سه دقیقه قبل از پرواز به حاشیه پیاده‌رو فرودگاه رسیدم، به سرعت از پله‌ها بالا رفتم، به گیت رسیدم و فقط چند ثانیه قبل از بستن در، سوار هواپیما شدم.» اما امروز با افزایش مسائل امنیتی، شرکت‌های هواپیمایی پیشنهاد می‌کنند که مسافران برای پروازهای داخلی از دو ساعت قبل و برای پروازهای بین‌المللی از سه ساعت قبل در فرودگاه حضور یابند؛ دقیقا همان مقدار زمانی که قرار است با پرواز مافوق صوت صرفه‌جویی شود. درنتیجه با بیش از یک دلیل می‌توان گفت که پرواز مافوق صوت، بازگشت به گذشته است و با فناوری تجملی ناسا، به همان‌جایی بازخواهیم گشت که ۲۰ سال قبل قرار داشتیم.