فالنقل البري يقطع فترات الطيران الطويلة في النصف، ويربط المدن عبر القارات والمحيطات في غضون ساعات قليلة فقط، ومع ذلك، فإن حلم السفر السطحي الواسع النطاق قد تراجع بسبب مشكلة واحدة، هي الازدهار الصاخب، وهذا الضجيج المتصاعد الذي يرتفع إلى حد كبير عندما تتجاوز الطائرة سرعة المجتمعات المحلية المضطربة الصائبة على الأرض، وقد أدى إلى فرض حظر على الطيران على البلدان التي تسودها الحدود.

فيزياء الـ(سونيك بووم)

ومن الضروري، لفهم كيف يمكن لتصميم الأنف أن يخفف من الازدهار الصويا، أن يستوعب أولا الفيزياء الأساسية، وعندما تطير طائرة بسرعة دونسونية، تتقدم الجزيئات الجوية إلى الأمام بالطائرة، وتتدفق بسلاسة حول أسطحها، ومع تسارع الطائرة إلى ماك 1 (سرعة الصوت، حوالي 767 ميلاً في مستوى سطح البحر)، لا يمكن للهواء أن يبتعد عن شكل ضغط سريع بما فيه الكفاية.

وتُحدَّد كثافة الطفرة بقوة وشكل هذه الموجات الصدمة، إذ يمكن لطائرات طويلة ونادلة ذات أنف مصاغ بعناية أن تُنشر الضغط على مسافة أطول، وتخفض الإفراط في الضغط وتجعل الازدهار أكثر هدوءاً، حيث يصبح ابتكار الأنف أمراً بالغ الأهمية: فهو أول سطح يصادفه تدفق الهواء الفوق الصوتي، ويملي شكله كيف تُشكِّل موجة الصدمة الأولية وتُركِّز.

تطور تصميم الكون النواة للطير الخارق

طائرة سوبسونية مبكرة وقناص تقليدية

وكانت أول طائرة سوبرية، مثل الطائرة بيل X -1 (1947) والشعار (1969)، تعتمد على تصميمات بسيطة نسبياً وشديدة الحساسية، وقد استخدمت الكونكورد أنفاً كبيراً ومفتوناً بالأبر يمكن تخفيضه إلى درجة تجريبية أفضل أثناء القفز والهبوط، وفي حين أن هذا الشكل قد قلل من سرعة الحبل الصوتي، فإنها لا تزال تنتج موجة قوية ومركزة من الصدمة على الأنف.

Shifting Focus: From Drag Reduction to Boom Mitigation

وقد أدرك مهندسو الفضاء الجوي منذ عقود أن الحد من الازدهار الصوتي يتطلب نهجا مختلفا اختلافا جوهريا في قياس الأنف، وبدلا من أن تكون نقطة حادة تؤدي إلى ارتفاع الضغط، فإن التصميمات الحديثة تهدف إلى " الارتداد " إلى ارتفاع الضغط على جزء أطول من النسيج، ويعرف هذا المفهوم بأنه " تحدي ثنائي الصنع " ، ولا سيما الدراسات العليا للجامعة في عام ١٩٧٠.

نُهج تصميمات موحّدة

Ogive and Von Kármán Profiles

ومن أشكال الأنف المتدنية الأساس منحنى التبويب الذي كثيرا ما يستمد من نظرية فان كارمان المخروطة بأنفها )التي تقلل إلى أدنى حد من التدفق السطحي المفاجئ( ومن خلال تعديل التهاب التصاعد التدريجي للضغط الذي يسمى " الغرامة الفوقية الشخصية " التي يمكن أن تنتج موجة صدمات أقل حدة.

S — S-Shaped and Asymmetric Nose Cons

إن الابتكارات الأكثر جذرية تنطوي على مواسير غير متماثلة أو ممزقة من الأنف، والفكرة هي إيجاد موجة صدمية " مثبتة " على طول المحور الطويل للطائرة، بحيث يكون ارتفاع الضغط على الأرض أكثر تقدما، ومن الأمثلة البارزة على ذلك أنف " العلامات " المستخدم على طول الطائرة " X-59 " ، التي ترتفع من طراز XB إلى الأمام.

مركب الموجات ومركبة النواة

وهناك نهج آخر متطور يتمثل في مفهوم " الراكب الموجي " ، حيث يتكون الأنف من مركب على أعلى موجة الصدمة الخاصة به، مما يقلل من سحب الموجات المتحركة ويمكن أن يغير أيضا مسار انتشار موجات الصدمة، ويوجه الازدهار بعيدا عن المناطق المأهولة بالسكان، وكثيرا ما تصمم أجهزة التعبئة باستخدام أساليب التصميم العكسية: يحدد المهندسون التوقيع على الأرض المرغوب فيه، ثم يُخم شكل الأنف الذي ينتجه)٢(.

قياسات جغرافية قابلة للتغير ومؤقتة

ويمكن أن تتكيف أجهزة الأنف المتغيرة في الوقت الحقيقي خلال مراحل طيران مختلفة، وقد يتراجع الأنف أو يصبح غير مكتمل في تحسين مناولة الريح المنخفضة السرعة؛ وخلال الرحلة البحرية السطحية، سيمتد إلى شكل طويل وخفيف الحدة، بينما تستكشف البحوث في مؤسسات مثل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وشركة ستانفورد لمسح الأنف باستخدام المحاور الميكانيكية أو البرمجيات المتحركة المرنة.

دور الديناميات والاختبارات الحاسبية

محاكاة عالية القيمة

كما أن تصميم مذيبات الأنف الحديثة لا يمكن فصله عن الديناميات المتطورة للسائل المحوسب، كما أن المحاكاة الكاملة للطائرات باستخدام مذيبات النافير ستوكس يمكن أن تُمثل نظام الموجات الصدمية الثلاثة في تفاصيل دقيقة، مما يُمثل الاضطرابات، وآثاراً على الحدود، بل وحتى تأثير رموز المحركات على الصدمات التي تولد الأنفاق في مركز ناسا - لانغلي.

ريح و دق اختبار

وقد تم التحقق من التنبؤات التي أجريت على شبكة الترددات الهوائية من خلال اختبارات دقيقة للرياح، وقد أجرى مشروع X59، على سبيل المثال، عشرات من الاختبارات في مركز البحوث التابع لمؤسسة إدوارد غلين، في شكل الريح الخارقة، الذي كان يستخدم في عام 2004 في اختبارات الشاشة العالية السرعة من أجل تصور أنماط موجة البيسبول، وبالإضافة إلى ذلك، فإن النماذج الصغيرة النطاق قد انخفضت من تشكيلة عالية المستوى لقياس الازدهار الفعلي في المنطقة.

دراسات الحالة: برامج الطائرات الخارقة للصوت القيادي

NASA’s X —59 QueSST

([X-59 QueSST) (التقنية الخارقة للصوت) هي أكثر اختبارات الطيران تقدماً في العالم لتصميم الأنف المنخفض، وأنفه فريد من نوعه، يبلغ طوله 30 قدماً، ويمتد إلى أبعد من ذلك نطاق الديوان، حيث لا تستخدم أي اختبارات للرياح الأمامية نظاماً للرؤية الخارجية بدلاً من ذلك، وقد تم تحسين شكل الأنف إلى أقصى حد ممكن من خلال آلاف الرحلات التي يقوم بها مركز البحوث والتطوير في عام 1999

قفزة خارقة

ويستخدم طائرة " بوم سوبرسونيك " التي تجتاز مرحلة الخدمة في أواخر الثلاثينات، جهازاً أكثر تقليدية ولكن لا يزال متطوراً جداً في شكل أوجية طويلة يميل إلى صمامات من نوع " القاذورات " ، بينما لا يكون متطرفاً مثل مركب " X - 59 " ، فإن مهندسي بووم قد استغلوا قوة الصدمة الأمامية إلى أدنى حد.

منافسون آخرون: سبايك أيروسونيك

كما أن الشركات الأصغر مثل سبايك إيروسوسبيس (S-512) وشركة إكسسونيك تسعى أيضاً إلى وضع تصميمات منخفضة من المؤخرات، حيث تُظهر " البصق " الذي يمتد من الأنف، مما يولد صدمة ضعيفة تنتشر، ويستخدم مفهوم الفضاء الخارجي أنف ممتد لفترة طويلة مع أجزاء مركبة يمكن أن تُعادل في مختلف نظم الطيران.

المواد والابتكارات الصناعية

كما أن التصاميم المتطورة للأنوف تفرض مطالب صارمة على المواد، كما أن أشكال التلألؤ والتماثل طويلة ومتخلفة، مما يتطلب ارتفاع معدلات الوزن إلى حد كبير لمقاومة التحميل الهوائي دون وزن مفرط.

الاتجاهات المستقبلية: التعلم في مجال الآلات ومكافحة التدفقات النشطة

أما الحدود التالية في تصميم ممر الأنف فهي دمج التعلم الآلي إلى أقصى حد مع التحكم في التدفق النشط، وبدلا من الاعتماد على شكل ثابت، يمكن للطائرات الخارقة المقبلة أن تستخدم صفائف من أجهزة الاستشعار لقياس توزيع الضغط المحلي، ثم تكيف الملاجئ الصغيرة )مثل الجروح المجهرية أو الألواح المعطلة( على سطح الأنف لفرض غرامة على موجة الصدمة في الوقت الحقيقي.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن مفهوم " الطيران غير المتعمد " - حيث يقصد بزر الأنف خلق صدمة لا تلتصق إلى موجة واضحة من الموجات النووية يجري السعي إلى تحقيقها، وهذا يتطلب شكلاً من الأنف ينتج عنه ارتفاع ضغط " حراري " بدلاً من ارتفاعه، ويشير العمل النظري الذي تقوم به معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وشركة DLR إلى أن أسرة " طائرات ذاتية " يمكن أن تُرفعها بسرعة كبيرة جداً.

خاتمة

إن أكثر الوسائل التي تبتكرها هذه هي حجرة النقل الصوتي الهادئ، إذ إن اختبارات الطيران في كويسست، التي تُجرى في الأيام الأولى من المكدسات الحادة إلى التوابل المتناظرة، قد أثبتت أن هندسة التكوينات العالمية الساكنة يمكن أن تقلل بشكل كبير من كثافة الصوت، وستوفر أول دليل على أن الازدهار الصاخب يمكن أن يتحول إلى ظواهر غير مباشرة.