چرا در عقب موتور جنگنده‌ها «الماس‌های ماخ» به وجود می‌آید؟

تینا مزدکی_الماس‌های ضربه‌ای زمانی ایجاد می‌شوند که گازهای خروجی از موتور یا موشک با سرعتی بیشتر از سرعت صوت از نازل خارج شده و با فشار هوای اطراف تعامل نمایند. نکته جالب توجه این است که برای شکل‌گیری این پدیده، لازم نیست خود جنگنده یا موشک با سرعت مافوق صوت حرکت کند؛ بلکه کافی است گازهای خروجی موتور دارای سرعت مافوق صوت باشند.

به همین دلیل، این پدیده به نام‌هایی چون «الماس‌های ماخ» (Mach Diamonds) و «دیسک‌های ماخ» (Mach Disks) نیز شناخته می‌شود. آنچه در تصاویر به‌عنوان حلقه‌ها و الماس‌های درخشان مشاهده می‌شود، در واقع نمایشی مشهود از رفتار جریان گازهای مافوق صوت است که در برخورد با فشار هوای محیط شکل می‌گیرد.

چرا الماس‌های ضربه‌ای در ارتفاعات پایین بیشتر نمایان هستند؟

این پدیده عموماً در ارتفاعات پایین‌تر با وضوح بیشتری قابل مشاهده است؛ زیرا در نزدیک سطح زمین، هوا دارای چگالی و فشار بیشتری است. در این شرایط، گازهای خروجی داغ و مافوق صوت موتور نسبت به محیط اطراف خود اختلاف فشار بیشتری دارند و این اختلاف فشار باعث شکل‌گیری ساختارهای تکرارشونده و مشابه الماس در مسیر خروجی موتور می‌‌گردد.

با افزایش ارتفاع جنگنده، فشار و چگالی هوای اطراف کاهش می‌یابد. به همین دلیل، اندازه این ساختارها ممکن است بزرگ‌تر شود، اما تعداد آن‌ها کاهش خواهد یافت. برای درک این پدیده، باید به رفتار گازهای مافوق صوت توجه نمود. این گازها که با سرعت مافوق صوت خروج می‌یابند، نمی‌توانند همچون جریان‌های زیرصوت به‌طور تدریجی خود را با تغییرات فشار محیط وفق دهند.

در جریان مافوق صوت، تغییرات فشار به‌صورت یک سری امواج فشاری و انبساطی در مسیر حرکت گاز تولید می‌شود. این امواج به‌طور متوالی در ستون گازهای خروجی شکل می‌گیرند و مناطقی با فشار و دماهای متفاوت را به وجود می‌آورند.

این الگوی متناوب از فشرده‌شدن و انبساط گاز است که ساختارهایی مشابه الماس را در مسیر خروجی موتور ایجاد می‌کند. به‌عبارتی دیگر، گاز خروجی موتور تلاش می‌کند تا فشار خود را با فشار هوای اطراف هماهنگ کند. اما به دلیل سرعت بسیار بالای جریان، این فرآیند به‌طور تدریجی انجام نمی‌شود؛ بلکه گاز چندین بار دچار فشرده شدن و انبساط می‌شود و در نتیجه، نواحی روشن و تاریک متعددی در مسیر خروجی شکل می‌گیرد.

فشار محیط چه تاثیری دارد؟

شکل دقیق این الگو وابسته به میزان فشار گازهای خروجی نسبت به فشار هوای محیط است. در نزدیکی سطح زمین، معمولاً فشار گاز خروجی موتور نسبت به محیط اطراف کمتر است. در این شرایط، پس از خروج گاز از موتور، جریان به داخل فشرده می‌شود و سپس دوباره منبسط می‌گردد. این روند به صورت مکرر تکرار شده و الگوی معروف الماس‌های ضربه‌ای را پدید می‌آورد.

در ارتفاعات بالاتر که فشار هوا کاهش می‌یابد، شرایط می‌تواند برعکس گردد و گاز خروجی در مقایسه با محیط اطراف، فشار بیشتری پیدا کند. در این حالت نیز جریان گاز با مجموعه‌ای از انبساط‌ها و فشرده‌شدن‌ها سعی در تطابق با فشار محیط دارد و این فرآیند می‌تواند منجر به ایجاد الماس‌های ضربه‌ای شود.

در هر دو حالت، هدف نهایی جریان گاز یکسان است: رسیدن به تعادل فشار با هوای اطراف. اما تا زمانی که این اختلاف فشار از بین نرود، فرآیند فشرده‌سازی و انبساط ادامه خواهد داشت.

چرا الماس‌های ضربه‌ای در موتورهای پس‌سوز می‌درخشند؟

برای درک علت درخشش این ساختارها ابتدا باید بدانیم که چگونه پس‌سوز عمل می‌کند. هنگامی که پس‌سوز موتور جنگنده فعال می‌شود، سوخت اضافی به جریان گازهای داغ خروجی، پس از عبور از توربین، تزریق می‌گردد. این گازها از پیش دمای بالایی دارند؛ به همین خاطر سوخت تقریباً بلافاصله مشتعل می‌شود و در نتیجه، گازهای خروجی داغ‌تر و سریع‌تر می‌شوند.

افزایش سرعت و دمای گاز خروجی همچنین نیروی پیشران موتور را به میزان چشمگیری افزایش می‌دهد. به‌عنوان مثال، موتور پرت‌اند ویتنی F135 که یکی از قدرتمندترین موتورهای جت در ساخت محسوب می‌شود، در حالت عادی حدود ۲۸ هزار پوند نیروی پیشران تولید می‌کند، ولی با فعال‌سازی پس‌سوز، این عدد به حدود ۴۳ هزار پوند افزایش خواهد یافت.

اما دمای بالای گازهای خروجی فقط به افزایش رانش منتهی نمی‌شود؛ بلکه این گازها با دمای بسیار بالا و سرعت بالا شرایط لازم را برای ایجاد ساختارهای ضربه‌ای نیز فراهم می‌کنند. یکی دیگر از پدیده‌های مهم در این فرایند، «شوک عمودی» (Normal Shock) است؛ موج ضربه‌ای که به‌طور تقریباً عمود بر جهت حرکت جریان تولید می‌شود.

زمانی که گازهای مافوق صوت از این موج عبور می‌کنند، دمای آن‌ها به‌طور ناگهانی افزایش می‌یابد. این افزایش دما می‌تواند موجب احتراق سوخت باقی‌مانده در جریان گاز گردد. در نتیجه، بخش‌هایی از جریان خروجی به‌طرز شدیدی داغ و درخشان می‌شوند و این امر باعث می‌شود ساختارهایی تحت عنوان الماس‌های ضربه‌ای به‌صورت حلقه‌ها و نواحی نورانی در پشت موتور نمایان شوند.

در واقع، آنچه از فاصله دور به‌عنوان زنجیره‌ای از الماس‌های درخشان مشاهده می‌شود، نتیجه تعامل پیچیده بین گازهای داغ و مافوق صوت، امواج فشاری، تغییرات دما و فشار هوای محیط است؛ پدیده‌ای که نه تنها در جنگنده‌ها بلکه در موتورها موشک‌ها و هنگام پرتاب راکت‌ها نیز قابل مشاهده است.

منبع: slashgear

۲۲۷۳۲۳