چرا پس‌سوز جنگنده‌ها «الماس‌های ماخ» درخشان ایجاد می‌کند؟

تینا مزدکی_الماس‌های ضربه‌ای زمانی شکل می‌گیرند که گازهای خروجی موتور یا موشک با سرعتی بیش از سرعت صوت از نازل خارج شوند و با فشار هوای اطراف برهم‌کنش داشته باشند. نکته جالب این است که برای شکل‌گیری این پدیده، لزوماً خود جنگنده یا موشک نباید با سرعت مافوق صوت حرکت کند؛ کافی است گازهای خروجی موتور با سرعت مافوق صوت جریان داشته باشند.

به همین دلیل، این پدیده را با نام‌های دیگری مانند «الماس‌های ماخ» (Mach Diamonds) یا «دیسک‌های ماخ» (Mach Disks) نیز می‌شناسند. چیزی که در تصاویر به شکل حلقه‌ها و الماس‌های نورانی دیده می‌شود، در واقع نمایشی قابل مشاهده از رفتار جریان گازهای مافوق صوت هنگام مواجهه با فشار هوای محیط است.

چرا الماس‌های ضربه‌ای در ارتفاع پایین واضح‌تر هستند؟

این پدیده معمولاً در ارتفاعات پایین‌تر به شکل واضح‌تری دیده می‌شود؛ زیرا در نزدیکی سطح زمین، هوا چگال‌تر و پرفشارتر است. گازهای خروجی داغ و مافوق صوت موتور در چنین شرایطی اختلاف فشار بیشتری با محیط اطراف دارند و همین اختلاف فشار باعث شکل‌گیری ساختارهای تکرارشونده و الماس‌مانند در مسیر خروجی موتور می‌شود.

با افزایش ارتفاع جنگنده، فشار و چگالی هوای اطراف کاهش پیدا می‌کند. در نتیجه، اندازه این ساختارها می‌تواند بیشتر شود، اما تعداد آن‌ها کاهش پیدا کند. برای درک این پدیده باید به رفتار گازهای مافوق صوت توجه کرد. گازهایی که با سرعت مافوق صوت از موتور یا موشک خارج می‌شوند، نمی‌توانند مانند جریان‌های زیرصوت به‌صورت تدریجی خود را با تغییرات فشار محیط تطبیق دهند.

در جریان مافوق صوت، تغییرات فشار به شکل مجموعه‌ای از امواج فشاری و انبساطی در مسیر حرکت گاز ایجاد می‌شوند. این امواج به‌صورت متوالی در ستون گازهای خروجی شکل می‌گیرند و مناطقی با فشار و دمای متفاوت ایجاد می‌کنند.

همین الگوی متناوب از فشرده‌شدن و انبساط گاز است که ساختارهایی شبیه الماس را در مسیر خروجی موتور ایجاد می‌کند. به بیان ساده، گاز خروجی موتور تلاش می‌کند فشار خود را با فشار هوای اطراف برابر کند. اما به دلیل سرعت بسیار زیاد جریان، این فرایند به شکل تدریجی انجام نمی‌شود؛ در عوض، گاز چندین بار دچار فشرده‌شدن و انبساط می‌شود و در نتیجه، مجموعه‌ای از نواحی روشن و تاریک در مسیر خروجی شکل می‌گیرد.

فشار محیط چه نقشی دارد؟

شکل دقیق این الگو به میزان فشار گازهای خروجی در مقایسه با فشار هوای محیط بستگی دارد. در نزدیکی سطح زمین، گاز خروجی موتور معمولاً در وضعیتی قرار دارد که فشار آن نسبت به محیط اطراف پایین‌تر است. در چنین شرایطی، جریان گاز پس از خروج از موتور به سمت داخل فشرده می‌شود و سپس دوباره منبسط می‌شود. این روند چندین بار تکرار می‌شود و همان الگوی معروف الماس‌های ضربه‌ای را به وجود می‌آورد.

در ارتفاعات بالاتر که فشار هوا کمتر است، شرایط می‌تواند برعکس شود و گاز خروجی نسبت به محیط اطراف فشار بیشتری داشته باشد. در این حالت نیز جریان گاز با مجموعه‌ای از انبساط‌ها و فشرده‌شدن‌ها تلاش می‌کند خود را با فشار محیط هماهنگ کند و همین فرایند می‌تواند به شکل‌گیری الماس‌های ضربه‌ای منجر شود.

در هر دو حالت، هدف جریان گاز یکسان است: رسیدن به تعادل فشار با هوای اطراف. اما تا زمانی که این اختلاف فشار از بین نرفته باشد، فرایند فشرده‌شدن و انبساط ادامه پیدا می‌کند.

چرا الماس‌های ضربه‌ای در موتور پس‌سوزدار می‌درخشند؟

برای درک علت درخشش این ساختارها باید ابتدا بدانیم پس‌سوز چگونه کار می‌کند. وقتی پس‌سوز موتور جنگنده فعال می‌شود، سوخت اضافی به جریان گازهای داغ خروجی، پس از عبور آن‌ها از توربین، تزریق می‌شود. این گازها از قبل دمای بسیار بالایی دارند؛ بنابراین سوخت تقریباً بلافاصله مشتعل می‌شود و در نتیجه، گازهای خروجی داغ‌تر و سریع‌تر می‌شوند.

افزایش سرعت و دمای گاز خروجی، نیروی پیشران موتور را نیز به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. برای مثال، موتور پرت‌اند ویتنی F135 که یکی از قدرتمندترین موتورهای جت ساخته‌شده محسوب می‌شود، در حالت عادی حدود ۲۸ هزار پوند نیروی پیشران تولید می‌کند. این رقم با فعال‌شدن پس‌سوز به حدود ۴۳ هزار پوند افزایش می‌یابد.

اما دمای بالاتر گازهای خروجی فقط به افزایش رانش منجر نمی‌شود؛ این گازهای بسیار داغ و سریع، شرایط لازم برای ایجاد ساختارهای ضربه‌ای را نیز تقویت می‌کنند. یکی دیگر از پدیده‌های مهم در این فرایند، «شوک عمودی» (Normal Shock) است؛ موج ضربه‌ای که تقریباً عمود بر جهت حرکت جریان ایجاد می‌شود.

هنگامی که گازهای مافوق صوت از چنین موجی عبور می‌کنند، دمای آن‌ها به‌طور ناگهانی افزایش می‌یابد. این افزایش دما می‌تواند باعث احتراق سوخت باقی‌مانده در جریان گاز شود. در نتیجه، بخش‌هایی از جریان خروجی به‌شدت داغ و درخشان می‌شوند و همین موضوع باعث می‌شود ساختارهای موسوم به الماس‌های ضربه‌ای به شکل حلقه‌ها و نواحی نورانی در پشت موتور دیده شوند.

در واقع، چیزی که از فاصله دور شبیه زنجیره‌ای از الماس‌های درخشان به نظر می‌رسد، حاصل تعامل پیچیده میان گازهای داغ و مافوق صوت، امواج فشاری، تغییرات دما و فشار هوای محیط است؛ پدیده‌ای که علاوه بر جنگنده‌ها، در موتور موشک‌ها و هنگام پرتاب راکت‌ها نیز مشاهده می‌شود.

منبع: slashgear

۲۲۷۳۲۳