سرعة تفوق سرعة الصوت

في الديناميكا الهوائية ، السرعة فوق الصوتية هي السرعة التي تتجاوز خمسة أضعاف سرعة الصوت ، وغالبًا ما يتم ذكرها على أنها تبدأ بسرعات تصل إلى ماخ 5 وما فوق. ^[1]

يختلف رقم الماخ الدقيق الذي يمكن القول إن المركبة تطير به بسرعة تفوق سرعة الصوت، حيث تحدث التغيرات الفيزيائية الفردية في تدفق الهواء (مثل التفكك الجزيئي والتأين ) بسرعات مختلفة؛ تصبح هذه التأثيرات مجتمعة مهمة حول سرعة 5-10 ماخ. يمكن أيضًا تعريف النظام الأسرع من الصوت على أنه سرعات تتغير فيها السعة الحرارية النوعية مع درجة حرارة التدفق حيث يتم تحويل الطاقة الحركية للجسم المتحرك إلى حرارة. ^[2]

في حين أن تعريف التدفق الأسرع من الصوت قد يكون غامضًا تمامًا ومثيرًا للجدل بشكل عام (خاصة بسبب غياب انقطاع بين التدفقات الأسرع من الصوت والتدفقات الأسرع من الصوت)، فقد يتميز التدفق الأسرع من الصوت بظواهر فيزيائية معينة لم يعد من الممكن تجاهلها تحليليًا كما هو الحال في التدفق الأسرع من الصوت. ^{[ بحاجة لمصدر ]} الخصائص المميزة للتدفقات الأسرع من الصوت هي كما يلي: ^{[ بحاجة لمصدر ]}

1. طبقة الصدمة
2. التدفئة الديناميكية الهوائية
3. طبقة الانتروبيا
4. تأثيرات الغاز الحقيقية
5. تأثيرات الكثافة المنخفضة
6. استقلال المعاملات الديناميكية الهوائية مع رقم ماخ.

مع زيادة رقم ماخ لجسم ما، تزداد أيضًا الكثافة خلف صدمة القوس التي يولدها الجسم، وهو ما يتوافق مع انخفاض الحجم خلف الصدمة بسبب الحفاظ على الكتلة . وبالتالي، تقل المسافة بين صدمة القوس والجسم عند أرقام ماخ أعلى. ^[3]

مع زيادة أرقام ماخ، يزداد أيضًا التغير في الإنتروبيا عبر الصدمة، مما يؤدي إلى تدرج قوي في الإنتروبيا وتدفق شديد الدوامة يختلط بطبقة الحدود .

يتحول جزء من الطاقة الحركية الكبيرة المرتبطة بالتدفق عند أرقام ماخ عالية إلى طاقة داخلية في السائل بسبب التأثيرات اللزجة. تتحقق الزيادة في الطاقة الداخلية كزيادة في درجة الحرارة. نظرًا لأن تدرج الضغط العمودي على التدفق داخل طبقة حدودية يساوي صفرًا تقريبًا لأرقام ماخ فرط صوتية منخفضة إلى معتدلة، فإن زيادة درجة الحرارة عبر طبقة الحدود تتزامن مع انخفاض الكثافة. يتسبب هذا في تمدد الجزء السفلي من طبقة الحدود، بحيث تصبح طبقة الحدود فوق الجسم أكثر سمكًا ويمكن أن تندمج غالبًا مع موجة الصدمة بالقرب من الحافة الأمامية للجسم. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تؤدي درجات الحرارة المرتفعة الناتجة عن ظهور تبديد اللزوجة إلى حدوث خصائص تدفق كيميائي غير متوازنة مثل الإثارة الاهتزازية وتفكك وتأين الجزيئات مما يؤدي إلى تدفق حراري إشعاعي وحملي . ^[ بحاجة ^{لمصدر ]}

على الرغم من أن "دون سرعة الصوت" و"فوق سرعة الصوت" يشيران عادةً إلى سرعات أقل وأعلى من سرعة الصوت المحلية على التوالي، فإن خبراء الديناميكا الهوائية يستخدمون هذه المصطلحات غالبًا للإشارة إلى نطاقات معينة من قيم ماخ. عندما تقترب الطائرة من سرعات فوق الصوتية (حوالي ماخ 1)، فإنها تدخل نظامًا خاصًا. تبدأ التقريبات المعتادة المستندة إلى معادلات نافير-ستوكس ، والتي تعمل بشكل جيد للتصاميم دون سرعة الصوت، في الانهيار لأنه حتى في التيار الحر، تتجاوز بعض أجزاء التدفق محليًا ماخ 1. لذلك، هناك حاجة إلى طرق أكثر تطورًا للتعامل مع هذا السلوك المعقد. ^[4]

يشير "النظام الأسرع من الصوت" عادةً إلى مجموعة أرقام ماخ التي يمكن استخدام النظرية الخطية لها؛ على سبيل المثال، حيث لا يتفاعل تدفق ( الهواء ) كيميائيًا وحيث يمكن إهمال انتقال الحرارة بين الهواء والمركبة بشكل معقول في الحسابات. بشكل عام، تعرف وكالة ناسا السرعة الأسرع من الصوت "العالية" على أنها أي رقم ماخ من 10 إلى 25، وسرعات إعادة الدخول على أنها أي شيء أكبر من 25 ماخ. من بين المركبات الفضائية العاملة في هذه الأنظمة كبسولات الفضاء سويوز ودراجون العائدة ؛ ومكوك الفضاء الذي تم تشغيله سابقًا ؛ ومختلف المركبات الفضائية القابلة لإعادة الاستخدام قيد التطوير مثل سبيس إكس ستارشيب وروكيت لاب إلكترون ؛ والطائرات الفضائية (النظرية) . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في الجدول التالي، تتم الإشارة إلى "الأنظمة" أو "نطاقات قيم ماخ" بدلاً من المعاني المعتادة لـ "دون الصوتية" و"فوق الصوتية". ^{[ بحاجة لمصدر ]}

النظام	ماخ لا	سرعة	الخصائص العامة	الطائرات	الصواريخ/الرؤوس الحربية
دون سرعة الصوت	[0–0.8)	<614 ميل في الساعة (988 كم/ساعة؛ 274 متر/ثانية)	طائرات تجارية ذات محركات مروحية ومحركات توربينية ذات أجنحة عالية الارتفاع (نحيلة) وميزات مستديرة مثل الأنف والحواف الأمامية. نطاق السرعة دون الصوتية هو نطاق السرعات التي يكون فيها كل تدفق الهواء فوق الطائرة أقل من ماخ 1. رقم ماخ الحرج (Mcrit) هو أقل رقم ماخ للتيار الحر والذي يصل عنده تدفق الهواء فوق أي جزء من الطائرة لأول مرة إلى ماخ 1. لذا فإن نطاق السرعة دون الصوتية يشمل جميع السرعات التي تكون أقل من Mcrit.	جميع الطائرات التجارية	—
أسرع من الصوت	[0.8–1.2)	614–921 ميل في الساعة (988–1,482 كم/ساعة؛ 274–412 متر/ثانية)	تحتوي الطائرات التي تتجاوز سرعة الصوت دائمًا تقريبًا على أجنحة مائلة تعمل على تأخير تباعد السحب وأجنحة فوق الحرجة لتأخير ظهور موجة السحب وغالبًا ما تتميز بتصميمات تلتزم بمبادئ قاعدة منطقة ويتكومب . نطاق السرعة فوق الصوتية هو ذلك النطاق من السرعات التي يكون فيها تدفق الهواء فوق أجزاء مختلفة من الطائرة بين السرعة دون الصوتية والسرعة فوق الصوتية. لذا فإن نظام الطيران من سرعة الصوت إلى سرعة 1.3 ماخ يسمى النطاق فوق الصوتي. [ بحاجة لمصدر ]	نورثروب إكس-4 بانتام (0.9 ماخ)	—
أسرع من الصوت	[1.2–5)	921–3,836 ميل في الساعة (1,482–6,173 كم/ساعة؛ 412–1,715 متر/ثانية)	نطاق السرعة فوق الصوتية هو نطاق السرعات الذي يكون فيه كل تدفق الهواء فوق الطائرة أسرع من الصوت (أكثر من ماخ 1). ولكن يتم إبطاء تدفق الهواء الذي يلتقي بالحواف الأمامية في البداية، لذا يجب أن تكون سرعة التيار الحر أكبر قليلاً من ماخ 1 لضمان أن يكون كل التدفق فوق الطائرة أسرع من الصوت. ومن المقبول عمومًا أن نطاق السرعة فوق الصوتية يبدأ بسرعة تيار حر أكبر من ماخ 1.3. تظهر الطائرات المصممة للطيران بسرعات تفوق سرعة الصوت اختلافات كبيرة في تصميمها الديناميكي الهوائي بسبب الاختلافات الجذرية في سلوك التدفقات فوق سرعة ماخ 1. الحواف الحادة، والأجزاء الرفيعة من الجناح ، والذيل المتحرك بالكامل / الجناح الخلفي كلها أمور شائعة. يجب على الطائرات المقاتلة الحديثة تقديم تنازلات من أجل الحفاظ على التحكم في السرعات المنخفضة؛ التصميمات الأسرع من الصوت "الحقيقية"، التي تتضمن عمومًا أجنحة دلتا، نادرة.	XB-70 فالكيري (ماخ 3) SR-71 بلاك بيرد (ماخ 3) BAC/Aérospatiale Concorde (2 ماخ) توبوليف تو-144 (ماخ 2)	—
فرط صوتي	[5–10)	3,836–7,673 ميل في الساعة (6,173–12,348 كم/ساعة؛ 1,715–3,430 متر/ثانية)	جلد من النيكل أو التيتانيوم المبرد ؛ أجنحة صغيرة. التصميم متكامل للغاية، بدلاً من تجميعه من مكونات منفصلة مصممة بشكل مستقل، بسبب هيمنة تأثيرات التداخل، حيث ستؤدي التغييرات الصغيرة في أي مكون واحد إلى تغييرات كبيرة في تدفق الهواء حول جميع المكونات الأخرى، مما يؤثر بدوره على سلوكها. والنتيجة هي أنه لا يمكن تصميم أي مكون دون معرفة كيف ستؤثر جميع المكونات الأخرى على جميع تدفقات الهواء حول المركبة، وأي تغييرات في أي مكون واحد قد تتطلب إعادة تصميم جميع المكونات الأخرى في وقت واحد [ بحاجة لمصدر ] .	طائرة نورث أميركان إكس-15 (6.7 ماخ) ناسا X-43 (ماخ 9.6) طائرة بوينج X-51 ويفرايدر (ماخ 5) WZ-8 (ماخ 5)	براهموس-2 (ماخ 8) كيه-47 إم 2 كينزال (ماخ 10) 3M22 زركون (ماخ 8-9) DF-ZF (5–10 ماخ) HSTDV (ماخ 6) هواسونغ-8 (6–10 ماخ)
عالية السرعة	[10–25)	7,673–19,180 ميل في الساعة (12,348–30,867 كم/ساعة؛ 3,430–8,574 متر/ثانية)	يصبح التحكم الحراري أحد الاعتبارات التصميمية المهيمنة. يجب تصميم الهيكل للعمل ساخنًا، أو أن يكون محميًا ببلاط سيليكات خاص أو ما شابه. يمكن أن يتسبب التدفق المتفاعل كيميائيًا أيضًا في تآكل غلاف السيارة، مع وجود الأكسجين الذري الحر في التدفقات عالية السرعة للغاية. غالبًا ما يتم إجبار التصميمات الأسرع من الصوت على تكوينات حادة بسبب ارتفاع التسخين الديناميكي الهوائي بنصف قطر انحناء منخفض .	—	53T6 (ماك 17) HTV 2 (ماك 20) أجني-5 (ماخ 24) DF-41 (ماخ 25) أفانجارد (20–27 ماخ)
سرعات إعادة الدخول	≥25	≥19,180 ميل في الساعة (30,870 كم/ساعة؛ 8,570 متر/ثانية)	درع حراري قابل للاحتراق ؛ أجنحة صغيرة أو بدون أجنحة؛ شكل غير حاد. انظر كبسولة إعادة الدخول .	مكوك الفضاء المداري (ماك 22) بوران بوينج إكس-37 (ماخ 25) مركبة فضائية تجريبية قابلة لإعادة الاستخدام (~Mach 25) IXV (ماك 22) غطاء حديدي (ماخ 196)	أفانجارد (20–27 ماخ)

يعتمد تصنيف تدفق الهواء على عدد من معلمات التشابه ، والتي تسمح بتبسيط عدد لا نهائي تقريبًا من حالات الاختبار إلى مجموعات من التشابه. بالنسبة للتدفق فوق الصوتي والقابل للضغط ، تسمح أرقام ماخ ورينولدز وحدها بتصنيف جيد للعديد من حالات التدفق. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

ومع ذلك، تتطلب التدفقات الأسرع من الصوت معلمات تشابه أخرى. أولاً، تصبح المعادلات التحليلية لزاوية الصدمة المائلة مستقلة تقريبًا عن رقم ماخ عند أرقام ماخ عالية (~>10). ثانيًا، يعني تكوين صدمات قوية حول الأجسام الديناميكية الهوائية أن رقم رينولدز الحر أقل فائدة كتقدير لسلوك الطبقة الحدودية فوق الجسم (على الرغم من أنه لا يزال مهمًا). أخيرًا، تعني درجة حرارة التدفق الأسرع من الصوت المتزايدة أن تأثيرات الغاز الحقيقي تصبح مهمة. لذلك غالبًا ما يُطلق على البحث في مجال فرط الصوت اسم الديناميكا الحرارية الهوائية، وليس الديناميكا الهوائية . ^[5]

إن إدخال تأثيرات الغاز الحقيقي يعني أن هناك حاجة إلى المزيد من المتغيرات لوصف الحالة الكاملة للغاز. فبينما يمكن وصف الغاز الثابت بثلاثة متغيرات ( الضغط ودرجة الحرارة والمؤشر الأدياباتي ) والغاز المتحرك بأربعة ( سرعة التدفق )، فإن الغاز الساخن في حالة التوازن الكيميائي يتطلب أيضًا معادلات الحالة للمكونات الكيميائية للغاز، والغاز في حالة عدم التوازن يحل معادلات الحالة هذه باستخدام الوقت كمتغير إضافي. وهذا يعني أنه بالنسبة للتدفق غير المتوازن، قد يكون هناك حاجة إلى شيء بين 10 و100 متغير لوصف حالة الغاز في أي وقت معين. بالإضافة إلى ذلك، فإن التدفقات الأسرع من الصوت (والتي تُعرف عادةً بأنها تلك التي يكون رقم كنودسن فيها أعلى من 0.1) لا تتبع معادلات نافير-ستوكس . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يتم تصنيف التدفقات فوق الصوتية عادةً حسب طاقتها الإجمالية، والتي يتم التعبير عنها بالحرارة الكلية (MJ/kg)، أو الضغط الكلي (kPa-MPa)، أو ضغط الركود (kPa-MPa)، أو درجة حرارة الركود (K)، أو سرعة التدفق (km/s). ^{[ بحاجة لمصدر ]}

طور والاس د. هايز معامل تشابه، مشابه لقاعدة مساحة ويتكومب ، والتي سمحت بمقارنة التكوينات المماثلة. ^{[ بحاجة لمصدر ]} في دراسة التدفق الأسرع من الصوت على الأجسام النحيلة، يعتبر حاصل ضرب رقم ماخ للتيار الحر وزاوية انحراف التدفق ، والمعروف باسم معامل التشابه الأسرع من الصوت: معاملًا حاكمًا مهمًا. ^[5] غالبًا ما يتم استبدال نسبة نحافة المركبة ، حيث هو القطر و هو الطول، بـ . ${\displaystyle M_{\infty }}$${\displaystyle \theta }$$${\displaystyle K=M_{\infty }\theta }$$${\displaystyle \tau =d/l}$${\displaystyle د}$${\displaystyle l}$${\displaystyle \theta }$

يمكن تقسيم التدفق فوق الصوتي تقريبًا إلى عدد من الأنظمة. إن اختيار هذه الأنظمة غير دقيق، وذلك بسبب عدم وضوح الحدود حيث يمكن العثور على تأثير معين. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في هذا النظام، يمكن اعتبار الغاز غازًا مثاليًا . لا يزال التدفق في هذا النظام يعتمد على رقم ماخ. تبدأ المحاكاة في الاعتماد على استخدام جدار درجة حرارة ثابتة، بدلاً من الجدار الأدياباتي المستخدم عادةً في السرعات المنخفضة. الحد السفلي لهذه المنطقة حوالي 5 ماخ، حيث تصبح المحركات النفاثة غير فعالة، والحد العلوي حول 10-12 ماخ. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

هذه مجموعة فرعية من نظام الغاز المثالي، حيث يمكن اعتبار الغاز مثاليًا كيميائيًا، ولكن يجب النظر في درجات الحرارة الدورانية والاهتزازية للغاز بشكل منفصل، مما يؤدي إلى نموذجين لدرجة الحرارة. انظر بشكل خاص نمذجة الفوهات فوق الصوتية، حيث يصبح التجميد الاهتزازي مهمًا. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في هذا النظام، تبدأ الغازات ثنائية الذرة أو متعددة الذرات (الغازات الموجودة في معظم الغلاف الجوي) في التفكك عندما تتلامس مع الصدمة القوسية التي يولدها الجسم. يلعب تحفيز السطح دورًا في حساب تسخين السطح، مما يعني أن نوع المادة السطحية له أيضًا تأثير على التدفق. الحد السفلي لهذا النظام هو المكان الذي يبدأ فيه أي مكون من خليط الغاز في التفكك أولاً عند نقطة ركود التدفق (والتي تبلغ حوالي 2000 كلفن للنيتروجين). عند الحد العلوي لهذا النظام، تبدأ تأثيرات التأين في التأثير على التدفق. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في هذا النظام، تصبح أعداد الإلكترونات المؤينة في التدفق الراكد كبيرة، ويجب نمذجة الإلكترونات بشكل منفصل. غالبًا ما يتم التعامل مع درجة حرارة الإلكترون بشكل منفصل عن درجة حرارة مكونات الغاز المتبقية. تحدث هذه المنطقة لسرعات تدفق التيار الحر حول 3-4 كم/ثانية. يتم نمذجة الغازات في هذه المنطقة على أنها بلازما غير مشعة . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

فوق حوالي 12 كم/ثانية، يتغير انتقال الحرارة إلى المركبة من هيمنة التوصيل إلى هيمنة الإشعاع. تنقسم نمذجة الغازات في هذا النظام إلى فئتين: ^{[ بحاجة لمصدر ]}

1. رقيق بصريًا : حيث لا يمتص الغاز الإشعاع المنبعث من أجزاء أخرى من الغاز
2. سميك بصريًا: حيث يجب اعتبار الإشعاع مصدرًا منفصلاً للطاقة.

إن نمذجة الغازات السميكة بصريًا صعبة للغاية، نظرًا لأنه بسبب حساب الإشعاع عند كل نقطة، يتوسع الحمل الحسابي نظريًا بشكل كبير مع زيادة عدد النقاط المعتبرة.

المحركات

• محرك الصاروخ
• رام جيت
• سكرامجت
• محركات رد الفعل SABRE و LAPCAT (دراسات التصميم)

الصواريخ

• صاروخ كروز فرط صوتي مضاد للسفن من طراز 3M22 Zircon(في الإنتاج)
• صاروخ كروز براهموس-2 (تحت التطوير)

أنظمة التدفق الأخرى

• رحلة دون سرعة الصوت
• أسرع من الصوت
• سرعة تفوق سرعة الصوت

• دليل ناسا للرحلات فوق الصوتية
• مجموعة فرط الصوتية في إمبريال كوليدج
• مركز جامعة كوينزلاند للسرعة الفائقة
• مجموعة التدفق عالي السرعة في جامعة نيو ساوث ويلز
• مجموعة فرط الصوتية بجامعة أكسفورد أرشيف 14 أغسطس 2021، على موقع واي باك مشين