سرعة تفوق سرعة الصوت

في الديناميكا الهوائية ، تشير السرعة فوق الصوتية إلى السرعات التي تفوق سرعة الصوت بكثير ، وعادة ما تكون أكثر من حوالي 5 ماخ . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

يختلف رقم ماخ الدقيق الذي يُمكن عنده القول بأن مركبة ما تُحلّق بسرعة تفوق سرعة الصوت، نظرًا لحدوث تغيرات فيزيائية فردية في تدفق الهواء (مثل تفكك الجزيئات وتأينها ) بسرعات مختلفة؛ وتصبح هذه التأثيرات مجتمعةً ذات أهمية عند حوالي 5-10 ماخ. ويمكن تعريف نظام السرعة التي تفوق سرعة الصوت أيضًا بأنه السرعات التي تتغير عندها السعة الحرارية النوعية بتغير درجة حرارة التدفق، حيث تتحول الطاقة الحركية للجسم المتحرك إلى حرارة. ^{[ 4 ]}

عادةً ما تكون الأسلحة التي تفوق سرعة الصوت عبارة عن مركبات انزلاقية معززة أو صواريخ كروز مصممة للطيران الديناميكي الهوائي والمناورة بسرعة تزيد عن 5 ماخ.

تُسجّل سرعات تفوق سرعة الصوت بكثير أثناء دخول الغلاف الجوي . صُممت المركبات الفضائية لتكون قادرة على الطيران في هذا النطاق. تُعدّ مركبة نورث أمريكان إكس-15 ومكوك الفضاء المداري المركبتين الفضائيتين المأهولتين الوحيدتين اللتين تطيران بسرعة تتجاوز 5 ماخ.

على الرغم من أن تعريف التدفق فوق الصوتي قد يكون غامضاً إلى حد ما ^{[ 1 ] [ أ ]،} إلا أنه يمكن وصف التدفق فوق الصوتي بظواهر فيزيائية معينة عند التدفق فوق الصوتي السريع جداً. ^{[ 5 ]}

وتتلخص خصائص التدفقات فوق الصوتية فيما يلي:

1. طبقة الصدمة ^{[ 1 ]}
2. التفاعل الصدمي - الحراري الهوائي: ^{[ 6 ]} التسخين الديناميكي الهوائي ^{[ 1 ]} لجسم الطائرة ^{[ 7 ]}
3. طبقة الإنتروبيا
4. تأثيرات الغاز الحقيقي
5. تأثيرات الكثافة المنخفضة
6. استقلالية معاملات الديناميكا الهوائية عن عدد ماخ.

على الرغم من أن مصطلحي "دون سرعة الصوت" و"فوق سرعة الصوت" يشيران عادةً إلى السرعات الأقل من سرعة الصوت المحلية والأعلى منها على التوالي، فإن علماء الديناميكا الهوائية غالبًا ما يستخدمون هذين المصطلحين للإشارة إلى نطاقات محددة من قيم ماخ. عندما تقترب الطائرة من سرعات انتقالية (حوالي ماخ 1)، فإنها تدخل في نظام خاص. تبدأ التقريبات المعتادة القائمة على معادلات نافيير-ستوكس ، والتي تُجدي نفعًا مع التصاميم دون سرعة الصوت، في الانهيار لأنه حتى في التيار الحر، تتجاوز بعض أجزاء التدفق محليًا سرعة ماخ 1. لذا، ثمة حاجة إلى أساليب أكثر تطورًا للتعامل مع هذا السلوك المعقد. ^{[ 9 ]}

يشير مصطلح "النظام فوق الصوتي" عادةً إلى مجموعة أرقام ماخ التي يمكن استخدام النظرية الخطية عندها؛ على سبيل المثال، عندما لا يتفاعل تدفق الهواء كيميائيًا، وعندما يمكن إهمال انتقال الحرارة بين الهواء والمركبة في الحسابات. وبشكل عام، تُعرّف وكالة ناسا السرعة فوق الصوتية "العالية" بأنها أي رقم ماخ يتراوح بين 10 و25، وسرعات إعادة الدخول بأنها أي سرعة أكبر من 25 ماخ. ومن بين المركبات الفضائية العاملة في هذه الأنظمة: كبسولات الفضاء سويوز ودراغون العائدة ؛ ومكوك الفضاء الذي سبق تشغيله ؛ والعديد من المركبات الفضائية القابلة لإعادة الاستخدام قيد التطوير مثل ستار شيب التابعة لشركة سبيس إكس وإلكترون التابعة لشركة روكيت لاب ؛ والطائرات الفضائية (النظرية) .

في الجدول التالي، تتم الإشارة إلى "الأنظمة" أو "نطاقات قيم ماخ" بدلاً من المعاني المعتادة لـ "دون سرعة الصوت" و "فوق سرعة الصوت".

يعتمد تصنيف تدفق الهواء على عدد من معايير التشابه ، مما يسمح بتبسيط عدد لا نهائي تقريبًا من حالات الاختبار إلى مجموعات متشابهة. بالنسبة للتدفقات فوق الصوتية والتدفقات القابلة للانضغاط ، فإن أرقام ماخ ورينولدز وحدها كافية لتصنيف العديد من حالات التدفق بشكل جيد.

مع ذلك، تتطلب التدفقات فوق الصوتية معايير تشابه أخرى. أولًا، تصبح المعادلات التحليلية لزاوية الصدمة المائلة شبه مستقلة عن عدد ماخ عند أعداد ماخ العالية (أكبر من 10). ثانيًا، يعني تشكل صدمات قوية حول الأجسام الديناميكية الهوائية أن عدد رينولدز للتيار الحر يصبح أقل فائدة كتقدير لسلوك الطبقة الحدية فوق الجسم (مع أنه لا يزال مهمًا). أخيرًا، تعني زيادة درجة حرارة التدفق فوق الصوتي أن تأثيرات الغاز الحقيقي تصبح مهمة. لذلك، يُطلق على البحث في مجال التدفقات فوق الصوتية غالبًا اسم الديناميكا الحرارية الهوائية ، بدلًا من الديناميكا الهوائية . ^{[ 10 ]}

يُؤدي إدخال تأثيرات الغاز الحقيقي إلى زيادة عدد المتغيرات اللازمة لوصف الحالة الكاملة للغاز. فبينما يُمكن وصف الغاز الساكن بثلاثة متغيرات ( الضغط ، ودرجة الحرارة ، ومعامل التمدد الحراري )، والغاز المتحرك بأربعة متغيرات ( سرعة التدفق )، فإن الغاز الساخن في حالة توازن كيميائي يتطلب أيضًا معادلات حالة للمكونات الكيميائية للغاز، بينما يُحل الغاز غير المتوازن هذه المعادلات باستخدام الزمن كمتغير إضافي. وهذا يعني أنه بالنسبة للتدفق غير المتوازن، قد يلزم ما بين 10 و100 متغير لوصف حالة الغاز في أي لحظة زمنية. إضافةً إلى ذلك، فإن التدفقات فوق الصوتية المخففة (والتي تُعرف عادةً بأنها تلك التي يزيد فيها عدد كنودسن عن 0.1) لا تخضع لمعادلات نافيير-ستوكس .

عادةً ما يتم تصنيف التدفقات فوق الصوتية حسب طاقتها الكلية، والتي يتم التعبير عنها على أنها المحتوى الحراري الكلي (MJ/kg)، والضغط الكلي (kPa-MPa)، وضغط الركود (kPa-MPa)، ودرجة حرارة الركود (K)، أو سرعة التدفق (km/s).

طوّر والاس د. هايز معيارًا للتشابه، مشابهًا لقاعدة ويتكومب للمساحة ، والذي سمح بمقارنة التكوينات المتشابهة. في دراسة التدفق فوق الصوتي فوق الأجسام النحيلة، يُستخدم حاصل ضرب عدد ماخ للتيار الحر${\displaystyle M_{\infty }}$وزاوية انحراف التدفق${\displaystyle \theta }$، والمعروف باسم معامل التشابه فوق الصوتي:$${\displaystyle K=M_{\infty }\theta }$$يُعتبر هذا أحد المعايير الحاكمة المهمة. ^{[ 10 ]} نسبة النحافة للمركبة${\displaystyle \tau =d/l}$، أين${\displaystyle d}$هو القطر و${\displaystyle l}$الطول، وغالبًا ما يتم استبداله بـ${\displaystyle \theta }$.

يمكن تقسيم التدفق فوق الصوتي تقريبًا إلى عدد من الأنظمة. ويُعدّ اختيار هذه الأنظمة تقريبيًا، نظرًا لتداخل الحدود التي يمكن عندها رصد تأثير معين.

المحركات

• محرك صاروخي
• رام جيت
• سكرامجت
• محركات التفاعل SABRE و LAPCAT (دراسات التصميم)

الصواريخ

• صاروخ كروز فرط صوتي مضاد للسفن من طراز 3M22 زيركون (قيد الإنتاج)
• صاروخ كروز براهموس-2 – (قيد التطوير)

أنظمة تدفق أخرى

• الطيران دون سرعة الصوت
• فوق صوتي
• سرعة تفوق سرعة الصوت

• دليل ناسا للسرعات فوق الصوتية
• مجموعة فرط الصوت في إمبريال كوليدج
• مركز جامعة كوينزلاند للسرعات فوق الصوتية
• مجموعة التدفق عالي السرعة في جامعة نيو ساوث ويلز
• مجموعة أبحاث السرعات الفائقة في جامعة أكسفورد. مؤرشفة بتاريخ 14 أغسطس 2021 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .