پرتابه و سرعت صوت

تأثیرات دیوارصوتی بر پایداری و ضریب بالستیک گلوله

برایان لیتز

 عکس­ها از بیت نوبوئل

سرعت صوت فاصله‌ای است که یک موج صوتی در مدت زمان یک ثانیه در یک سیال می‌پیماید. سرعت صوت مشخص می‌کند که این موج در بازهٔ مشخصی از زمان چه مسافتی را طی می‌کند. در هوای خشک و در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد (۶۸ درجه فارنهایت)، سرعت صوت ۳۴۳٫۲ متر بر ثانیه (۱۱۲۶ فوت بر ثانیه)، ۱۲۳۶ کیلومتر بر ساعت (۷۶۸ مایل بر ساعت) یا به طور تقریبی، یک کیلومتر در سه ثانیه یا تقریباً یک مایل در پنج ثانیه است.

دیوار صوتی یا Sound Barrier که برگردان دقیق آن از زبان انگلیسی «مانع صوتی» است ؛ همانطور که از نامش پیداست مانعی برای اشیائیست که سعی میکنند از سرعت صوت فراتر روند و در حقیقت یک نیروی پرقدرت است با نام «نیروی ماخ».

شکستن دیوار صوتی با گذشتن از سرعت صوت، اولین بار در ۱۴ اکتبر ۱۹۴۷ و بوسیله چاک ئیگر (Chuck Yeager) خلبان نیروی هوایی آمریکا با هواپیمای X1 اتفاق افتاد.

 

عامل ایجاد دیوار صوتی

امواج ضربه‌ای یا Shockwaves در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربه‌ای ، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که می‌تواند به لایه‌های دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید. برای درک بهتر مطلب ، وقتی که سنگی در آب انداخته می‌شود، موجهایی در آب بوجود می‌آیند که به سمت خارج در حال حرکتند. این امواج ، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه‌ای از ملکولهای آب است که قادر به انتقال به لایه‌های دیگر نیز می‌باشد، و امواج ضربه‌ای نیز ، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت که آنها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا ، تشکیل می‌شوند.



ابر تخم مرغی شکل، ناشی از افت ناگهانی فشار هوا در اطراف بدنه هواپیما و در نتیجه میعان سریع بخار آب است . با افزایش سرعت و عبور از سرعت ترانسونیک و ورود به مرحله سوپرسونیک این ابر ناپدید میشه.

 

گلوله و محدوده ترنسونیک
چهار تصویر زیر تغییرات قابل توجه موج و الگوهای آشفتگی مربوط به یک گلوله­ 7.5 میلی­متری را در سرعت­های مختلف نشان می­دهند.


«گذر از صوت» به طور کلی برای گلوله خوب نیست. گلوله با ورود به محدوده ترنسونیک می­تواند ثبات خود را از دست بدهد. به دنبال ناپایداری دینامیک، امکان کاهش ضریب بالستیک گلوله نیز وجود دارد. اثرات دیوار صوتی در محدوده­ی 1.2 ماخ با کاهش سرعت گلوله به کمتر از 1340 پا بر ثانیه، شروع می­شود.

زمانی که سرعت گلوله به سرعت صوت میرسد، چه اتفاقی می­افتد؟ گلوله به دیوار صوتی و سرعت آن به سرعت صوت نزدیک می­شود. این منطقه برای هر جسم پرنده­ای محل بدی است. به طور خاص، در مورد گلوله­ های دارای چرخش با ثباتی هستند ، برخورد گلوله به دیوار صوتی (نزدیک شدن آن به محدوده­ 1 ماخ) باعث بی ­ثباتی آن می­شود. مرکز فشار به سمت جلو حرکت می­کند، و تلورانس حرکتی گلوله در چرخش بزرگ­تر می­شود. این پرسش مطرح می­شود که «آیا گلوله ثبات ژیروسکوپی کافی را برای غلبه بر ناپایداری دینامیک فزاینده در سرعت صوت دارد؟»


عملکرد برخی از گلوله ­ها در این مورد بهتر از بقیه است. به طور خاص، گلوله ­های کوتاه­تر و  ­قایقی شکل از محدوده­ صوت بهتر رد می­شوند. در مقابل، گلوله ­های درازتر در محدوده­ صوتی، بیشتر منحرف می­شوند که منجر به کاهش ضرایب بالستیک آنها در این سرعت می­شود و پیش­بینی مسیر چنین گلوله­ هایی در این محدوده­ سرعت دشوار است.

با بررسی تأثیر محدوده ترنسونیک بر ثبات، استدلال­هایی را بررسی می­کنیم که طبق آنها، سرعت چرخش بسیار سریع می­تواند ثبات گلوله­ را بالا ببرد و گلوله عملکرد بهتری داشته باشد ، اگر گلوله با محور ثابت ­تری از محدوده­ صوتی عبور کند، با مقاوت کمتری روبر می­شود و ضریب بالستیک آن بالا می­رود زیرا در طول حرکت در این محدوده، کمتر دچار لرزش و انحراف خواهد شد.

 

برایان برای تعیین نحوه­ عملکرد گلوله در «transonic zone»، آزمایش ­های متعددی را با استفاده از لوله های مختلف با نرخ چرخش خان (twist rates)مختلف انجام داد و نحوه­ عملکرد گلوله در سرعت­های فراصوتی و صوتی را با یکدیگر مقایسه کرد. برایان تأثیر سرعت­های مختلف چرخش را بر ضریب بالستیک (BC) گلوله بررسی کرد. آزمایش­های او نشان می­دهد که در محدوده صوتی، ضریب بالستیک به کج و معوج شدن در حین حرکت کاهش می ­یابد.



برایان چگونگی تأثیر سرعت چرخش را بر دقت (اندازه­ گروپ) و سرعت دهانه (اسلحه) نیز بررسی کرد. نتایج بدست ­آمده غافلگیرکننده بود (و نشان داد که سرعت چرخش بیشتر در حین برخورد به دیوار صوت، بر دقت تأثیر نمی­گذارد). نتایج این تحقیق گسترده در کتاب پیشرفت­های مدرن در تیراندازی دوربرد اثر برایان موجود است.

برایان اشاره می­کند: «باروت بسیاری برای رسیدن به این نتایج سوزانده شد و همه­ این نتایج به زبان ساده و قابل فهم منتشر شده است.» اگر دوست دارید بیشتر در مورد ثبات صوتی گلوله بدانید، می­توانید نسخه­ای از کتاب برایان را تهیه کنید.    

 

جمع آوری : میثم کماسایی

منابع:

https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_sound
http://appliedballisticsllc.com/