پرواز بل ایکس-۱ و نخستین عبور کنترل‌شده از سرعت صوت

رویدادی که مرزهای پرواز را تغییر داد در ۱۴ اکتبر ۱۹۴۷، چاک ییگر، خلبان آزمایشی نیروی هوایی ایالات متحده، با هواپیمای آزمایشی بل ایکس-۱ (Bell X-1) به سرعت ۱٫۰۷ ماخ رسید و نخستین پرواز افقی سرنشین‌دار سریع‌تر از صوت را انجام داد. سرعت ثبت‌شده او حدود ۱۳۲۱ کیلومتر بر ساعت بود؛ در حالی که سرعت صوت در شرایط نزدیک به سطح دریا تقریباً ۱۲۲۳ کیلومتر بر ساعت است. این پرواز فقط شکستن یک رکورد نبود. پیش از آن، بسیاری از متخصصان نمی‌دانستند آیا هواپیما می‌تواند بدون از دست دادن کنترل از سرعت صوت عبور کند یا نه. هواپیماهایی که به سرعت‌های نزدیک صوت می‌رسیدند، با افزایش شدید مقاومت هوا، لرزش و تغییر رفتار آیرودینامیکی روبه‌رو می‌شدند. پرواز ییگر نشان داد که این مشکلات را می‌توان با آزمایش دقیق و طراحی مهندسی مناسب حل کرد. ## سرعت صوت و عدد ماخ چیست؟ صوت در واقع موجی از تغییر فشار است که در یک محیط، مانند هوا، منتشر می‌شود. سرعت انتشار آن به دما، ترکیب و چگالی محیط بستگی دارد. در هوای خشک و دمای معمولی، صوت تقریباً با سرعت ۳۴۳ متر بر ثانیه حرکت می‌کند، اما در ارتفاع زیاد، به دلیل پایین‌تر بودن دما، سرعت صوت کمتر است. برای مقایسه سرعت یک جسم با سرعت صوت از عدد ماخ (Mach number) استفاده می‌شود. اگر هواپیما با سرعتی برابر سرعت صوت حرکت کند، سرعت آن ماخ ۱ است. سرعت ۰٫۸ ماخ یعنی هواپیما با ۸۰ درصد سرعت صوت پرواز می‌کند و سرعت ۱٫۲ ماخ یعنی سرعت آن ۲۰ درصد بیشتر از صوت است. بنابراین، عدد ماخ یک سرعت ثابت بر حسب کیلومتر بر ساعت نیست؛ بلکه نسبتی میان سرعت جسم و سرعت صوت در همان شرایط جوی است. ## چرا نزدیک شدن به سرعت صوت دشوار بود؟ هنگامی که هواپیما با سرعت‌های معمولی حرکت می‌کند، تغییرات فشار در اطراف آن می‌توانند تا اندازه‌ای در هوا منتشر شوند و به جسمی که در حال حرکت است هشدار دهند. اما وقتی سرعت هواپیما به سرعت صوت نزدیک می‌شود، هواپیما تقریباً هم‌سرعت با این اختلال‌های فشاری حرکت می‌کند. در نتیجه، موج‌های فشار در جلوی هواپیما روی یکدیگر فشرده می‌شوند و موج ضربه‌ای (Shock wave) تشکیل می‌دهند. موج ضربه‌ای باعث افزایش ناگهانی فشار و دما می‌شود و مقاومت موجی (Wave drag) را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد. همچنین ممکن است جریان هوا روی بال‌ها و سطوح کنترلی جدا شود و کنترل هواپیما دشوار گردد. به همین دلیل، عبارت «دیوار صوتی» در گذشته برای توصیف این ناحیه به کار می‌رفت؛ هرچند این دیوار یک مانع فیزیکی واقعی نیست، بلکه مجموعه‌ای از پدیده‌های پیچیده آیرودینامیکی است. برای عبور ایمن از این ناحیه، هواپیما باید بدنه‌ای باریک و مقاوم، ورودی‌های هوای مناسب و سطوح کنترلی دقیقی داشته باشد. شکل بال‌ها نیز اهمیت فراوان دارد، زیرا بال باید در سرعت‌های پایین امکان برخاست و فرود را فراهم کند و در سرعت‌های نزدیک صوت نیز باعث افزایش بیش از حد مقاومت نشود. ## بل ایکس-۱ چگونه ساخته شد؟ بل ایکس-۱ در اصل با نام XS-1 در یک طرح مشترک میان کمیته ملی مشاوره هوانوردی ایالات متحده، یعنی نهاد پیشین سازمان ملی هوانوردی و فضایی آمریکا، و نیروهای زمینی ارتش ایالات متحده ساخته شد. شرکت بل در مارس ۱۹۴۵ قرارداد ساخت این هواپیمای آزمایشی را دریافت کرد و نمونه نهایی در دسامبر همان سال آماده شد. این هواپیما حدود ۱۱ متر طول و نزدیک به ۸٫۵ متر عرض بال داشت و تنها برای یک خلبان طراحی شده بود. برخلاف بسیاری از هواپیماهای آن زمان، نیروی پیشرانش خود را از موتور موشکی دریافت می‌کرد. موتور آن از اکسیژن مایع (Liquid oxygen) و الکل اتیلیک حل‌شده در آب به عنوان پیشران استفاده می‌کرد. موتور موشکی می‌توانست در مدت کوتاه نیروی زیادی تولید کند و هواپیما را به سرعت‌هایی برساند که موتورهای معمولی آن دوره به‌تنهایی برای دستیابی به آنها کافی نبودند. بل ایکس-۱ به دلیل شکل باریک و گرد خود تا حدی به گلوله شلیک‌شده از سلاح گرم شباهت داشت. این شکل، همراه با ساختار مقاوم هواپیما، به آن کمک می‌کرد در برابر فشارهای شدید ناشی از پرواز مافوق صوت دوام بیاورد. ## نقش آزمایش‌های مرحله‌ای پرواز تاریخی ییگر ناگهانی و بدون آمادگی قبلی انجام نشد. ابتدا آزمایش‌های پروازی بدون موتور انجام گرفت تا رفتار هواپیما در هنگام سرخ‌خوردن و فرود بررسی شود. ییگر در اوت ۱۹۴۷ سه پرواز سرشی با این هواپیما انجام داد. سپس پروازهای موتوردار با سرعت‌های زیرصوت آغاز شد و سرعت هواپیما به‌تدریج افزایش یافت. در پرواز اصلی، بل ایکس-۱ از یک بمب‌افکن بوئینگ بی-۲۹ در ارتفاع زیاد رها شد. پس از جدایی، موتور موشکی روشن شد و هواپیما شتاب گرفت. این روش باعث می‌شد سوخت موتور برای بخش مهم آزمایش، یعنی رسیدن به سرعت‌های بسیار بالا، حفظ شود. ییگر با وجود آسیب‌دیدگی دنده‌های خود در حادثه‌ای هنگام اسب‌سواری در شب پیش از پرواز، توانست مأموریت را انجام دهد. او در ارتفاع حدود ۴۳ هزار پایی به سرعتی بیش از ماخ ۱ رسید. برخلاف تصور عمومی، عبور از سرعت صوت با انفجاری که هواپیما را نابود کند همراه نشد؛ اما از زمین صدای شدیدی به نام غرش صوتی (Sonic boom) شنیده شد. این غرش حاصل رسیدن موج‌های ضربه‌ای به سطح زمین است. ## اهمیت علمی و مهندسی دستاورد پرواز بل ایکس-۱ مفهوم هواپیمای پژوهشی را تثبیت کرد؛ وسیله‌ای که از ابتدا برای آزمایش فناوری‌ها و بررسی قوانین فیزیکی ساخته می‌شود، نه برای حمل مسافر یا انجام مأموریت عملیاتی روزمره. داده‌های این پروازها به مهندسان امکان دادند رفتار جریان هوا، فشار، لرزش، پایداری و کنترل هواپیما را در شرایط مافوق صوت بهتر بشناسند. اطلاعات به‌دست‌آمده بعدها در طراحی هواپیماهای جنگنده، موشک‌ها و فضاپیماها به کار رفت. همچنین روشن شد که عبور از سرعت صوت به‌تنهایی کافی نیست؛ هواپیما باید بتواند در سرعت بالا شتاب بگیرد، مسیر خود را حفظ کند، بچرخد و سرانجام با ایمنی فرود بیاید. این دستاورد در ابتدا محرمانه باقی ماند. مقام‌های نیروی هوایی داده‌های پرواز را دو ساعت پس از انجام آن طبقه‌بندی کردند و خبر موفقیت تا دسامبر ۱۹۴۷ به‌تدریج به بیرون درز نکرد. تأیید رسمی نیز در مارس ۱۹۴۸ منتشر شد. ## آینده پرواز مافوق صوت پرواز ییگر آغاز برنامه‌ای طولانی از هواپیماهای آزمایشی بود. یکی از چالش‌های اصلی امروز، غرش صوتی است. پرواز مافوق صوت بر فراز مناطق مسکونی می‌تواند صدای شدیدی ایجاد کند و به همین دلیل، بسیاری از مقررات پروازی، چنین پروازهایی را بر فراز خشکی محدود کرده‌اند. هواپیمای آزمایشی ایکس-۵۹ ناسا برای بررسی فناوری‌هایی طراحی شده است که بتوانند شدت و صدای غرش صوتی را کاهش دهند. اگر این آزمایش‌ها موفق باشند، احتمال بازگشت پروازهای مافوق صوت تجاری بر فراز خشکی افزایش می‌یابد. بنابراین، رویداد ۱۹۴۷ فقط بخشی از تاریخ هوانوردی نیست؛ نقطه آغاز زنجیره‌ای از پژوهش‌هاست که هنوز برای ساخت هواپیماهای سریع‌تر، کم‌صداتر و کارآمدتر ادامه دارد.