آشنایی با هواپیمای X-59 ناسا؛ شکستن آرام دیوار صوتی

با گذشت سال‌ها از بازنشستگی کنکورد که محصولی شاخص در هوانوردی بود، حالا نام پروازهای تجاری فراصوت بار دیگر در سطح گسترده‌ای مطرح شده و یکی از شاخص‌ترین تلاش‌ها در این زمینه هواپیمای X-59 ناسا است که به پیشرفت‌های قابل توجهی برای کاهش صدای مهیب شکستن دیوار صوتی دست یافته و گام قدرتمندی برای بازگشت دوباره‌ی بشر به عصر پروازهای تجاری مافوق صوت محسوب می‌شود.

‌ برای دیدن خلاصه این مقاله با هوش مصنوعی کلیک کنید!

رؤیای پروازهای مافوق صوت مدت‌هاست که حمل‌ونقل هوایی را به سمت سرعت‌های بی‌سابقه سوق داده است. با این حال، یک مانع اساسی، یعنی شکستن دیوار صوتی و ایجاد غرش صوتی (Sonic Boom) که صدایی بلند و ناگهانی است، باعث دهه‌ها تعلیق پروازهای تجاری فراصوت بر فراز مناطق مسکونی شده است.. اکنون، ناسا با هواپیمای آزمایشی و انقلابی خود، یعنی «ایکس-59 کوئست» (X-59 QueSST) که کوتاه شده‌ی عبارت «فناوری فراصوتی ساکت» (Quiet SuperSonic Technology) است، در آستانه‌ی حل این چالش تاریخی و گشودن فصل تازه‌ای در سفرهای هوایی است.

اهمیت هواپیمای X-59 ناسا

هواپیمای X-59 QueSST ناسا که تولید آن به شرکت «لاکهید مارتین» (Lockheed Martin) سپرده شده است، نه صرفا یک هواپیمای آزمایشی دیگر، بلکه یک بستر هوانوردی جدید است که هدف روشن آن، تغییر فیزیک آیرودینامیکی پروازهای مافوق صوت است. این هواپیما هسته‌ی اصلی مأموریت «کوئست» (QueSST) را تشکیل می‌دهد.

هدف نهایی این مأموریت دو جنبه‌ی فنی و اجتماعی دارد. از نگاه فنی باید قابلیت طراحی یک هواپیمای مافوق صوت که غرش صوتی را به یک صدای آرام‌تر و قابل قبول‌تر به نام «کوبش صوتی» (Sonic Thump) کاهش می‌دهد، اثبات شود. از نگاه اجتماعی و قانون‌گذاری هم داده‌های مربوط به واکنش جوامع به این صدای آرام‌تر، جمع‌آوری خواهد شد تا به قانون‌گذاران ملی و بین‌المللی (مانند اداره هوانوردی فدرال) در بازنگری مقررات ممنوعیت پرواز مافوق صوت تجاری بر فراز خشکی کمک کند.

اگر پروژه‌ی هواپیمای X-59 موفق شود، می‌تواند راه را برای نسل تازه‌ای از هواپیماهای مسافربری تجاری باز کند که می‌توانند با سرعت‌هایی فراتر از سرعت صوت، زمان سفرهای طولانی را به شکل چشمگیری کاهش دهند.

پیش‌زمینه‌ی طراحی پرواز فراصوت

مفهوم پرواز مافوق صوت، پس از موفقیت‌های تاریخی مانند هواپیمای X-1 ناسا در سال 1947، به سرعت پیشرفت کرد. با این حال، با ظهور هواپیماهای مسافربری مافوق صوت مانند «کنکورد» (Concorde) در دهه‌ی 1970، مشخص شد که غرش صوتی یک معضل جدی به شمار می‌رود.

هواپیمای کنکورد
Credit: Credit: Eduard Marmet, Airliners

غرش صوتی، هنگامی رخ می‌دهد که یک هواپیما با سرعتی بیشتر از سرعت صوت (ماخ 1) حرکت می‌کند و امواج فشاری که در شرایط زیر صوت به طور معمول از جلوی هواپیما دور می‌شوند، نمی‌توانند به اندازه کافی سریع حرکت کنند و از حرکت خود هواپیما عقب می‌مانند. در نتیجه به یکدیگر می‌پیوندند و یک جبهه‌ی «موج ضربه‌ای» (Shockwave) قوی در جلوی هواپیما ایجاد می‌کنند.

زمانی که این امواج ضربه‌ای به گوش انسان می‌رسند، به صورت یک صدای بلند انفجار-مانند، شنیده می‌شوند. این صدای بلند، که می‌تواند به 100 تا 105 دسی‌بل برسد، برای ساکنان زیر مسیر پروازی، بسیار آزاردهنده است و به همین دلیل منجر به ممنوعیت پروازهای مافوق صوت تجاری بر فراز خشکی در بسیاری از کشورها، از جمله آمریکا شد.

طراحی مأموریت کوئست ناسا مستقیما برای پاسخ و غلبه بر این محدودیت 50 ساله انجام شده است.

تاریخچه و روند توسعه X-59

روند توسعه‌ی یک هواپیمای فراصوت تجاری آرام توسط ناسا، بسیار طولانی بوده است.

دوران طلایی پروازهای X-Plane (دهه‌های 1940 تا 1970)

آغازگر عصر مافوق صوت، پرواز تاریخی «چاک ییگر» (Chuck Yeager) با هواپیمای Bell X-1 در سال 1947 بود که موفق به شکستن دیوار صوتی شد. پس از آن، هواپیماهای سری X-Plane متعددی برای آزمایش پرواز با سرعت بالا ساخته شدند. با افزایش پروازهای مافوق صوت، به ویژه در ارتفاع پایین، پدیده‌ی غرش صوتی به عنوان یک معضل جدی اجتماعی و فنی مورد توجه قرار گرفت. اعتراضات عمومی در دهه‌های 1960 و 1970 میلادی، قانون‌گذاران را به سمت وضع محدودیت‌ها در این زمینه سوق داد.

هواپیمای Bell X-1

یکی از مهم‌ترین تجربیات، آزمایش‌ها در اوکلاهاما بود که نیروی هوایی برای مدتی به صورت منظم، پروازهای فراصوت را بر فراز شهر انجام داد تا تأثیر آن را بر جوامع بسنجد. نتایج منفی و اعتراضات شدید، به طور مستقیم بر تصمیم دولت در سال 1973 برای ممنوعیت پرواز مافوق صوت تجاری بر فراز خشکی در آمریکا اثر گذاشت.

در همین دوران هواپیمای کنکورد محصول دو کشور انگلستان و فرانسه، پروازهای تجاری مافوق صوت را آغاز کرد. هرچند به دلیل محدودیت‌های قانونی ناشی از غرش صوتی، ناچار بود تنها بخش کوتاهی از پرواز خود را، البته با سرعت‌های کنترل شده، بر فراز خشکی انجام دهد و بیشتر مسیر را بر فراز آب‌های آزاد می‌گذراند که همین موضوع صرفه‌ی اقتصادی و مسیرهای آن را به شدت محدود کرد.

تحقیقات کاهش غرش صوتی ناسا (دهه‌های 1990 و اوایل 2000)

با توجه به ممنوعیت‌ها، ناسا از دهه‌ی 1990 تحقیقات خود را برای شکل‌دهی و کاهش امواج ضربه‌ای پیش برد. در دهه‌ی 1990 میلادی به طور گسترده شروع به استفاده از تکنیک‌های پیشرفته‌ی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) کرد تا نشان دهد که می‌توان با تغییر شکل هواپیما، به ویژه دماغه و بال‌ها، امواج فشاری را به گونه‌ای دستکاری کرد که به یکدیگر نپیوندند و یک جبهه‌ی موج ضربه‌ای واحد و قوی تشکیل ندهند. این امر منجر به مفهوم «طراحی غرش-پایین» (Low-Boom Design) شد.

در سال 2003، پروژه‌ی «اثبات‌گر غرش صوتی شکل‌یافته» (Shaped Sonic Boom Demonstrator) یا SSBD نقطه‌ی عطفی کلیدی بود. در این آزمایش، ناسا یک هواپیمای جنگنده‌ی F-5E را با یک بخش دماغه و بدنه‌ی کاملا بازطراحی شده اصلاح کرد. نتایج پروازهای SSBD برای نخستین بار در عمل نشان داد که یک هواپیمای فراصوت با طراحی دقیق می‌تواند غرش صوتی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و بنابراین این قابلیت از نظر فنی به اثبات رسید.

آغاز رسمی کوئست و X-59 (پس از 2010)

موفقیت‌های تحقیقات پیشین، ناسا را متقاعد کرد که یک هواپیمای آزمایشی اختصاصی برای هدف نهایی یعنی آزمایش جامعه، مورد نیاز است. بدین ترتیب برنامه‌ی QueSST را به طور رسمی راه‌اندازی کرد و قرارداد طراحی، ساخت و مونتاژ نهایی هواپیمای X-59 را به شرکت لاکهید مارتین اسکانک وُرکس واگذار کرد.

از سال 2018 تولید و مونتاژ نهایی X-59 در تأسیسات پالم‌دیل کالیفرنیا آغاز شد. نسخه‌ی نهایی این هواپیما در ژانویه 2024 رونمایی شد و آماده‌ی ورود به مراحل پروازی گردید. سرانجام در 28 اکتبر 2025 (6 آبان 1404) نخستین پرواز موفقیت‌آمیز خود را انجام داد و تحقیقات در زمینه‌ی پروازهای تجاری مافوق صوت را یک گام به جلو برد.

مهندسی X-59 ناسا

طراحی منحصربه‌فرد و علم پشت هواپیمای X-59 ناسا، نتیجه سال‌ها شبیه‌سازی‌های پیشرفته توسط دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و آزمایش‌های تونل باد است. تقریبا تمام ویژگی‌های ظاهری هواپیما برای یک هدف اصلی طراحی شده‌اند: توزیع و شکل‌دهی مجدد امواج ضربه‌ای.

مشخصات کلیدی این هواپیما به صورت زیر است.

• طول: حدود 30.4 متر (99.7 پا).
• دهانه‌ی بال: 9 متر (29.5 پا).
• پیشرانه: یک موتور توربوفن General Electric F414-GE-100 (مشابه هواپیمای جنگنده F/A-18)
• سرعت کروز هدف: تقریبا ماخ 1.4 (حدود 1510 کیلومتر بر ساعت) در ارتفاع 16 هزار و 800 متری (55 هزار پا).
• تعداد خدمه: 1 خلبان.

دماغه‌ی بلند و باریک

بارزترین ویژگی X-59، دماغه‌ی بسیار بلند و باریک آن است که تقریبا یک سوم طول کل هواپیما (حدود 11.6 متر) را تشکیل می‌دهد. این دماغه‌ی نوک‌تیز، امواج ضربه‌ای را که به طور معمول در جلوی هواپیما با هم ادغام می‌شوند، به صورت جداگانه و پراکنده ایجاد می‌کند و از ادغام شدن آن‌ها به صورت یک جبهه‌ی موج شوک قوی جلوگیری می‌کند.

بدنه و بال‌ها

بدنه‌ی هواپیما به دقت شکل داده شده و هیچ نقطه‌ای از آن نباید باعث ایجاد یک موج شوک قوی شود. سطح زیرین هواپیما صاف طراحی شده و موتور (F414) در قسمت بالایی هواپیما نصب شده تا اطمینان حاصل شود که امواج ضربه‌ای از آن دور شوند و از ادغام شدن آن‌ها در پشت هواپیما جلوگیری شود.

سیستم دید خارجی

دماغه‌ی بلند و آیرودینامیک خاص X-59 یک مشکل جدی برای دید خلبان ایجاد می‌کند، به طوری که نمی‌تواند باند فرود را به صورت مستقیم ببیند. برای حل این مشکل، ناسا «سیستم دید خارجی» (External Vision System) یا XVS را طراحی کرده است. این سیستم از یک دوربین با وضوح بسیار بالا و حسگرهایی در جلوی هواپیما همراه با نمایشگرهای واقعیت افزوده (AR) در کابین خلبان استفاده می‌کند، تا دید رو به جلوی خلبان را به صورت دیجیتالی و ایمن فراهم کند. این یک نوآوری کلیدی است که قابلیت‌های پروازی را با محدودیت‌های طراحی مافوق صوت ترکیب می‌کند.

فازهای مأموریت کوئست

مأموریت کوئست در سه فاز اصلی برنامه‌ریزی شده است.

فاز 1: ساخت و اولین پروازها

این فاز شامل طراحی دقیق، ساخت، آزمایش‌های زمینی و انجام نخستین پروازهای X-59 بود که منجر به تحویل رسمی هواپیما از لاکهید مارتین به ناسا شد.

فاز 2: اعتبارسنجی آکوستیک

پس از اولین پرواز، «اعتبارسنجی آکوستیک» (Acoustic Validation) انجام می‌شود و X-59 وارد مرحله‌ی آزمایش‌های پروازی مافوق صوت در منطقه‌ی تست «آزمایشگاه پرواز آرمسترانگ» (Armstrong Flight Research Center) ناسا خواهد شد.

در این مرحله، ابزارهای دقیقی به کار گرفته می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که فناوری کاهش صدای غرش (Low-Boom) در شرایط واقعی اتمسفری، طبق طراحی عمل می‌کند و صدای خروجی به هدف 75 دسی‌بل از نظر «نویز مؤثر درک شده بر حسب دسی‌بل» (EPNdB) رسیده یا از آن فراتر نمی‌رود.

فاز 3: آزمایش واکنش جامعه

این کلیدی‌ترین مرحله‌ی مأموریت است. ناسا هواپیمای X-59 را بر فراز چندین جامعه‌ی منتخب در آمریکا به پرواز در خواهد آورد. در طول این پروازها، از ساکنان مناطق خواسته می‌شود تا بازخورد خود را در مورد صدایی که می‌شنوند (یا نمی‌شنوند) ارائه دهند. ناسا با جمع‌آوری این داده‌های اجتماعی معتبر، نخستین پایگاه داده‌ی جامعی را ایجاد خواهد کرد که رابطه‌ی میان مشخصات صدای آرام مافوق صوت و پذیرش آن توسط عموم را نشان می‌دهد.

پروازهای فراصوت؛ بخش مهم آینده‌ی سفرهای هوایی

هواپیمای X-59 QueSST ناسا چیزی بیش از یک طرح تحقیقاتی صرف است و در حقیقت یک کاتالیزور برای تغییر قانون‌گذاری جهانی در زمینه‌ی پروازهای مافوق صوت محسوب می‌شود. اگر داده‌های فازهای 2 و 3، به ویژه بازخورد جامعه، ثابت کند که کوبش یا تپ صوتی هواپیمای X-59 برای ساکنان زمینی قابل تحمل است، ناسا این اطلاعات را به قانون‌گذارانی مانند اداره هوانوردی فدرال (FAA) و سازمان‌های بین‌المللی ارائه خواهد کرد.

موفقیت X-59 به طور بالقوه می‌تواند منجر به لغو ممنوعیت‌های پرواز مافوق صوت بر فراز خشکی شود و زمینه را برای شکوفایی مجدد بخش حمل‌ونقل مافوق صوت تجاری (SST) فراهم کند. موضوعی که نه تنها زمان سفرهای بین‌المللی را به نصف کاهش خواهد داد، بلکه با تمرکز بر فناوری‌های پروازی ساکت، صنعت هوافضا را به سمت یک آینده‌ی سریع‌تر و در عین حال پایدارتر سوق می‌دهد. می‌توان گفت X-59 ناسا به درستی در حال تبدیل شدن به نمادی از نبوغ مهندسی بشر است که به دنبال حرکت سریع‌تر و در عین حال آرام‌تر از هر زمان دیگری است.

اعتبار عکس‌ها: NASA / Lockheed Martin

منابع: NASA, Lockheed Martin, Simple Flying, Aviation Week, Space

نوشته آشنایی با هواپیمای X-59 ناسا؛ شکستن آرام دیوار صوتی اولین بار در دیجی‌کالا مگ. پدیدار شد.