الهايبرسونيك.. معركة السرعة الفائقة بين الإنسان والفيزياء
يمان الشريف
في عالم يقوده هوس السرعة وتدفعه جميع مسخِرات العَجَلة، إذ بات للوقت قيمة كما لو أنّ الزمن قد بدأ العمل للتو، فترى شركات الحاسوب تعرض أجهزتها بمعالجات ذات كفاءة وسرعة أعلى، وكذا الأمر بالنسبة للهواتف وبقية الأجهزة الإلكترونية، والأمر لا يختلف كثيرا عن شركات السيارات، فكلّ شيء يصب نحو عالم متسارع يتسابق مع الزمن.
والحكاية ذاتها تتكرر في فضاء الأرض حيث تحلق قرابة 100 ألف طائرة يوميا في جميع أقطار الكوكب وفق إحصائيات عُرِضت مؤخرا، وهذا من شأنه أن يتنقل ملايين البشر في كل يوم من مكان إلى آخر.1
وكل ذلك على الرغم من لوائح النظام التي تديرها أجهزة مراقبة الملاحة الجوية (Air traffic control) التابعة للمطارات المحلية التي تفرض على الطيّارين في معظم البلدان عدم تجاوز سرعة 250 عقدة، أي ما يعادل 463 كيلومترا في الساعة، في نطاق يصل إلى ارتفاع 3 كيلومترات، وبعد ذلك الارتفاع نجد شركات الطيران تتسابق فيما بينها في الوصول إلى أقصى سرعة ممكنة لكسب المزيد من الوقت، على أن لا تتجاوز سرعة الطائرة المدنية سرعة الصوت.
والأمر لا يبدو بهذه البساطة، فمحركات الطائرة وكذلك هيكلها الخارجي يلعبان دورا محوريا في تحديد السرعة القصوى للطائرة، وهذا ما يحدده مهندسو شركات تصنيع الطائرات مثل شركة “إيرباص” الفرنسية (Airbus Corporate Jets) وغيرها.
وعلى مر التاريخ البشري في مجال صناعة الطائرات ابتداءً من عهد “الأخوان رايت” في مطلع القرن الماضي؛ احتكم المهندسون إلى عدم تجاوز سرعة الصوت التي تبلغ 1235 كيلومترا في الساعة في الظروف الطبيعية على مستوى البحر، مع وجود بعض الاستثناءات، ويعود ذلك إلى المشاكل البيئية الناجمة عن تجاوز هذا الحاجز.
جزيئات الهواء الحاملة للطاقة.. آلية انتقال الصوت
يُعد الصوت المرجع الأساسي بالنسبة لمهندسي الديناميكا الهوائية (Aerodynamics) في تحديد وتقسيم نطاقات السرعة، وذلك لما يتمتع به من خصائص فيزيائية أثناء انتقاله عبر الموجات الصوتية في الهواء أو أي مائع آخر، ويمكن تشبيه سرعة الصوت عند المهندسين بسرعة الضوء عند الفيزيائيين من حيث الأهمية والمرجعية.
إنّ الآلية الفيزيائية لانتشار الصوت وانتقاله في الهواء يعتمد على الحركة الجزيئية (Molecular Motion)، فعلى سبيل لو أنّ أحدهم قام بتفجير مفرقعات بداخل فناء، فستنتقل الطاقة الحرارية من المفرقعات إلى جزيئات الهواء المجاورة، وستصبح هذه الجزيئات حاملة للطاقة التي بدورها ستنتقل إلى الجزيئات التي بجانبها، ثم إلى التي بجانبها وهكذا، مما هو أشبه بتأثير الدومينو (Domino Effect).
فتنتشر الطاقة المنبعثة من الألعاب النارية عبر الهواء عن طريق الاصطدامات أو الاهتزازات الجزيئية، وعند مرور هذه الاهتزازات أو الموجات على طبلة الأذن، يمكننا حينها سماع التغيرات الطفيفة في هذه الموجة.2
“عدد ماخ”.. نطاقات سرعة الأجسام في الموائع
لقد لاحظ المهندسون أن سرعة الصوت تمثل فاصلا حرجا في سرعة الموائع والأجسام، وعليه أوجدوا عددا أطلقوا عليه “عدد ماخ” (Mach Number)، ويشير إلى سرعة الجسم في المائع بالنسبة لسرعة الصوت، وتعزى تسميته إلى الفيزيائي النمساوي “إرنست ماخ”.
ثمّ إنّهم قسّموا مجالات أو نطاقات السرعة وفق العدد “ماخ” إلى 4 أقسام:
– قسم ما دون سرعة الصوت (Subsonic)، حيث لا تتجاوز سرعة الأجسام 1 ماخ.
– قسم سرعة الصوت (Sonic)، حيث تعادل سرعة الأجسام سرعة الصوت، أي السرعة تساوي 1 ماخ.
– قسم أسرع من الصوت (Supersonic)، حيث تتجاوز سرعة الأجسام سرعة الصوت، أي تفوق 1 ماخ.
– قسم السرعة الفائقة (Hypersonic)، حيث تبلغ السرعة أضعاف سرعة الصوت، ويقدّر المهندسون ابتداء هذه السرعة عند 5 ماخ فما أعلى.
لقد أدرك المهندسون أنّ الجسم عند تجاوزه سرعة الصوت، أو -بسيناريو آخر مشابه- عندما يسير مائع مثل الهواء بسرعة عالية فيواجه جسما صلبا أمامه، فإنّه يحدث ظاهرة ديناميكية هوائية تُعرف بصدمة القوس (Bow Shock)، إذ يتشكل فاصل هوائي إثر انضغاط جزيئات الهواء حول الجسم، ويُطلق على هذه الظاهرة اصطلاحا “حاجز الصوت”.
كما أننا لا نجد فاصلا فيزيائيا مشابها وملحوظا عند الانتقال بين سرعة الـ”سوبرسونيك” والـ”هايبرسونيك”، فكلا النطاقين يوجدان عند سرعة أعلى من سرعة الصوت.
“ليوناردو دافينشي”.. خيال عبقري يقتحم عالم الطيران
من حكمة الخالق أن تعددت أنماط المعيشة وتشعبت سبل الحياة للكائنات الحيّة، وكان للطيور نصيبها في إلهام البشر بمحاكاة حركتها في السماء، فنجد أكثر من 500 عمل فنّي للمخترع والفنان الإيطالي “ليوناردو دافينشي” مرتبط بآلات طيران بأشكال مختلفة، مثل رسمته الشهيرة للطائرة الخفاقة أو الأورنيثوبتر (Ornithopter) في القرن الخامس عشر.
ولم يكن ذلك نابعا إلا عن الرغبة الشديدة في احتلال السماء وتقمص دور الطيور والتنعم بحرّية حدودها في الفضاء، فتنبأ بأنّ الطيور ليست سوى آلات تعمل وفق قوانين رياضية، وأنّ هذه الآلة هي داخل نطاق قدرة الإنسان في صناعة ما يحاكيها.
ولبراعة “دافينشي” في الملاحظة، قام على نحو دقيق برسم جَريان الهواء حول أجسام مختلفة موضحا الأنماط المعقدة التي يتخذها الهواء بناء على سرعة جريانه وعلى الشكل الهندسي للجسم المعيق. فكان له أول إسهام في علم الديناميكا الهوائية.3
“مبدأ بيرنولي”.. أم القوانين الرياضية في علم ميكانيكا الموائع
إذا تحدثنا في الجانب الرياضي، فقد كان العالم الإنجليزي “إسحاق نيوتن” أول من صاغ نظريته لمقاومة الهواء للأجسام، ثمّ في عام 1738 استطاع العالم السويسري “دانيل بيرنولي” في كتابه “هيدروديناميكا” (Hydrodynamica) أن يضع وصفا رياضيا للعلاقة بين الضغط والكثافة والسرعة للموائع غير القابلة للضغط، ويعرف اليوم بـ”مبدأ بيرنولي” ويُعد الأشهر على الإطلاق في علم ميكانيكا الموائع، ويمنحنا هذا المبدأ أحد السبل لحساب قوة الرفع.
وفي عام 1757 استطاع العالم “لينوهارد أويلر” وضع إطار رياضي أشمل يمكن تطبيقه على جميع الموائع سواء القابلة أو غير القابلة للضغط.
وفي عام 1799 أصبح السير “جورج كايلي” أول من يحدد القوى الأربع المؤثرة على الجسم، وهي الوزن والرفع والسحب والدفع، ثمّ انهالت الأبحاث الرياضية والحسابية، وبرزت أسماء عظيمة في علم الديناميكا الهوائية، فتكاتفت جهودهم على مدار عقود طويلة لتتكلل بصعود أول طائرة على يد “الأخوين رايت” في السابع عشر ديسمبر/كانون الأول 1903.
واستمرّت أبحاث العلماء وتجارب المهندسين في هذا المجال، فكان لاكتشاف علاقة سرعة الصوت بسرعة الموائع أثره البليغ، ومثّل مدخلا جديدا للديناميكا الهوائية.4
“باركر سولار بروب”.. طواف أسرع جسم صنعه الإنسان حول الشمس
يُعرف في أوساط الطيران أن الجسم سواء كان مكوكا فضائيا أو طائرة أو أي مجسم هندسي آخر يُوصف بأنه يسير بسرعة فائقة أو بسرعة “الهايبرسونيك” حينما يجتاز سرعة الصوت بخمسة أضعاف، أو بتعبير آخر حينما يصل إلى سرعة 5 ماخ.
ورغم قِدَم علم الديناميكا الهوائية، لم يتبيّن للمهندسين عالم السرعة الفائقة إلا حديثا نسبيا، وكان الصاروخ الأمريكي “بامبر” (Bumper) أول جسم صنعه الإنسان يحقق هذا الإنجاز عندما تجاوز 8200 كيلومتر في الساعة، أي ما يعادل تقريبًا 6.6 ماخ، في مطلع عام 1949. 5
كما أنّ الرقم القياسي لأقصى سرعة على الإطلاق استطاع الإنسان تحقيقها يعود إلى القمر الصناعي “باركر سولار بروب” (Parker Solar Probe) الذي أطلق حديثا في عام 2018، وقد وصلت سرعته 533000 كيلومتر في الساعة في أثناء مهمته نحو الشمس، أي ما يعادل 432 ماخ، مع قابلية لزيادة سرعته حينما يصل إلى أقرب نقطة إلى الشمس إذ ستصل سرعته 567 ماخ.6
ارتفاع الحرارة.. اختراق الغلاف الجوي بأضعاف حرارة الشمس
لعلّ أبرز النواحي التي يتميز بها عالم “الهايبرسونيك” دون غيره، هو مَيلان “طبقة الصدمة” (Shock Layer) وانكسارها إلى أن تبدو متطابقة مع “الطبقة الحدية” (Boundary Layer)، وهي الطبقة التي تكون مجاورة وملاصقة لحدود السطح الصلب، والتي تتأثر بلزوجة المائع. وبالتالي تحدث ظاهرة “التفاعل اللزج” على سطح المجسم.
كما أنّ هنالك جانبا آخر مهما يتعلق بالأجسام التي تسير بسرعة فائقة، وهو درجات الحرارة العالية التي يتعرض لها سطح الجسم على نحو يعجز الكثير من المواد عن مجاراته، فعلى سبيل المثال لو أنّ مكوكا فضائيا كان في طريق العودة إلى الأرض، وفي أثناء اختراقه للغلاف الجوي بسرعة 36 ماخ، فإنه حسابيا، ستصل درجة الحرارة سطح هذا المكوك إلى 65000 درجة مئوية، أي أنها ستبلغ 6 أضعاف درجة حرارة سطح الشمس.7
وعلى الرغم من أن هذه الحرارة ليست إلا تخمينا حسابيا مبنيا على كثافة الهواء بالقرب من سطح الأرض، وهو ما لا ينطبق على الهواء على بعد 100 كيلومتر فوق سطح البحر، إذ يكون الهواء أقل كثافة؛ فإن درجات الحرارة تبقى مرتفعة للغاية على سطح المكوك الفضائي.
ولتوضيح الصورة أكثر، فعند هذه السرعة يحدث تفاعلٌ كيميائي تنتج منه سحابة بلازمية من أيونات النيتروجين والأكسجين، بالإضافة لإلكترونات حرّة عند مقدمة المكوك الفضائي. وبسبب هذه الإلكترونات الحرة تتعرض الأجهزة الإلكترونية لانقطاع في الكهرباء في أثناء اختراق الغلاف الجوي للأرض.
قوة الاحتكاك والسحب والحرارة.. آثار ضغط الهواء
إن الوصول إلى السرعة الفائقة لا يعد أمرا صعبا اليوم، لكن التحدي يكمن في استغلال هذا الأمر وتطويعه للمنفعة بأسلم شكل ممكن، ولأن الأمر يُعد حرجا وسرّيا فإن معظم الدول تحتفظ بأبحاثها العلمية في هذا المجال.
تتعرض جميع الأجسام التي تدخل الغلاف الجوي لقوة احتكاك وسحب وارتفاع هائل بالحرارة ينتج في الغالب من ضغط الهواء أمام الجسم. ولو شرحنا ذلك بالأرقام لقلنا إنه عندما تدخل المركبة الفضائية الغلاف الجوي للأرض، فإنها تمتلك طاقة ميكانيكية (Mechanical Energy) مكوّنة من طاقة حركية ناتجة عن سرعة المركبة، وكذلك من طاقة كامنة ناتجة عن موقع وارتفاع الجسم عن سطح الأرض.
ولو قدّرنا وجود مركبة فضائية بكتلة 1000 كيلوغرام تسير بسرعة 7.7 كيلومترات في الثانية على ارتفاع 300 كيلومتر، فإن طاقتها الميكانيكية تعادل 3.23 تريليون جول، وهي طاقة تعادل 700 طن من متفجرات التي إن تي.
ولكي تتخلص من هذا الكم الهائل من الطاقة الميكانيكية، فإن السبيل الوحيد هو تحويلها لنوع آخر من الطاقة، وهي الطاقة الحرارية، وهنا يتضح سبب ارتفاع درجة حرارة سطح المركبة الفضائية إلى درجات عالية.8
“كونكورد”.. سقوط الطائرة التي اخترقت حاجز الصوت
يعد التنقل أحد الاستخدامات المترقبة لمجال السرعة، وإحدى المحطات الثورية في عالم المواصلات، كما تخطط له شركات الفضاء الخاصة أمثال “سبيس أكس” و”بلو أوريجين”.
كما أن تجربة مماثلة في عالم الطيران تعد مرجعا جيدا لهذه الشركات، ففي عام 1973 تعاونت عدة شركات -بشراكة فرنسية بريطانية- على تصميم وإنتاج أول طائرة مدنية تسير بسرعة أعلى من سرعة الصوت، وأطلقوا عليها طائرة “كونكورد” (Concorde). وبالفعل عملت هذه الطائرة بشكل فعّال إلى أن وقعت حادثة احتراقها وعطب محركاتها بعد إقلاعها بلحظات معدودة من مدينة باريس إلى نيويورك في الخامس والعشرين من يوليو/تموز 2000.
احترقت الطائرة واضطرت على السقوط فوق أحد الفنادق، وتسببت الحادثة بوفاة جميع من كانوا على متنها البالغ عددهم 109 من الركاب، بالإضافة إلى 4 آخرين، وقد تركت الحادثة أثرا بليغا على الشركة إذ انتهى بها المطاف إلى الإغلاق، ولم يحدث بعد ذلك سوى محاولات شحيحة لاسترجاع زمن السرعة الفائقة في التنقل، لكن اليوم ومع نهوض شركات خاصة في الفضاء بريادة أشهر رجال الأعمال “إيلون ماسك” و”جيف بيزوس”، فإننا سنشهد نهضة ثورية في عالم المواصلات.
بالتأكيد مع اختلافات طفيفة لكنها جوهرية، فبدلا من أن يحظى المسافرون برحلة داخل الغلاف الجوي، فسيستمتعون بمشهد الكرة الأرضية من الفضاء بينما تنقلهم الطائرة -أو الصاروخ إن صح التعبير- بين البلدان والقارات من خارج الغلاف الجوي لتفادي احتكاك الهواء، وبالتالي تجنب ارتفاع الحرارة على سطح المجسم في أغلب فترات الرحلة.
إن رحلات كهذه كفيلة بأن تنقلك بين أبعد مدينتين في العالم في ظرف زمني أقصاه 30 دقيقة فقط على حد ادعاء العبقري والشهير “إيلون ماسك” صاحب الشركة الرائدة في الفضاء “سبيس اكس”. وقد نشهد هذا النمط من الرحلات في العقد الجاري وإنّها بلا شك ستكون ثورة المواصلات بعلامة السرعات الفائقة لهذا العصر.9
المصادر:
[1] محررو الموقع (2021). كم عدد الرحلات في اليوم؟ إحصاءات شركات الطيران والرحلات الجوية (2021). تم الاسترداد من: https://www.gaytravel.com/gay-blog/airline-and-flight-statistics
[2] د.أندرسون، جون (2010). أساسيات الديناميكا الهوائية. ماكجرو هيل للتعليم، نيويورك. الطبعة الخامسة. ص555
[3] د.أندرسون، جون (1999). تاريخ الديناميكا الهوائية: وتأثيرها على الآلات الطائرة. صحافة جامعة كامبرج، كامبرج. ص28
[4] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). السير جورج كايلي، ممارسة الطيران. تم الاسترداد من: https://web.archive.org/web/20080920052758/http://centennialofflight.gov/essay/Prehistory/Cayley/PH2.htm
[5] د.أندرسون، جون (2012). رحلات السرعات الفائقة. تم الاسترداد من: https://airandspace.si.edu/stories/editorial/hypersonic-flight
[6] محررو الموقع (2021). باركر سولار بروب: أول زيارة بشرية إلى موظف. تم الاسترداد من: https://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe-humanity-s-first-visit-to-a-star
[7] تشابمان، دين (1960). تحليل الممر ومتطلبات التوجيه لدخول الغلاف الجوي للمدارات فوق الدائري. ناسا.
[8] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). كونورد. تم الاسترداد من: https://www.britannica.com/technology/Concorde
[9] أوكاين، شين (2017). يقترح إيلون ماسك السفر من مدينة إلى مدينة بالصواريخ، هنا على الأرض. تم الاسترداد من: https://www.theverge.com/2017/9/29/16383048/elon-musk-spacex-rocket-transport-earth-travel