Sonik patlama

Sonik patlama, bir nesne havada ses hızından daha hızlı hareket ettiğinde oluşan şok dalgalarıyla ilişkilendirilen sestir. Sonik patlamalar, insan kulağına bir patlama ya da gök gürlemesi gibi gelen, muazzam miktarlarda ses enerjisi üretir. Ateşlenen bir merminin patlama sesi veya bir kamçının sesi küçük sonik patlamalar olarak sayılabilir.

Ses kaynağı ses hızının 1,4 katı hızında ilerliyor (1.4 Mach). Kaynak oluşturduğu ses dalgalarından daha hızlı hareket ettiği için yayılan dalgalara yön verir.

M = 2,92'de hareket eden bir uçağın ürettiği, 20 derecelik koni açısından hesaplanan bir ses patlaması. Gözlemciler, koninin kenarlarındaki şok dalgası konumlarını geçinceye kadar hiçbir şey duymazlar.

Mach koni açısı

N dalgası imzasını gösteren NASA verileri.

Büyük süpersonik uçaklardan kaynaklanan sonik patlamalar özellikle gürültülü ve ürkütücü olabilir, insanları uyandırabilir ve bazı yapılarda küçük hasara neden olabilir. Bu yüzden bu tür uçakların karaların üstünde uçmasına yasak getirildi. Tamamen önlenememekle birlikte, araştırmalar, aracın dikkatle şekillendirilmesiyle, sonik patlamalara bağlı rahatsızlığın kara üzerindeki süpersonik uçuşun pratik bir seçenek haline gelebileceği noktaya kadar azaltılabileceğini göstermektedir. Bir sonik patlama sadece bir nesne ses hızını geçtiği anda oluşmaz; ve süpersonik nesnenin etrafındaki her yönden de duyulmaz. Aslında,patlama süpersonik hızlarda hareket ederken ortaya çıkan sürekli bir etkidir. Ancak yalnızca nesnenin arkasında geometrik bir koni şeklinde bir bölgeyle kesişen bir noktada konumlandırılmış gözlemcileri etkiler. Nesne hareket ettikçe, bu konik bölge de onun arkasında hareket eder ve koni gözlemcinin üzerinden geçtiğinde, kısa bir süre patlamayı deneyimleyeceklerdir.

Sebepler

savaş uçağının çıkardığı sonik patlama

Bir uçak havadan geçtiğinde, bir teknenin ardında yarattığı yay ve kıç dalgalarına benzer şekilde, uçağın önünde ve arkasında bir dizi basınç dalgası oluşturur. Bu dalgalar ses hızında hareket eder ve nesnenin hızı arttıkça dalgalar birbirine girer veya sıkıştırılır, çünkü birbirlerinin yolundan yeterince hızlı çıkamazlar. Sonunda ses hızında, Mach 1 olarak bilinen kritik bir hızda hareket eden, deniz seviyesinde ve 20 °C (68 °F)'de hızı yaklaşık 1.235 kilometre/saat (767 mph) olan tek bir şok dalgasında birleşirler.

Normal uçuşta, şok dalgası uçağın burnunda başlar ve kuyrukta biter. Uçağın hareket yönü etrafındaki farklı radyal yönler eşdeğer olduğundan ("normal uçuş" koşulu kabul edildiğinde), şok dalgası, uçağın ucundayken, burun konisine benzer bir Mach konisi oluşturur. Uçuş yönü ile şok dalgası arasındaki yarım açı $\alpha$ şu şekilde bulunur:

$\sin(\alpha )={\frac {v_{\text{ses}}}{v_{\text{nesne}}}}$ ,

${\frac {v_{\text{ses}}}{v_{\text{nesne}}}}$ uçağın Mach sayısı($Ma={\frac {v_{\text{nesne}}}{v_{\text{ses}}}}$)'nın tersi olduğundan${\Big (}{\frac {1}{Ma}}{\Big )}$ uçak ne kadar hızlı seyahat ederse koni de o kadar düzgün ve sivri olur.

Uçağın burnunun bulunduğu bölgedeki basınçta bir yükselme olur, bu yükselme kuyruk bölgesinde negatif basınca varana dek düzgünce azalır, uçak geçtikten hemen sonra basınç aniden normale döner. Bu " yüksek basınç profili" şekli nedeniyle bir N dalgası olarak bilinir. "Patlama" basınçta ani bir değişiklik olduğunda yaşanır; bu nedenle, bir N dalgası, ilki yüksek basınç dalgasının gözlemciye ulaştığı an ve ikincisi basıncın normale döndüğü an olmak üzere iki sonik patlama yaratır. Bu, süpersonik bir uçağın ayırt edici "çift patlamasına" yol açar. Uçak manevra yaparken, basınç dağılımı karakteristik bir U dalgası şekliyle farklı formlara dönüşür.

Patlama, uçak süpersonik olduğu sürece sürekli olarak üretildiğinden, uçağın uçuş yolunu takip eden zeminde dar bir hat oluşturur, açılan bir kırmızı halı gibi gözüktüğünden "sonik halı" olarak bilinir. Genişliği, uçağın yüksekliğine bağlıdır. Patlamanın duyulduğu yerdeki noktadan uçağa olan mesafe, uçağın yüksekliğine ve $\alpha$ açısına bağlıdır.

Normal çalışma koşullarında günümüzün süpersonik uçakları için, tepe aşırı basınç, bir N dalgası patlaması için 50 ila 500 Pa (1 ila 10 psf (feet kare başına pound)) arasında değişir. U dalgaları için tepe aşırı basınçlar, N dalgasının iki ila beş katına kadar yükselebilir, ancak bu güçlendirilmiş aşırı basınç, sonik patlamanın geri kalan kısmına kıyasla sadece çok küçük bir alanı etkiler. Şimdiye kadar kaydedilen en güçlü ses patlaması 7.000 Pa (144 psf) idi ve maruz kalan araştırmacıların yaralanmasına neden olmadı. Patlama, 100 fit (30 m) yükseklikte ses hızının hemen üzerinde uçan bir F-4 tarafından üretildi. Son testlerde, daha gerçekçi uçuş koşullarında ölçülen maksimum bom 1.010 Pa (21 psf) idi. Bazı hasarların - örneğin parçalanan bir camın - bir sonik patlamasından kaynaklanma olasılığı vardır. İyi durumda olan binaların 530 Pa (11 psf) veya daha düşük basınçlardan zarar görmemesi gerekir. Ve genelde, toplumun maruz kaldığı ses patlaması 100 Pa'nın (2 psf) altındadır. Sonik patlamadan kaynaklanan yer hareketi nadirdir ve ABD Maden Bürosu ve diğer kurumlar tarafından kabul edilen yapısal hasar eşiklerinin çok altındadır.

Şok dalgasının gücü veya hacmi, hızlanan havanın miktarına ve dolayısıyla uçağın boyutuna ve şekline bağlıdır. Uçak hızı arttırdıkça, şok konisi araç çevresinde daha da sıkılaşır ve çok yüksek hızlarda ve rakımlarda patlama duyulmayacak kadar zayıflar. Patlamanın önden arkaya "uzunluğu", x uçağın uzunluğu olmak üzere${\frac {3}{2}}^{x}$'e bağlıdır. Bu nedenle daha uzun uçaklar patlamalarını daha küçük olanlardan daha fazla “yayarlar”, bu da daha güçsüz bir patlamaya yol açar.

Birkaç küçük şok dalgası uçağın diğer bölgelerinde oluşabilir ve genellikle oluşur.

Daha sonraki şok dalgaları birincisinden biraz daha hızlıdır, daha hızlı seyahat eder ve çok daha belirgin bir N dalgası şekli oluşturarak uçaktan uzaklaşan ana şok dalgasına karışır. Bu, patlamanın daha gürültülü duyulmasını sağlayan şokun hem büyüklüğünü hem de "yükselme süresini" en üst düzeye çıkarır. Çoğu uçak tasarımında karakteristik mesafe yaklaşık 40.000 fit (12.000 m)'dir, yani bu yüksekliğin altında ses patlaması "daha yumuşak" olacaktır. Fakat, bu yükseklikteki veya altındaki sürüklenme, süpersonik seyahati özellikle verimsiz hale getirir, bu da ciddi bir sorun oluşturur.

Ölçüm ve örnekler

Uçakların neden olduğu sonik patlamaların basıncı, her bir fit kare başına birkaç pounddur. Daha yüksek irtifada uçan bir araç zeminde daha düşük basınçlar üretecektir, çünkü şok dalgası araçtan uzaklaştıkça yoğunluğu azalır, ancak sonik patlamalar araç hızından daha az etkilenir.

Uçak	Hız	Rakım	Basınç (lbf / ft 2)	Basınç (Pa)
SR-71 Blackbird	Mach 3+	80.000 fit (24.000 m)	0.9	43
Concorde (SST)	Mach 2	52.000 fit (16.000 m)	1.94	93
F-104 Starfighter	Mach 1.93	48.000 fit (15.000 m)	0.8	38
Space Shuttle	Mach 1.5	60.000 fit (18.000 m)	1.25	60
Ref:

Gürültünün Azaltılması

NASA'nın Glenn Araştırma Merkezi'nde süpersonik uçakların ürettiği sonik patlamanın hafifletilmesine yardımcı olabilecek yeni araştırmalar yapılıyor. Testler yakın zamanda mikro dizi akış kontrollü Büyük Ölçekli Düşük Patlama süpersonik giriş modelinde tamamlandı. Bir NASA havacılık mühendisi, Büyük Ölçekli Düşük Patlamalı süpersonik giriş modeliyle bir rüzgar tünelinde resmedilmiştir.

Süpersonik ulaşım (SST) tasarımlarının aktif olarak araştırıldığı 1950'lerin sonlarında, patlama çok şiddetli olsa da, daha yüksek uçarak sorunların önlenebileceği düşünülüyordu. Bu varsayım, Kuzey Amerika XB-70 Valkyrie uçmaya başladığında yanlışlığını kanıtladı ve patlamanın 70.000 feet'de(21.000 m) bile bir sorun yarattığı keşfedildi.). N dalgasının ilk defa karakterize edilmesi bu tesetler sırasındaydı.

Richard Seebass ve Cornell Üniversitesi'ndeki meslektaşı Albert George, sorunu kapsamlı bir şekilde incelediler ve sonunda farklı uçakların ses seviyelerini karakterize etmek için bir " Başarım ölçüsü " (BÖ) tanımladılar. BÖ, uçak ağırlığının ve uçak uzunluğunun bir fonksiyonudur. Bu değer ne kadar düşük olursa, uçak o kadar az patlama oluşturur, yaklaşık 1 veya daha düşük rakamlar kabul edilebilir olarak ele alınır. Bu hesaplamayı kullanarak, Concorde için 1.4 ve Boeing 2707 için 1.9'luk BÖ'ler buldular. Bu nihayetinde SST projelerinin çoğunu siyasetle karışan, kamusal kızgınlıkla lanetledi ve sonuçta bu tür uçakları kullanışsız hale getiren yasalarla sonuçlandı (örneğin ses üstü olarak sadece su üzerinde uçulabiliyordu).

Bir Avustralya kamçisı

Bir boğanın düzgün bir şekilde kullanıldığında çıkardığı ses aslında küçük bir sonik patlamadır. "Kırıcı" olarak bilinen kırbaç ucu, ses hızından daha hızlı hareket eder ve böylece ses patlaması yaratır.

Bir kamçı sap bölümünden kırıcıya doğru daralır. kırıcının tutamak bölümünden çok daha az kütlesi vardır. Kırbaç keskin bir şekilde sallandığında, enerji konik kırbaç uzunluğuna aktarılır. Goriely ve McMillen, bir halkanın gerginlik altındaki konik bir filamandan geçme şeklini içeren fiziksel açıklamanın karmaşık olduğunu gösterdiler.