آشنایی با هواپیمای مافوق صوت ایالات متحده موسوم به X-51

در طی سالیان گذشته مدل های متعددی از هواپیماهای مافوق صوت ایالات متحده در سطوح مختلف به کار برده شده است. تنها هواپیمای با موفقیت استفاده شده شاتل فضایی است، اگرچه وقتی این وسیله در مدار قرار می گیرد دیگر به عنوان یک هواپیما محسوب نمی شود. جدیدترین طرح مهم برای یک هواپیمای مافوق صوت در قالب بوئینگ X-51 ارانه شده است.

طرز کار موتور جت مافوق صوت Scramjet
برای دستیابی به سرعت های بالاتر از صوت، معمولاً ۵ ماخ یا بالاتر، تمام هواپیماهای ایالات متحده باید از یک نوع موتور به نام Scramjet استفاده کنند. این موتور از یک لوله کوچک بهره می برد که اجازه می دهد هوا وارد موتور شده و توسط سرعت خود وسیله نقلیه فشرده شود. سوخت جت در فضا پخش می شود، سپس مشتعل شده و بعد با سرعتی بالاتر از سرعت وارد شدن خارج می شود و نیروی رانشی قدرتمندی ایجاد می کند. اسکرام جت ها برخلاف دیگر موتورهای جت هیچ توربینی ندارند که این باعث می شود احتمال شکست طراحی آنها پایین بیاید. با این وجود، یکی از مشکلات اصلی اسکرام جت ها این واقعیت است که آنها تنها در صورتی می توانند فعال شوند که هواپیما قبلاً به سرعت مافوق صوت رسیده باشد، این بدین معناست که دستگاه دیگری باید نیروی محرکه لازم برای رسیدن به سرعت ۵ ماخ یا بالاتر را فرآهم کند و سپس اسکرام جت این سرعت را حفظ کرده و آن را افزایش می دهد.

طراحی یک جت Waverider
یکی از چالش های اصلی هواپیماهای مافوق صوت مربوط به اثر موج ضربه ای ایجاد شده به واسطه سرعت زیاد است. برای مقابله با این پدیده پژوهشگران یک هواپیمای مافوق صوت طراحی کرده اند که از این امواج ضربه ای به عنوان یک سطح بالا برنده استفاده می کند تا نسبت نیروی بالا برنده به نیروی مقاومت کننده را بهبود بخشد. به طور کلی، در این طراحی ها از یک مخروط دماغه بسیار کوچک و صاف استفاده می شود که اندازه آن به تدریج به سمت عقب توسعه می یابد تا جایی که بال های carat یا delta قرار دارند. بال های Carat به شکل یک V وارونه هستند، در حالی که بال های delta بیشتر شبیه یک مثلث می باشند. معمولاً هواپیماهای Waverider از این طراحی برای کنترل موج ضربه ای اطراف بال ها استفاده می کنند، این کار حجم هوای زیر هواپیما را افزایش می دهد و نیروی بالا برنده بیشتری فرآهم می کند.

شاتل فضایی
شاتل فضایی مدارگرد تولید دهه ۷۰ میلادی بوده و تنها هواپیمای مافوق صوت ایالات متحده است که به طور منظم از آن استفاده شده است، اگرچه طبق برنامه ریزی انجام شده در سال ۲۰۱۰ عمر آن پایان یافت. اساساً شاتل فضایی یک هواپیمای بدون موتور است که از تکنولوژی موشک، طراحی فضاپیما و عوامل سنتی هوانوردی برای انجام ماموریت های خود از سطح زمین به مدار استفاده می کند. شاتل قادر است خدمه و محموله ها را به فضا حمل کرده و بازگرداند. علاوه بر یک نمونه اولیه، پنج مدارگرد قابل استفاده نیز تولید شدند.
مدارگرد شاتل فضایی از طریق مجموعه ای از سیستم های پیش رانش به پرواز مافوق صوت دست پیدا می کند. آن از دو شتاب دهنده موشک جامد استفاده می کند که از روی زمین پرتاب می شوند و نیروی دو دقیقه اول صعود را فرآهم می کنند. بعد از جدا شدن این شتاب دهنده ها از شاتل، موتور اصلی روشن می شود، که سوخت آن توسط یک مخزن خارجی بزرگ تامین می شود. این فرآیند به شاتل فضایی کمک می کند تا به سرعت های مافوق صوت در حدود ۲۶ هزار فوت در ثانیه (۸ هزار متر در ثانیه) دست یابد.

بوئینگ X-51
در حال حاضر، به غیر از شاتل فضایی، تنها هواپیمای مافوق صوت ایالات متحده بوئینگ X-51 است. این هواپیما که از فناوری اسکرام جت بهره می برد، یک هواپیمای Waverider است که طراحی آن مشابه بسیاری از مدل های قبلی هواپیماهای مافوق صوت می باشد. این هواپیما تحت مدیریت اداره پیش رانش آزمایشگاه پژوهشی نیروی هوایی ایالات متحده (USAF) طراحی شده است، همچنین سازمان های NASA، DARPA و شرکت Pratt & Whitney Rocketdyne نیز در آن همکاری داشته اند.
در شرایط ایده آل، این بوئینگ ۲۶ فوتی (۸ متری) قادر است به سرعت پرواز ۷ ماخ، یعنی تقریباً ۵ هزار مایل در ساعت (۸۰۵۰ کیلومتر در ساعت) دست پیدا کند. این هواپیما می تواند تا ارتفاع ۵۰ هزار فوتی (۱۵٫۲۴ کیلومتری) بر روی بمب افکن B-52 بالا برده شده و سپس پرتاب شود، سپس شتاب دهنده موشک جامد ATA CMS روشن می شود، که به این هواپیما کمک می کند تا به سرعت ۴٫۵ ماخ برسد، در این زمان موتور اسکرام جت کنترل را بدست می گیرد و هواپیما را به سرعت حداقل ۶ ماخ می رساند.

مدل های قبلی هواپیمای مافوق صوت
هواپیمای XB-70 Valkyrie در دهه ۵۰ میلادی توسط فرماندهی راهبردی هوایی USAF با هدف پروازهای طولانی در پروازهای بمباران اتمی طراحی شد. این هواپیما دارای ۶ موتور بود که آن را قادر می کرد تا ارتفاع ۷۰ هزار فوتی (۲۱ هزار متر) اوج بگیرد و توانایی دفاع در برابر هواپیماهای دیگر را فرآهم می کرد. دو نمونه اولیه از آن ساخته شد، اما این پروژه در سال ۱۹۶۱ لغو شد.
سازمان NASA در اواخر دهه ۹۰ یک هواپیمای مافوق صوت آزمایشی به نام X-43 تولید کرد. طراحی این هواپیما شبیه بوئینگ X-51 بود و از یک هواپیمای B-52 Stratofortress برای اوج گرفتن قبل از روشن شدن موشک و استفاده از نیروی اسکرام جت خود برای ادامه پرواز استفاده می کرد. علی رغم ثبت رکورد سرعت جهانی ۹٫۸ ماخ در سال ۲۰۰۴، این پروژه متوقف شد.
پروژه Blackswift در سایه پروژه DARPA Falcon تلاش کرد تا بین سال های ۲۰۰۳ و ۲۰۰۸ یک هواپیمای مافوق صوت تولید کند. این هواپیما به عنوان یک وسیله بدون سرنشین در اندازه یک جنگنده طراحی شده بود و قادر بود تا حملات سریع به نیروهای دشمن انجام دهد.

مشکلات فناوری مافوق صوت
مشکلات زیادی در رابطه با دستیابی و حفظ سرعت های مافوق صوت وجود دارد. طراحی بال یک عامل مهم است به طوری که در سرعت های بالاتر به طراحی ویژه بال نیاز است. با این وجود، این بال ها نیز در سرعت های پایین تر ناکارآمد هستند. چالش دیگر این وقعیت است که هواپیمای مافوق صوت مقدار زیادی گرما تولید می کند که می تواند بر یکپارچگی خود هواپیما تاثیر بگذارد. طراحان برای مقابله با این مسئله عناصر متعدد گوناگونی را آزمایش کرده اند مانند سپر گرمایی کامپوزیت کربن و خنک کننده پمپاژ شونده بر روی بدنه هواپیما.

آینده طرح های مافوق صوت
علی رغم موفقیت یا شکست بوئینگ X-51 در آینده، ایالات متحده به طور قطع کار بر روی هواپیماهای مافوق صوت را ادامه خواهد داد. امکان تولید هواپیماهایی که بتوانند با سرعت مافوق صوت هم در اکتشافات فضایی و هم در ماموریت های نظامی به کار گرفته شوند ظاهراً پایان ناپذیر است. چالش های مرتبط با سرعت در طول سالیان متمادی به تدریج برطرف شده اند، این نشان می دهد که مشکلات پیش روی نیز در آینده مورد پژوهش قرار گرفته و به احتمال زیاد حل خواهند شد. آینده هواپیماهای مافوق صوت ایالات متحده مطمئناً یک تلاش پرهزینه اما جسورانه است.