عکاسی شلرین : طرح زیبای امواج ضربه‌ای هواپیماهای مافوق صوت در آسمان

با یک تکنیک جدید بر پایه عکاسی شلرین تصاویر جالبی از امواج ضربه‌ای (شوک) تشکیل شده اطراف هواپیماهای در حال پرواز مافوق صوت گرفته شده است. این تصاویر ممکن است روزی به مهندسان کمک کند که با شناسایی نواحی که امواج ضربه‌ای در آنها بیشترین سروصدا را تولید می‌کنند، هواپیماهای مافوق صوت کم صدا تری ساخته شود.

روشی به‌نام عکاسی شلرین وجود دارد که پیشینه آن به جنگ جهانی دوم و پیشتر (۱۵۰ سال پیش) برمی‌گردد و اغلب در تونل‌های باد فراصوتی کاربرد دارد. اما تصویر شلرین بالا از یک جت در حال پرواز فراصوتی در آسمان صحرای موهاوی در کالیفرنیا گرفته شده است و به‌زیبایی امواج ضربه‌ای تشکیل شده اطراف این هواپیما را نشان می‌دهد.  محققان با استفاده از نرم‌افزار پردازش تصویری که ناسا توسعه داده، پس‌زمینه صحرا را از عکس حذف کرده و سپس از تلفیق و میانگین گرفتن از چند فریم برای تولید تصویری واضح از امواج ضربه‌ای استفاده کرده‌اند.

اکنون قوانین سختگیرانه‌ای وجود دارد که مانع پروازهای فراصوتی در آسمان ایالات متحده آمریکا (و اغلب کشورهای دیگر) می‌شود که دلیل آن صدای بلند و گوشخراش پرواز این هواپیماهاست. اما مطالعه جریان هوای اطراف هواپیماهای نظامی فراصوتی می‌تواند به بهبود ایرودینامیک این وسایل کمک کند.

تام جونز، مدیر پروژه پروازی در پروژه فناوری فراصوتی تجاری سازمان ناسا در یک بیانیه گفته:

هدف نهایی تسهیل قابلیت پرواز در یک رژیم سرعت جدید و باز کردن یک بازار تجاری جدید برای حمل و نقل غیرنظامی است.

عکاسی شلرین

شلرین (Schlieren) در زبان آلمانی به‌معنای «رگه» است و تکنیکی قدمت دار است که به ۱۵۰ سال پیش باز می‌گردد. این تصاویر زیبای جدید هم با همین تکنیک قدیمی و البته با کمی تغییرات، ثبت شده‌اند.

برای مثال، تصویر زیر به‌کمک دیسک خورشید به‌عنوان نور پس‌زمینه گرفته شده و جزئیات آن توسط فیلتر اپتیک Calcium-K آشکار شده است. محققان این تصویر را پردازش کردند تا امواج ضربه‌ای ایجاد شده توسط جت فراصوتی T-38C را آشکار کنند.

این تکنیک، اولین بار در سال ۱۸۶۴ توسط یک فیزیکدان به‌نام آگوست توپلر (August Toepler) ابداع شد. یک آرایه بسیار موازی امواج نور به یک جسم تابانده می‌شود. هر موج صوتی و ضربه‌ای منتشر شده از جسم، هوای اطراف را متراکم و منبسط می‌کند و این تغییر چگالی، رفتاری نور منعکس شده از جسم را تغییر می‌دهد و نور دچار شکست می‌شود که این تغییرات در یک تصویر سایه‌ای (Silhouette) ثبت می‌شود.

اما تکنیک‌های شلرین معمولاً نیازمند تجهیزات نسبتاً پیچیده عکاسی هستند که سابقه نداشته روی هواپیماهای در حال پرواز استفاده شود. در عوض، محققان به مدل‌های مقیاس کوچک که در تونل باد قرار داده می‌شوند، اتکا می‌کردند. تغییرات دیگری در این روش، برای تصویربرداری به نور خورشید اتکا می‌کرد، اما تصاویر نویز بیش از اندازه‌ای داشتند و به‌گفته ناسا، جزئیاتی از ساختار ظریفی که در امواج ضربه‌ای شکل می‌گیرد، نشان نمی‌دادند.

روش‌های هواپایه

در سال‌های اخیر، دانشمندان از تکنیک دیگری استفاده کردند که شلرین پس‌زمینه‌گرا (Background-Oriented Schlieren) نام دارد. در این روش، چند عکس از پرواز هواپیما در مقابل یک پس‌زمینه خال‌دار گرفته می‌شود. تغییرات چگالی هوا که ناشی از امواج ضربه‌ای هواپیماست، در الگوی پس‌زمینه اعوجاج ایجاد می‌کنند و تکنیک‌های پیچیده پردازش تصویر می‌توانند الگوهای جریان درهم‌ریخته را آشکار کنند.

در سال ۲۰۱۱، دانشمندان ناسا با استفاده از تکنیکی که شلرین هوا به هوا نامیدند، راهی برای هوابرد کردن این روش پیدا کردند. آنها دوربینی را که می‌تواند با نرخ ۱۰۹ فریم بر ثانیه عکاسی کند، به یک هواپیمای بیچکرافت B200 کینگ ایر بستند و با آن چند هزار پا بالاتر از یک جنگنده F-18 ناسا که در ماخ ۱/۰۹ (ماخ ۱ در سطح دریا معادل ۱۲۳۶ کیلومتر بر ساعت است) در حال پرواز بود، پرواز کردند. در این وضعیت، منظره لکه و نقطه دار صحرای موهاوی با کاکتوس‌ها و خارهای غلتان و … به‌عنوان یک پس‌زمینی لکه‌دار طبیعی عمل می‌کند.

این روش، ساختارهای ظریف داخل امواج ضربه‌ای را آشکار کرد.

دان بانکس، محقق ارشد پروژه در مرکز تحقیقات پرواز آرمسترانگ ناسا در پالم دیل کالیفرنیا، گفته:

شلرین هوا به هوا تکنیک آزمایش پروازی مهمی برای شناسایی و توصیف با رزولوشن بالا از امواج ضربه‌ای ساطع شده از وسایل پرنده فراصوتی  است. این تکنیک به‌ما امکان می‌دهد که هندسه امواج ضربه‌ای را در اتمسفر واقعی و در حالی که هواپیمای مورد نظر در حال پرواز در گرادیان‌های دما و رطوبتی که قابل شبیه‌سازی در تونل باد نیست، ببینیم.

تصاویر خارق‌العاده

برای بررسی اینکه آیا می‌توانند تصاویر بهتری تهیه کنند، دانشمندان در سال ۲۰۱۴ دو دوربین روی کینگ ایر نصب کردند که تصاویری با رزولوشن بالاتر و در نرخ فریم بالاتری تهیه می‌کرد. در یک سری آزمایش طی چند ماه، کینگ ایر ارتقا یافته، تصاویری از هواپیماهای F-15، F-18 و T-38C ناسا در پرواز ثبت کرد. تصویر زیر، یک جت T-38C را در حال پرواز نشان می‌دهد.

محققان گفته‌اند که چون کینگ ایر هواپیمای فروصوت است در حالی که هواپیماهای هدف فراصوت هستند، هماهنگ کردن مسیرهای پرواز دشوار است. چون هر دو هواپیما به‌طور خطرناکی نزدیک به هم پرواز می‌کنند، سیستم‌های ناوبری آنها نیز باید با هم در ارتباط باشند.

سرگرد جاناتان اورسو، خلبان آزمایشی نیروی هوایی که با هواپیمای T-38C پرواز می‌کند، گفته:

هماهنگی ایمن بین دو هواپیمای نامشابه که در فاصله نزدیک پرواز می‌کنند و با سرعت زیادی به هم نزدیک می‌شوند، نیازمند یک تلاش گروهی کامل بود.

بعد از هر پرواز، گروه زمینی با کمک تکنیک‌های پردازش تصویر، پس‌زمینه لکه‌دار را حذف کرده و سپس از چند تصویر اولیه امواج ضربه‌ای میانگین می‌گیرند تا تصاویر ظریف‌تری از ساختارهای این امواج تولید کنند.

هواپیماها همچنین تعدادی مانور ترسناک و تغییر ارتفاع اجرا کردند که این ترکیب، به گروه کمک کرد که اولین تصاویر جانبی از امواج ضربه‌ای هواپیمای در حال پرواز را تهیه کنند که یک نمونه، تصویر ابتدای متن است.

[su_button url=”http://www.livescience.com/52404-supersonic-images-reveal-shock-waves.html” target=”blank” background=”#159f84″]Livescience[/su_button]

[su_button url=”http://www.livescience.com/52400-photos-schlieren-supersonic-jets.html” target=”blank” background=”#159f84″]Livescience[/su_button]