מחסום הקול

התעבות סביב מטוס FA-18 שטס במהירות קרובה למהירות הקול

באווירודינמיקה, מחסום הקול הוא הכינוי שניתן למעבר מתנועה במהירות תת-קולית לתנועה במהירות על-קולית. המונח זכה לפרסום במהלך מלחמת העולם השנייה כאשר מטוסי קרב החלו להיתקל במגבלות הדחיסות החלות על המטוס, דבר שמנע מהם טיסה במהירויות גבוהות יותר. בשנות ה-40 של המאה העשרים התבססה דעה מוטעית שלא ניתן יהיה לשבור את מחסום הקול בשל הכוחות החזקים הפועלים על מטוס כתוצאה מדחיסות האוויר, והדבר התפרש כמחסום פיזיקלי אמיתי שלא ניתן יהיה לעבור אותו.
בתולדות התעופה ובהתפתחות כלי הרכב, נודעה חשיבות רבה ל"שבירת מחסום הקול", והדבר היווה נקודת ציון טכנולוגית חשובה. כיום, הביטוי "לעבור את מחסום הקול" מציין הגברת מהירות עד כדי תנועה במהירות גבוהה ממהירות הקול.

רקע

שבירת מחסום הקול אינה בגדר תגלית טכנולוגית חדשה, היות ששימוש בשוטים בקרב חברות חקלאיות היה קיים מזה אלפי שנים. תנועת ההצלפה בשוט מגדילה את מהירות ההפרעה המתקדמת ממפרק כף היד ועד קצה השוט. עם הגיעו לקצה, ברגע ההצלפה, נוצר מעין בום על קולי קטן. בנוסף, ידוע כי כלי נשק מהמאה ה-19 היו בעלי מהירות לוע על קולית.

קשיים ראשונים

במטוסים הראשונים, קצות המדחף (פרופלור) הגיעו למהירות על קולית. לדוגמה, מטוס ההרווארד שהיה מייצר זמזומים מחרישים במהלך טיסה ובפרט בפניות. תופעה זו הייתה לרועץ עבור מהנדסים אווירונאוטיים היות שהתנועה העל קולית של האוויר יצרה זעזועים, גלי הלם ומערבולות סביב המטוס. מסיבה זו מנועי מדחף היו ידועים כבעלי ביצוע ירוד במיוחד, בהתקרבם למהירות הקול. ניתן היה להבין בבירור מגבלה זו כאשר ניסויים הראו שעל מנת לשפר את ביצועי המנוע והמדחף בסביבה קולית, השיפורים הדרושים עשויים להציג מנוע שמשקלו וצריכתו עולים משמעותית על יכולתו לספק דחף לתעופת המטוס. בעיה זו הובילה לפיתוח ממוקד של מנועי סילון, בתקווה להימנע ממחסומי הקול שהיו אז צפויים. עם זאת, מעברים של מחסום הקול כן נעשו באותה תקופה, כאשר מטוסי קרב ביצעו "צלילות". אמנם במקרים רבים מחירם היה התרסקות ונטישות פתאומיות של טייסים. הסיבות לכך היו:

טבלה הממחישה את צפיפות גלי הקול במהירויות השונות: 1. תת קולית 2. מאך 1 3. על קולית 4. גל הלם

• כוחות חיצוניים שפעלו על דופן המטוס וגרמו להתקשחות מערכת ההיגוי כיוון שהטייס עצמו לא הצליח להתגבר על התנגדות הכנף. ידוע לשמצה בכך הוא מטוס הA6M זירו, שניסיונות השיפורים עליו העלו חרס ורק החמירו את הבעיות.
• עמידות נמוכה של הכנפיים למאמץ גזירה, כך שעם תזוזת המאזנת נוצרה כפיפה בכנפיים שהובילה להיפוך השליטה על כלי הטיס. למשל מטוסי סופרמארין ספיטפייר סבלו מכך.
• מטוסי הP-38 לייטנינג סבלו מסכנת הינעלות של ההיגוי בעת ביצועי צלילה, היות שזרם האוויר בין הכנפיים והזנב הפעיל כוחות אדירים שנעלו את הכנפיים.

סיבות מעין אלו הובילו לתפיסה כי קיים מחסום פיזיקלי כלשהו, והוא זה שמקשה את מעבר מהירות הקול.

ניסיונות ראשונים לשבירה

צ'אק ייגר, הטייס הראשון ששבר את מחסום הקול, ליד מטוס בל X-1

הפעם הראשונה בה נטען לשבירת מהירות הקול מיוחסת לניסוי הסילון הסובייטי של יורי פובדונוסצב בשנת 1933. מנוע סילון מונע זרחן הגיע למהירות של כ 600–680 מטר/שנייה (מאך 2). ניסיון נוסף היה הניסוי המוצלח הראשון לשיגור הטיל הבליסטי V-2 ב-3 באוקטובר 1943 בגרמניה. בשנתיים שלאחר מכן דווח על הגעת הטיל למהירות של מאך 4.

שבירה רשמית של מחסום הקול

סרטון על הטיסה של ייגר

ב-14 באוקטובר 1947, מרכז הניסויים המוטסים בארצות הברית דיווח על טיסה שחצתה את המחסום ואוישה בידי סרן צ'אק ייגר במטוס הבל X-1. המטוס בעל המנוע הרקטי שוגר בהצלחה ממטוס B-29 שהותאם במיוחד עבור משימה זו.

היזנחות המושג

עם התקדמות המדע והטכנולוגיה בנושאים אלו, מספר שינויים הובילו לזניחת המושג היות שהוא נעשה ללא רלוונטי בשיקולים רבים. שיפורים כמו תכנון הכנפיים בזווית קטנה יותר ביחס לגוף המטוס, הבנת חשיבות שטח הפנים של כלי הטיס וביצועים גדולים לאין ערוך של מנועי סילון, הולידו דור חדש של מטוסים שמחסום הקול אינו מהווה מחסום עבורו. ובשנות ה-50 השבירה נעשתה דבר שבשגרה וכמעט שאינו מורגש עבור הטייס.

על פני הקרקע

ב-15 באוקטובר 1997, בכלי רכב שתוכנן במיוחד לכך על ידי הצמד ריצ'רד נובל ואנדי גרין, נשבר מחסום הקול על היבשה. כלי הרכב, ה-ThrustSSC, הורכב משני מנועי סילון ונסיעתו אושרה ופוקחה על ידי התאחדות הרכב העולמית.

שבירה על ידי גוף אנושי

פליקס באומגרטנר קבע את שיא העולם לצניחה חופשית כאשר הוא קפץ ב-14 באוקטובר 2012 מגובה של כ-39 ק"מ. בנפילה חופשית זו הגיע למהירות מוערכת של 1,357.64 קמ"ש, או 1.25 מאך, והיה לראשון שעובר את מהירות הקול ללא עזרת רכב בנפילה שלו. שיא זה נשבר ב-2014 על ידי אלן יוסטס.

ראו גם

• בום על-קולי
• התעבות סביב כלי טיס
• מספר מאך
• גל הלם
• גל הלם ניצב

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מחסום הקול בוויקישיתוף

• מחסום הקול, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)