بازده ماشینهای خورشیدی

اگر ماشینی بین دماهای 20 و 100 درجه سانتیگراد کار کند، بازده ماکزیمم تئوری آن 21 درصد و ماشین با دماهای بین 20 و 500 درجه سانتیگراد دارای بازده 62 درصد است. بنابراین برای بازده بیشتر بهتر است که موتور خورشیدی با دمای بالا باشد. از طرف دیگر به اتلافها ، بازده ماکزیمم هرگز به حقیقت نمی‌پیوندد و با ازدیاد دما ، اتلاف نیز بیشتر می‌شود. با یک آینه سهموی یا استوانه - سهمی می‌توان دمای به قدر کافی زیادی برای تغذیه دستگاه ترمودینامیکی کلاسیک که راندمان آن نسبتا زیاد باشد، تهیه کرد. با این وصف برای منطقه عاری از رطوبت یا منطق حاره ، این دستگاهها معایبی را دارا هستند و باید آنها را برای تعقیب خورشید تجهیز کرد که گاهی محافظت از دستگاه در مقابل باد شدید مشکل و تمیز بودن آینه بطور دائم مشکلاتی را به همراه دارد.

طرحهای بهینه

نظر متخصصین برای ایجاد واحدهای الکتروخورشیدی برای نواحی مختلف زمین که انرژی را از راه حرارتی تبدیل می‌کند، آن است که از چرخه‌هایی با دمای پایین استفاده شود و یا چرخه‌های با دمای بالا بدون بررسی بازده ماکزیمم بکار گرفته شوند. از نمونه کوچک این دستگاهها می‌توان به عنوان مثال دستگاهی را نام برد که از یک آینه استوانه - سهمی با لوله پوشیده از شیشه که در کانون آینه قرار دارد، تشکیل می‌یابد. این گردآورنده خورشیدی روی محور دوران موازی با محور زمین سوار است و خورشید را در تمام روز تعقیب می‌کند، حرکت تعقیب خورشید توسط دستگاه الکتریکی با کاهنده سرعت انجام می‌پذیرد.

در صورت نبودن الکتریسیته یک دستگاه وزنه متعادل کننده ، مانند ساعت دیواری می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. در نواحی کم آب یا منطقف حاره ، مثلا سواحل در آفریقا چاههای آب با پمپهای بنزینی یا گازوئیلی به علت مشکلات ذخیره مواد قابل احتراق و مسائل نگهداری کمتر دیده می‌شوند. بر عکس انرژی خورشیدی فراوان در دسترس است و از اینرو پژوهشهای جالبی در این زمینه به عمل آمده است.

اصول کار یک پمپ خورشیدی

پمپ خورشیدی عمل کننده با بخار آب بنا به چرخه کارنو بین یک منبع گرم متشکل از مجموعه‌ای جمع کننده و منبع سردی که به آب زیرزمین برای پمپ کردن وصل شده ، تشکیل می‌شود و توسط موتور حرارتی کار می‌کند. اساس اندیشه دستگاهی ساده ، محکم و آسان برای نگهداری توسط ماسون و ژیراردیه ارائه شد و آنان را به جمع کننده‌های تخت ثابت خورشیدی و پذیرفتن چرخه‌های حرارتی با گرادیان دمای کم هدایت کرد. در این جمع کننده‌ها ، گرمای خورشید به آب منتقل می‌شود و آب در مدار بسته توسط ترموسیفون جریان می‌یابد. تجمع آب گرم وجود ندارد. پمپ خورشدی نصب شده در داکار (سنگال) شامل یک جمع کننده متشکل از دو ورقه به فاصله چند میلیمتر است که لایه بالای آن سیاه شده و برای آن جمع کننده بازدهی حدود 50 درصد اندازه گیری شده است.

دما در این جمع کننده در حدود 60 تا 70 درجه سانتیگراد است. آبی که به این ترتیب گرم شده ، گرما را به یک سیال محرک (موتور) که در یک تبدیل کننده حرارتی جریان دارد و در این دما تبخیر می‌شود، انتقال می‌دهد و آب که گرمایش را از دست داده است به جمع کننده باز می‌گردد. سیالهای مختلفی مورد آزمایش قرار گرفته‌اند: گاز سولفورو ، کلرو دو متیل ، فریون ، بوتان و ... در حال حاضر بوتان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بوتان که در بالن می‌باشد، تبخیر می‌شود و گازی که تحت فشار 9 بار تشکیل می‌شود، در یک موتور دو پیستونی رها می‌شود. گاز رها شده تحت فشار 4 بار و 40 درجه سانتیگراد در فشار پایین در یک چگالنده متراکم می‌شود و سپس توسط آبی که از چاه پمپ می‌شود سردتر شده و بوتان مایع توسط پمپی که به موتور جفت شده دوباره به محل جوش تزریق می‌شود. این موتور ، پمپ چاه را به کمک ماشین فشار (پرس) هیدرولیکی بکار می‌اندازد. پس چنین پمپی شامل قسمتهای زیر است:

1. یک سری از جمع کننده‌ها جهت گرم کردن آسیب که می‌توان در پشت بام قرار دارد.
   
   
2. یک موتور خورشیدی که به کمک یک چرخه حرارتی با دمای پایین انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.
   
   

یک هیدروپمپ برای بالا کشیدن آب با فرمان راه دور هیدرولیکی از یک طرف شامل یک پرس هیدرولیکی واقع در نزدیکی موتور خورشیدی و از طرف دیگر پمپ پییستون دار با فرمان هیدرولیکی در ته چاه است. قرار دادن موتور خورشیدی در چاهی به عمق بیشتر از 50 متر آسان است. لازم به یادآوری است که هیدروپمپ را می‌توان با هر نوع پمپ جایگزین کرد و برای تأسیسات بزرگ می‌توان از پمپهای کلاسیکی قائم استفاده کرد.

قسمتهای مختلف پمپهای خورشیدی

این موتور خورشیدی قسمتهای زیر را در بردارد:

1. یک تبخیر کننده (یا محل جوش) که در آن سیال محرک توسط آب جمع کننده گرم شده است، در فشار بالا تبخیر می‌شود. در بعضی شرایط وقتی که ایمنی مورد نظر نباشد ممکن است سیال محرک را مستقیما در جمع کننده به جریان انداخت.
   
   
2. یک موتور انبساط که گاز خروجی تبخیر کننده در آن رها می‌شود. انرژی مکانیکی که به این ترتیب بدست می‌آید، از یک طرف هیدروپمپ و از طرف دیگر پمپ تزریق مجدد را بکار می‌اندازد.
   
   
3. یک چگالنده که گاز رها شده در آن بر اثر آب سرد که از چاه می‌آید به مایع تبدیل می‌شود.
   
   
4. یک پمپ تزریق مجدد برای ارسال مجدد گاز مایع شده از چگالنده به طرف تبخیر کننده با فشار بالا است.
   
   با در نظر گرفتن اختلاف کم دما بین منبع گرم و سرد بازده ترمودینامیکی ماکزیمم بسیار کم و در حدود 6 درصد است. با ضرب این عدد در بازده گرد آورنده یا جمع کننده که 50 درصد است و بازده مکانیکی و هیدروپمپ ، بازده کلی حدود 0.7 درصد است. با انرژی تابشی 1 کیلووات می‌توان 120 لیتر آب را به ارتفاع 20 متر بالا برد.

چشم انداز

هر چند که بازده کم از نقطه نظر اقتصادی مورد انتقاد قرار گرفته و افزایش دما در جمع کننده برای بالا بازده مورد تجدید نظر قرار گرفته است، ولی در این ماشینها فقط قیمت استهلاک وسایل نگهداری تأسیسات در نظر گرفته می‌شود. در حال حاضر چنین پمپهای خورشیدی در سنگال ، موریتانی ، مالی ، ولتای علیا ، نیجر و در چاد بکار گرفته شده‌اند. دبی (بده) این پمپها در ابعاد مختلف متغیر است. مثلا یک پمپ خورشیدی برای سطح 72 متر مربع که 5 الی 7 ساعت در روز کار می‌کند، حدود 10 متر مکعب که آب را به ارتفاع 20 متر می‌کشد و برای مصرف حدود 200 نفر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در مکزیک برنامه مهمی از تأسیسات پمپهای خورشیدی در حال اجرا است. در یکی از این طرحها سطح گرد آورنده خورشیدی 3000 متر مربع و توان توربین آن 50 کیلووات است. تجزیه و تحلیل اقتصادی پمپهای خورشیدی به این نتیجه رسیده است که مجموعه‌های تکمیلی قیمت مناسبتری خواهد داشت و کشورهای آفریقای حاره ، آفریقای شمالی ، آمریکای جنوبی و آسیا (هندوستان و ...) به این پمپها توجه بیشتری خواهند کرد

تاریخچه

در اعصار آغازین دوران هوانوردی ابتدایی ، هواپیماها بیشتر با سرعتهای بسیار پایین نسبت به هواپیماهای امروزی پرواز می‌کردند که حتی به بیشتر از 300 کیلومتر در ساعت نمی‌رسید؛ در حالی که چنین سرعتی ، سرعت مطلوب برای تیک آف یا برخاست یک هواپیمای جنگنده امروزی است و رسیدن به چنین سرعتی ، ابداً مستلزم تلاش بسیار و فشار آوردن بیش از حد به موتور نمی‌باشد. اما رفته رفته ، سرعت هواپیماها حتی با موتورهای پیستونی گاها بالای 650 کیلومتر بر ساعت رسیده و از آن زمان بود که دانشمندان علوم آیرودینامیک دریافتند که با افزایش سرعت ، به تدریج میزان پسا افزایش پیدا کرده و در سرعت معینی ، دیگر هواپیما قادر به سرعت گرفتن نبوده گاه نیز استال می‌شوند.

در آن زمان ، علت این موضوع بدین گونه بیان شد که با افزایش سرعت ، به تدریج سرعت گردش انتها یا نوک پره‌های پروانه موتور ، به سرعت صوت نزدیک شده و سرانجام در حداکثر سرعت یک هواپیمای پیستونی که حدود 950 کیلومتر می‌باشد، سرعت انتهای پره‌ها از سرعت صوت گذشته و پسا یا درگ بسیاری ایجاد می‌شود که خود مانع سرعت گرفتن بیشتر هواپیماست. در چنین سرعتهایی ، پروانه موتور هواپیماهای پیستونی ، نه تنها تراست یا نیروی کشش تولید نمی‌کند، بلکه در اثر سرعت بسیار زیاد ، تبدیل به یک دیسک یا دایره توپر چرخنده می‌شود که جز ایجاد درگ و پسا ، کار دیگری انجام نمی‌دهد.

آیرودینامیستهای آن زمان این حد را یک محدوده سرعت یا همان دیوار صوتی در نظر گرفته و بسیاری از آنان نیز بر این عقیده بودند که گذشتن از دیوار صوتی و پشت سر گذاشتن آن ، کاری غیر ممکن است؛ اما با ورود به عصر جت و پیشرفت علم آیرودینامیک ، این کار برای جنگنده‌های امروزی کاری بس سهل و آسان است.

اولین بار خلبانی آمریکایی به نام چاک ییگر ، با انجام اصلاحاتی بر روی یک بمب افکن قدیمی آن را به چهار موتور موشکی مجهز کرده و بر فراز بیایانی در آمریکا ، پس از جدا شدن از هواپیمای مادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانیه پرواز هواپیمای پرتقالی رنگ ملقب به X-1 به صورت گلاید، خلبان چهار موتور موشکی خود را روشن کرده و پس از چند لحظه صدایی رعد آسا در آسمان شنیده شد که همان نتیجه شکستن دیوار صوتی برای اولین بار در جهان بود. در این آزمایش ، این هواپیما به سرعت 16/1 ماخ دست یافت، و با ورود به عصر جت ، رویای شکستن دیوار صوتی و پا گذاشتن به سرعت صوت نیز به واقعیتی بسیار قابل لمس مبدل گشت.

خصوصیات صوت و دیوار صوتی

خصوصیات صوت و دیوار صوتی چیست و چرا گذر از آن نیازمند قدرت و کشش و توانایی زیادی است. صوت ، در شرایط عادی (دما ، فشار و ... معمولی) در سطح دریا دارای سرعتی معادل 332 متر بر ثانیه یا 1,195 کیلومتر بر ساعت می‌باشد که این سرعت ، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا ، کاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر ، صوت فواصل را با سرعت کمتری می‌پیماید. این مسئله بدین صورت است که صوت از طریق ضربات ملکولهای هوا به یکدیگر و انتقال انرژی آنها فضا را طی می‌کند و هر چه تعداد مولکولها در یک حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورت پذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال می‌یابد؛ چنانکه سرعت صوت در مایعات بیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل 6000 کیلومتر بر ساعت است.

پس در نتیجه افزایش ارتفاع ، تعداد ملکولها در یک حجم معین کاهش یافته و صوت با سرعت کمتری فضا را می‌پیماید. دیوار صوتی ، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست؛ بلکه به دلیل اینکه گذشتن از سرعت صوت نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب می‌باشد، این حد را یک مانع برای رسیدن به سرعتهای بالاتر دانسته و از آن به نام دیوار صوتی یاد می‌کنند. عدد ماخ ، در حقیقت همان نسبت سرعت شیء پرنده یا همان هواپیما به سرعت صوت محیط است که به احترام دانشمندی آلمانی که برای اولین بار چنین مقیاسی را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ ، کمیتی متغیر است و بسته به خصوصیات هوا مانند دما و فشار ، تغییر کرده و کاهش یا افزایش می‌یابد.

عامل ایجاد دیوار صوتی

امواج ضربه‌ای یا Shockwaves در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربه‌ای ، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که می‌تواند به لایه‌های دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید. برای درک بهتر مطلب ، وقتی که سنگی در آب انداخته می‌شود، موجهایی در آب بوجود می‌آیند که به سمت خارج در حال حرکتند. این امواج ، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه‌ای از ملکولهای آب است که قادر به انتقال به لایه‌های دیگر نیز می‌باشد، و امواج ضربه‌ای نیز ، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت که آنها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا ، تشکیل می‌شوند.

در سرعتهای نزدیک سرعت صوت ، فرضیه غیر قابل تراکم بودن هوا رد شده و ضریب تراکم هوا به 16% در می‌رسد، که مقداری غیر قابل چشم پوشی است. در این سرعتها هوای جلوی بال یا لبه حمله به شدت متراکم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهی افزایش می‌یابد، همین مسأله ، یکی از عوامل ایجاد امواج ضربه‌ای است. هواپیما با حرکت خود در هوا ، نظم فشار هوای محیط را بر هم می‌زند و همانند قایقی که در آب در حال حرکت است، امواجی از آن ساطع شده و به دلیل اینکه این امواج با سرعت صوت حرکت می‌کنند و هواپیما زیر سرعت صوت در حال سیر است، از آن دور می‌شوند.

اما کم کم ، با نزدیک شدن به سرعتهای ترانسونیک و حدود سرعت صوت ، این امواج فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و در جلوی بال متراکم می‌شوند. در مناطقی از بدنه هواپیما که سطوح ناموزونی نسبت به جهت حرکت هواپیما دارد، سرعت گذر هوا افزایش یافته و بر اساس اصل برنولی ، با افزایش سرعت سیال ، فشار آن کاهش می‌یابد. در چنین سرعتهایی ، هوای اطراف این سطوح به سرعت صوت می‌رسد، گر چه هواپیما هنوز به سرعت صوت نرسیده باشد. در نتیجه رسیدن بعضی سطوح به سرعت صوت ، امواج ضربه‌ای تولید شده و درگ یا پسای فراوانی را قبل از رسیدن به سرعت صوت تولید می‌کنند، که همین مسأله گذر از دیوار صوتی را مشکل می‌نماید.

عدد ماخ بحرانی

به سرعتی که در آن حداقل یکی از سطوح هواپیما به سرعت صوت رسیده باشد، گر چه این پدیده در مورد خود هواپیما صادق نباشد، عدد ماخ بحرانی یا Critical Mach Number می‌گویند. عدد ماخ بحرانی را می‌توان به سرعتی که نمودار پسا در مقابل سرعت سیر صعودی می‌گیرد، نیز تعریف نمود. در این سرعت ، فرامین هواپیما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتی شبیه به کوبیدن بر روی بال توسط امواج ضربه‌ای بوجود می‌آید که با گذر از دیوار صوتی ، فرامین هواپیما به حالت طبیعی خود باز می‌گردند.

بنابراین ، در سرعتی که هواپیما به عدد ماخ بحرانی خویش می‌رسد، پسا به دلیل ایجاد امواج ضربه‌ای بطور قابل توجهی افزایش می‌یابد، پس ، باید تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحرانی هر چه بیشتر با بهبود ویژگیهای آیرودینامیکی افزایش یابد، چون اگر این اتفاق در سرعتهای پایین‌تر رخ دهد، هواپیما نیز باید از سرعت پایین‌تری جدال با افزایش پسا را شروع کند.

چرا با تولید امواج ضربه‌ای ، پسا افزایش می‌یابد؟

قانونی در مبحث دیوار صوتی بیان می‌کند که هر جریان هوایی که از یک موج ضربه‌ای بگذرد، موج ضربه‌ای انرژی جنشی سرعتی آن را گرفته و در خور تبدیل به گرما و افزایش فشار می‌کند، در نیتجه سرعت جریان هوای گذرنده از موج ضربه‌ای به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. با کاهش سرعت جریان هوا در جلوی بالها در سرعتهای نزدیک سرعت صوت ، تلاش پیشرانه یا موتورهای هواپیما باید چند برابر شود تا اثر کاهش سرعت در اثر موج ضربه‌ای را خنثی نماید. در صورتی که عدد ماخ بحرانی هواپیمایی پایین باشد، در سرعتهای پایین باید نیروی رانشی هواپیما چند برابر شود که مصرف سوخت فوق العاده‌ای را برای گذر از دیوار صوتی به دنبال خواهد داشت؛ اما، در صورت بالا بودن عدد ماخ بحرانی ، هواپیما فقط مدت کوتاهی نیازمند قدرت و کشش بسیار زیاد برای شکستن دیوار صوتی می‌باشد.

با اعمال نیروی فراوان رانشی ، سرانجام هواپیما بر مشکل پسای زیاد فائق آمده و از دیوار صوتی می‌گذرد. در نتیجه این عمل ، امواج تولید شده توسط هواپیما از آن جا مانده و پشت سر هواپیما حرکت می‌کنند. در این حالت ، وضعیت به حالت عادی بازگشته و پسای ایجاد شده به وضعیت نرمال باز می‌گردد. بعضی از هواپیماها از تمام نیروی پس سوزشان یا 100% قدرت موتور برای گذر از دیوار صوتی و یا سرعت 1,195 کیلومتر بر ساعت استفاده می‌کنند، در حالی که در سرعتهای بسیار بالاتر ، تنها از 30% قدرت موتور برای رانش به جلو بهره می‌جویند. با دقت در این مثال ، می‌توان به خوبی افزایش درگ و پسا و قدرت فروان لازم برای غلبه بر آن در سرعتهای نزدیک به سرعت صوت را درک و تجزیه و تحلیل نمود.

اثرات شکست دیوار صوتی

امواج ضربه‌ای توسط هواپیما در سرعت صوت ، بسیار قدرتمند می‌باشند، چنانکه در صورت پرواز هواپیما نزدیک به زمین و گذر آن از دیوار صوتی ، امواج ضربه‌ای با منتهای قدرت به اجسام زمینی مانند شیشه‌های منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شکستن آنها می‌شود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربه‌ای بطور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است.

از امواج ضربه‌ای ، در بمبها و تسلیحات دیگر نیز استفاده می‌شود. بمبها با یک افزایش دما و فشار ناگهانی در لایه‌هایی از هوا ، امواج ضربه‌ای بوجود آورده که از طریق هوا انتقال یافته و باعث شکستن شیشه‌ها و تخریب دیوارها نیز می‌شود. اگر شخصی در فاصله‌ای نسبتاً نزدیک در فضایی تهی از هوا و خلاء ، حتی نزدیک یک بمب ده تنی ایستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب ، آسیبی به وی نخواهد رسید، چون هوایی برای انتقال امواج ضربه‌ای وجود ندارد.

به دلیل تولید امواج ضربه‌ای در سرعتهای حدود سرعت صوت ، خلبانان سعی می‌کنند فقط مدت کوتاهی در چنین سرعتهایی ترانسونیک پرواز کرده و به زودی از دیوار صوتی گذر کنند، چون پرواز در این سرعتها نیروی بسیار زیاد موتور در نیتجه افزایش فوق العاده میزان مصرف سوخت را در پی دارد.

صدای انفجار

امواج حاصله از حرکت هواپیما یا صدای تولید شده در اثر حرکت ، هر بار در سرعتهای زیر سرعت صوت از هواپیما دور شده و به گوش شنونده می‌رسد. اما با رسیدن هواپیما به سرعت صوت، این صداها دیگر فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و کلاً در جلوی هواپیما جمع می‌شوند. با گذر از سرعت صوت ، صدایی چند ده برابر شده از حرکت هواپیما باهم به گوش شنونده می‌رسد که مانند یک انفجار شدید یا صدای رعد و برقی بسیار قدرتمند می‌باشد. شاید در تصاویر هواپیماهای در حال گذر از دیوار صوتی ، هاله‌ای سفید رنگ را در اطراف هواپیما مشاهده کرده باشید. در هنگام گذر از دیوار صوتی ، اگر هواپیما نزدیک به زمین و در محیطی مرطوب با درصد بخار آب زیاد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه‌ای فشرده شده و ابر سفیدی را برای چند ثانیه پدید می‌آورند که همان هاله سفید رنگ قابل روئیت در تصاویر است. اما از امواج ضربه‌ای در موتورهای جت نیز استفاده می‌شود. بدین گونه که ، هوا ورودی در موتورهای جت ، حتی اگر هواپیما با سرعتهای بالای صوت پروزا نماید، باید زیر سرعت صوت باشد تا قابلیت احتراق را در موتور داشته باشد.

طراحی هواپیما

بنابراین ، اکثراً در ورودی موتورهای هواپیماهای جنگنده مخروطی را به شکل کامل یا نصف مانند هواپیماهای میگ 21 یا اف 104 ستارفایتر دیده می‌شود، که فلسفه ایجاد این مخروط تولید عمدی امواج ضربه‌ای است. در صورت تولید امواج ضربه‌ای ، هوای عبوری از میان آن با سرعت کاهش یافته یا زیر صوت وارد موتور می‌شود و فرآیند احتراق بطور کامل انجام می‌پذیرد. برای انجام پروازهای مافوق صوت ، اغلب هواپیماهای جنگنده از مقطع بالهای ویژه‌ای که عدد ماخ بحرانی را به حداکثر می‌رسانند، استفاده می‌نمایند و مقطع بالها معمولاً بسیار نازک و متقارن می‌باشد.

به عقب برگشتگی بالهای هواپیماهای مدرن نیز در نتیجه تلاش برای افزایش عدد ماخ بحرانی بوده ، چرا که آزمایشهای تونل باد نشان داده که با به عقب برگشتگی بالها به میزان چند درجه عدد ماخ بحرانی به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد، تا جایی که هواپیماهای مسافربری سریع السیر مانند بوئینگ 747 که در حدود سرعت صوت یا حدود 980 کیلومتر بر ساعت پرواز می‌کنند، نیز به بالهایی به عقب برگشته مجهزند.

در برخی از هواپیماها ، مانند هواپیمای اف 14 تامکت ، از سیستم بالهای متغیر استفاده شده که در این سیستم ، در سرعتهای پایین که از عدد ماخ بحرانی خبری نیست بالها گسترده می‌شوند و برای فراوانی تولید می‌کنند، ولی رفته رفته با نزدیک شدن به سرعت صوت ، کامپیوتر موجود در این سیستم خود زاویه لازم برای افزایش عدد ماخ بحرانی را محاسبه کرده و بال را متناسب با زوایه آن تغییر داده و به عقب بر می‌گرداند. این سیستم به دلیل هزینه‌های بالا و سنگینی بیش از حد آن ، دارای استفاده محدودی می‌باشد.

دسته بندی هواپیماها

هواپیماها کلاً از نظر سرعت نسبت به سرعت صوت به چند دسته زیر تقسیم می‌شوند:

• هواپیماهای زیر سرعت صوت یا مادون صوت با محدوده سرعت 350 تا 950 کیلومتر بر ساعت ، Subsonic
• هواپیماهای حدود سرعت صوت با محدوده سرعت 950 تا 1200 کیلومتر بر ساعت ، Transonic
• هواپیماهای سرعت صوت با محدوده سرعت دقیقاً سرعت صوت نسبت به محیط ، Sonic
• هواپیماهای بالای سرعت صوت یا مافوق سرعت صوت با محدوده سرعت 1 ماخ تا 5 ماخ ، Supersonic
• هواپیماهای با سرعت بسیار بیشتر از سرعت صوت با محدوده سرعت 5 ماخ و بالاتر ، Hypersonic

مقدمه

باروری ابرها در واقع یک روند طبیعی است که در آن ابرها به بخار آب تبدیل شده و سپس به باران مبدل می‌شوند. برای ایجاد باران مصنوعی باید عوامل ابر ، رطوبت ، دما و سایر شرایط جوی فراهم باشد به هر حال با انجام باروری منظم و برنامه‌دار ابرها مقدار بارش را می‌توان در یک دوره کامل به میزان 5 تا 25 درصد افزایش داد. می‌دانیم رطوبت (وزن بخار آب موجود در یک متر مکعب هوا) عامل مهمی در تشکیل ابرهاست، همچنین می‌دانیم که هر قدر هوا گرمتر باشد، قابلیت بیشتری برای داشتن بخار آب و تشکیل ابر دارد. اما برای تشکیل ابر ضمن وجود رطوبت و دمای زیر نقطه شبنم ، وجود ذرات میکروسکوپی گرد و خاک ، دوده بلورهای نمک و ... لازم است.

به هر حال دو ساز و کار اصلی برای بارش از ابرها به نام روند باران گرم و روند باران سرد معروفند. بعد از اینکه دانشمندان متوجه شدند که در مناطق حاره ، باران از ابرهایی بارش می‌کند که هرگز دمای آنها زیر صفر نیست آن را باران گرم نامیدند. در این ابرها قطرات درشت آب که ابر را تشکیل می‌دهند در برخورد با قطرات کوچک ، آنها را جذب می‌کنند (پدیده ادغام) و به این ترتیب شروع به بارش می‌کنند.

در روند باران سرد ، یعنی زمانی که دمای ابر یا قسمتی از آن پایین‌تر از سفر می باشد، در آن پاره‌ای ابر از قطرات آب و بلورهای یخ تشکیل شده است. در این عمل بلورهای یخ با جذب رطوبت اطراف خود سریعا شروع به رشد می‌کنند تا اینکه وزن آن باعث فرود آنها می‌شود. این بلورها هنگام فرود اگر از مکانهای گرم بگذرند به باران تبدیل و در غیر این صورت به صورت برف فرود می‌آیند.

انسان از طریق باروری ابرها می‌تواند از لحاظ تعداد و نوع هسته‌های تشکیل باران به طبیعت کمک کند. باروری بوسیله هسته‌های تراکم در اندازه‌های بزرگ (به عنوان مثال عناصر جذب کننده رطوبت مانند بلور نمک و اوره) می‌تواند برای سرعت دادن به روند بارش گرم بکار رود. باروری بوسیله هسته‌ای منجمد (از قبیل یدور نقره و یخ خشک) در افزایش باران در روند بارش سرد به ابرهایی که کمبود هسته دارند کمک قابل توجهی می‌کند.

باروری ابرهای کوهستانی

در مناطق کوهستانی ابرها بوسیله هوای مرطوب که به بالا می‌روند و سرد می‌شوند تقریبا از غرب به شرق بر روی کوهها تشکیل می‌شوند. اگر این روند را بطور طبیعی به حال خود بگذاریم خیلی از این ابرها توانایی تولید باران را ندارند و بیش از 90% از رطوبت خود را در جو به جای می‌گذارند. اگر بعضی از این ابرها را با یدور و یخ خشک و دیگر مواد با استفاده از مولدهای زمینی یا هواپیما بارور کنیم بین 5 تا 20 درصد روند بارندگی را افزایش خواهیم داد.

باروری ابرهای کومولوس

باروری ابرهای کومولوس روند پیچیده‌تری دارد. برای تشکیل این ابرهای بزرگ ، هوای گرم و مرطوب لایه‌های نزدیک به زمین ، بالا رفتن و سرد می‌شوند، تا جایی که ذرات بخار حاوی آنها متراکم شده و تشکیل ابر می‌دهد. دلیل صعود این حجم از هوا می‌تواند گرمای خورشید که روی زمین می‌تابد و یا یک جبهه هوای گرم باشد. از یدور نقره و یا یخ خشک زمانی استفاده می‌شود که دمای سطح بالایی ابر حدود 5- درجه سانتیگراد و یا کمتر باشد. هدف از این عمل زیاد کردن بلورهای یخ موجود در قسمت سرد شده ابر می‌باشد. زمانی که این بلورها بوسیله قطرات آب سرد شده ، احاطه می‌شوند سریعا به وضعی می‌رسند که باعث فرود آنها می‌شود. این بلورها هنگام فرود ذوب شده و قطرات باران را تشکیل می‌دهند.

تگرگ در ابرهای بزرگتری از نوع کومولوس - نیمبوس تشکیل می‌شود، این ابرها جریان بالا رونده بسیار شدیدی دارند، برای جلوگیری از تشکیل تگرگ ، مقدار زیادی یدور نقره در بخشهای مخصوص از ابر اضافه می‌کنند. اضافه کردن هسته‌های مصنوعی انجماد باعث ایجاد یک رقابت برای جذب ذرات منجمد آب می‌شود و به همین خاطر ذرات تگرگ نمی‌تواند زیاد رشد کند، چون رشد آنها بستگی بوجود ذرات آب دارد و اگر ذرات تگرگ بزرگ نباشد، زمانی که از ابر به طرف زمین فرود می‌آیند وقت کافی برای ذوب شدن دارند.

زدودن مه

از این روش در بسیاری از فرودگاههایی که در آنها مه مرتبا خلل در پروازهایشان ایجاد می‌کند استفاده می‌کنند چون مشخصات فیزیکی مه سرد (در این نوع مه قطرات ریز آْب در دمای زیر صفر سرد شده‌اند) شباهت زیادی به ابر سرد دارد. معمولا از هواپیماهای کوچک برای پاشیدن یخ خشک روی این مه‌ها استفاده می‌شود و همانند ابرهای سرد ذرات مه سرد شده به بلورهای یخ تبدیل شده و همانند یک برف ملایم به زمین فرود می‌آیند و این باعث پراکندگی موقتی مه بر باند فرودگاه می‌شود و گاهی اوقات این پراکندگی با کمک پرتو خورشید و گرم شدن سطح زمین بیشتر می‌شود.

نکاتی مهم در مورد باروری ابرها

1. تجربه 24 کشور در سطح جهان نشان داده است که باروری ابرها می‌تواند مقدار بار را بین 10 تا 25 درصد افزایش دهد و خسارات ناشی از تگرگ را بین 30 تا 70 درصد کاهش دهد.
   
   
2. موادی که در باروری ابرها استفاده می‌شود مثل نمک خشک ، اوره یا یدور نقره هرگز باعث آلودگی نمی‌شود و خطری ایجاد نمی‌کند زیرا مقدار این مواد بیار ناچیز است (تراکم نقره به نسبت 109/1 است).
   
   
3. تا به حال نشانه‌ای وجود ندارد که باروری ابرهای منطقه باعث کاهش بارش در مناطق مجاور شده باشد (حتی تا شعاع 160 کیلومتری).
   
   
4. باروری ابرها هرگز عملی بر خلاف طبیعت نیست، زیرا گاهی حیات انسان و تولیدات مواد غذایی او وابسته به این روش ابداع انسان است.
   
   
5. با توجه به هزینه طرحهای وابسته به باروری ، هزینه تمام شده هر متر مکعب باران تولیدی 5 ریال و قسمت نفوذی به سفره‌های زیرزمینی 50 ریال (بر اساس محاسبات باروری ابرها در استان یزد در سال 1377 که هزینه کل طرح 50 هزار کیلومتر مربع حدود 600 میلیون مر مکعب بود، تنها 150 درصد آن به سطح زمین رسید و بطور متوسط حدود 12 میلیمتر بارندگی در استان مذکور بویژه اطراف شهر یزد ایجاد کرد) است.