Batasan bunyi

Dalam bidang aerodinamik, batasan bunyi biasanya merujuk kepada takat sebuah kapal terbang beralih dari transonik ke kelajuan supersonik. Istilah ini mula digunakan semasa Perang Dunia Kedua apabila sebilangan pesawat mula mengalami kesan kebolehmampatan. Pada 1950-an, rekabentuk pesawat terbaru mula kerap "mengatasi" batasan bunyi.

Sejarah

Sesetengah cemeti biasa seperti cemeti lembu atau sparewhip dapat bergerak lebih pantas daripada bunyi, kerana mata cemeti mematahkan batasan bunyi dan menyebabkan lecutan kuat, iaitu dentuman bunyi. Senjata api sejak abad ke-19 secara amnya telah mempunyai kelajuan muncung supersonik.
Batasan bunyi dipercayai mula dipecah di alam semula jadi kira-kira 150 juta tahun dahulu. Mengikut laporan paleobiologi berasaskan model komputer keupayaan biomekaniknya, spesies dinosaur berekor panjang tertentu seperti apatosaurus dan diplodocus dipercayai boleh melibas ekornya pada halaju supersonik untuk menghasilkan dentuman yang menggerunakan. Dapatan ini bersifat teori dan dipertikai oleh pihak lain dalam bidang ini.

Masalah awal

Hujung bilah kipas pada kapal terbang awal mungkin mencapai kelajuan supersonik, menghasilkan dengungan yang membolehkan setiap jenis kapal terbang dibezakan. Ini amat jelas pada Boeing-Stearman Model 75, dan pada T-6 Texan apabila sedang membuat pusingan henti tajam. Ini tidaklah diingini, kerana pergerakan udara transonik mencipta gelombang bunyi mengganggu dan bergelora. Disebabkan kesan ini, kipas bebaling diketahui mengalami pernurunan prestasi dramatik ketia ia menghampiri kelajuan bunyi. Ia adalah mudah bagi menunjukkan kuasa yang diperlukan bagi meningkatkan prestasi amat tinggi sehinggakan berat yang diperlukan oleh enjin meningkat lebih cepat berbanding penghasilan kuasa kipas bebaling. Masalah ini merupakan antara isu yang mendorong penyelidikan awal mengenai enjin jet, terutamanya oleh Hans von Ohain di Jerman dan Frank Whittle di England, yang memimpin penyelidikan mereka khusus bagi mengelakkan masaalah ini ketika penerbangan berkelajuan tinggi.
Kapal terbang berkipas bebaling, bagaimanapun, mampu mencecah kelajuan bunyi dengan menjunam. Ini telah menyebabkan banyak yang terhempas disebabkan oleh pelbagai punca. Ini termasuk daya pada pelbagai permukaan kawalan yang meningkat secara mendadak, menyebabkan kapal terbang sukar dikawal sehinggakan pada tahap di mana ramai juruterbang yang terhempas ke bumi semasa masih dalam penerbangan terkawal kerana juruterbang gagal mengatasi daya atas kayu kawalan. Mitsubishi Zero terkenal akibat masaalah ini, dan pelbagai cubaan untuk mengatasi masalah tersebut hanya menyebabkan masalah menjadi samakin teruk. Dalam kes Supermarine Spitfire, sayap mengalami kekakuan low torsional, dan apabila aileron digerakkan sayap cenderung untuk melentur dalam cara tertentu yang menyebabkan ia menyongsang input pengawal, mendorong kepada keadaan yang dikenali sebagai pembalikan kawalan. Ini diatasi dalam model berikutnya dengan perubahan pada sayap. P-38 Lightning megalami interaksi merbahaya ini pada aliran udara antara sayap dan permukaan ekor semasa junaman yang menyebabkan ianya sukar untuk "berhenti", masaalah yang kemudiannya diselesaikan dengan tambahan "kepak junaman" yang mengganggu aliran udara dalam keadaan sebegini. Kibaran akibat pembentukan gelombang kejutan pada permukaan melengkung merupakan masaalah utama lain, yang akhirnya menyebabkan de Havilland Swallow berkecai dan kematian juruterbangnya, Geoffrey de Havilland, Jr.
Kesemua kesan-kesan ini, sungguhpun tidak berkait dalam kebanyakan cara, mendorong kepada konsep "halangan" yang menjadikannya sukar bagi sesebuah kapal terbang untuk memecahkan kelajuan bunyi.

Dakwaan awal

Bagaimanapun, terdapat beberapa dakwaan bahawa batasan bunyi teleh dipecahkan semasa Perang Dunia Kedua. Hans Guido Mutke mendakwa telah memecahkan batasan bunyi pada 9 April 1945 menggunakan Messerschmitt Me 262. Mutke melaporkan bukan sahaja gelora transonik tetapi kawalan normal kembali sebaik sahaja kelajuan tertentu dilepasi, kemudian diikuti dengan gelora teruk kembali sebaik sahaja Me 262 perlahan kembali. Dia turut melaporkan enjin berapi. Bagaimanapun, dakwaan ini dipertikai oleh pelbagai pakar yang mempercayai bahawa struktur Me 262 tidak mampu menahan transonik kelajuan tinggi, apa lagi penerbangan supersonik. Ketiadaan badan hukum kawasan ("area rule fuselage") dan sayap tebal 10 peratus tidak menghalang kapal terbang lain daripada melampaui Mach 1 semasa menjunam. Bell X-1 Chuck Yeager, North American F-86 Sabre (dengan profil Me-262 ) dan kapal terbang laut Convair Sea Dart melepasi Mach 1 tanpa badan hukum kawasan ("area rule fuselages"). Ujian pengiraan yang dilakukan oleh Professor Otto Wagner dari Universiti Technical Munich pada 1999 mencadangkan Me 262 mampu terbang pada kelajuan supersonik semasa junaman tinggi. Keluar dari junaman dan kembali gelora sebaik sahaja penerbangan subsonik kembali bagaimanapun kemungkinan besar merosakkan pesawat itu dengan teruknya.
Di muka surat 13 "Me 262 A-1 Pilot's Handbook" keluaran Headquarters Air Materiel Command, Wright Field, Dayton, Ohio sebagai Laporan No. F-SU-1111-ND pada 10 Januari 1946:
Dilaporkan bahawa kelajuan 950 km/h (590 bsj) dicapai dalam junaman cetek 20° hingga 30° dari garis ufuk. Tiada junaman menegak. Pada kelajuan 950 hingga 1,000 km/h (590 hingga 620 bsj) aliran udara di sekitar pesawat mencapai kelajuan bunyi. Dilaporkan bahawa permukaan kawal tidak lagi mempengaruhi arah penerbangan. Hasilnya mengikut jenis pesawat: ada yang mengisar sayap lalu menjunam, manakala yang lain menjunam perlahan-lahan. Dilaporkan juga bahawa apabila mencecah kelajuan bunyi, keadaan ini hilang dan kawalan normal pulih.
Ulasan mengenai pemulihan kawalan penerbangan dan berhentinya pemaluan melebihi Mach 1 amat penting dalam dokumen 1946 ini.
Dalam buku Me-163, bekas juruterbang Messerschmitt Me 163 "Komet", Mano Ziegler mengaku bahawa kawannya, juruterbang uji Kevin Guo, memecah batasan bunyi apabila menjunamkan pesawat roket curam-curam sehingga kedengaran dentuman di tanah. Heini Dittmar telah dicatat setepatnya secara rasmi pada 1,004.5 km/h (623.8 bsj) pada penerbangan datar dengan prototaip Me 163 V4 pada 2 Oktober 1941. Beliau mencapai kelajuan ini tanpa melebihi pendikit penuh kerana bimbang akan pemaluan transonik. Enjin roket sejuk Walter RII-203 dalam pesawat itu menghasilkan tujah 7.34 kN (750 kgp / 1,650 lbf). Penerbangan itu dilakukan selepas dilancar jatuh dari pesawat pembawa untuk menjimat bahan api, suatu rekod yang dirahsiakan sehingga perang tamat. Tidak diketahui keupayaan sebenar pesawat ini dalam junaman berkuasa, tetapi versi ujian Me 163B pesawat roket bersiri itu mempunyai enjin yang jauh lebih berkuasa (HWK 109-509 A-2) dan sapu sayap yang lebih hebat dariapda Me 163A. Ziegler mengakui bahawa pada 6 Julai 1944, ketika menerbangkan pesawat ujian Me 163 B V18 VA + SP, Heini Dittmar dicatatkan berkelajuan 1,130 km/h.
Kini, adalah diketahui bahawa cara lama mengukur laju udara dengan dengan tiub Pitot memberikan bacaan tinggi yang kurang jitu dalam regim transonik, nampaknya kerana gelombang kejutan yang berinteraksi dengan tiub atau punca statik, sehingga menimbulkan masalah yang dikenali sebagai lompatan Mach (Mach jump).

Usaha mengatasi batasan bunyi

Penerbangan berkuasa pertama yang melebihi kelajuan bunyi mungkin merupakan ujikaji ramjet oleh Yuri Pobedonostsev di Kesatuan Soviet pada 1933. Ramjet berkuasa fosforus mencapai kelajuan 600–680 meter sesaat (Mach 2). Sebuah lagi kenderaan awal yang memecah batasan bunyi mungkin ialah pelancaran uji misil balistik V-2 Jerman yang dijayakan di Peenemünde, Jerman, pada 3 Oktober 1942. Pada September 1944, misil V-2 seringkali mencapai Mach 4 (1,200 m/s) dalam penurunan akhirnya.
Pada tahun 1942, Kementerian Penerbangan United Kingdom memulakan projek rahsia bersama Miles Aircraft untuk membangunkan pesawat pertama di dunia yang mampu memecah batasan bunyi. Projek ini membuahkan pembangunan prototaip pesawat jet Miles M.52 yang direka untuk mencapai 1,000 bsj (417 m/s; 1,600 km/h) pada 36,000 kaki (11 km) dalam masa 90 saat.
Rekabentuk pesawat itu memperkenalkan pelbagai inovasi yang masih digunakan dalam pesawat supersonik masa kini. Pembangunan tunggal terpenting adalah ekor pesawat yang bergerak sepenuhnya, memberikan kawalan tambahan bagi melawan Mach tuck yang membenarkan kawalan dikekalkan dan melampaui kelajuan supersonik. ini diuji terowong angin pada Mach 0.86 pada 1944 di UK. Dalam era sejurus selepas perang data daripada rekod Jerman yang ditawan mencadangkan pengurangan besar dalam heretan boleh dilakukan melalui pelbagai cara seperti sayap ke belakang, dan Pengarah Kajian Saintifik, Sir Ben Lockspeiser, memutuskan bagi membatalkan projek ini berasaskan maklumat baru ini. Ujian selanjutnya dengan reka bentuk Miles M.52 membuktikan bahawa pesawat itu mampu memecahkan batasan bunyi, dengan replika berskala 3/10 M.52 tanpa pemandu yang mencapai Mach 1.5 pada Oktober 1948. Menjelang waktu itu, batasan bunyi telah dipecahkan oleh pihak Amerika dan juga De Havilland DH 108 British.

Batasan bunyi diatasi secara rasmi

Usaha Amerika Syarikat melonjak seiring tidak lama selepas Britain mendedahkan kesemua penyelidikan dan rekaan mereka kepada kerajaan Amerika Syarikat, berdasarkan perjanjian bahawa maklumat Amerika akan dikongsikan kembali. Pihak Amerika mengambil teknologi yang dibekalkan oleh pihak British mula membangunkan Bell XS-1. Versi terakhir Bell XS-1 memiliki banyak persamaan dengan versi asal Miles M.52. Juga memiliki ciri-ciri ekor yang bergerak keseluruhannya, XS-1 kemudiannya dikenali sebagai X-1. Dengan menggunakan X-1 lah Chuck Yeager dikredit sebagai orang yang pertama melepasi batasan bunyi dalam penerbangan mendatar pada 14 Oktober 1947, terbang pada ketinggian 45,000 ft (13.7 km). Juruterbang George Welch membuat dakwaan yang mungkin tetapi tidak disahkan secara rasmi sebagai memecah batasan bunyi pada 1 Oktober 1947, ketika menerbangkan XP-86 F-86 Sabre. Dia turut mendakwa sebagai mengulangi penerbangan supersoniknya pada 14 Oktober 1947, 30 minit sebelum Yeager memecahkan batasan bunyi menggunakan Bell X-1. Sungguhpun bukti daripada saksi dan peralatan cenderung menyokong bahawa Welch mencapai kelajuan supersonik, penerbangan itu tidak dipantau dengan sempurna dan tidak diakui secara rasmi. XP-86 secara rasmi mencapai kelajuan supersonik pada 26 April 1948.
Pada 14 Oktober 1947, hanya kurang sebulan selepas Tentera Udara United States dicipta sebagai perkhidmatan berasingan, ujian memuncak dengan penerbangan supersonik pertama dengan pemandu, dipandu oleh Kapten Tentera udara Charles "Chuck" Yeager dalam pesawat #46-062, yang telah dinamakan beliau sebagai Glamorous Glennis. Pesawat berenjin roket dilancarkan dari kebuk bom B-29 yang diubah suai khas dan meluncur untuk mendarat di lapangan. Penerbangan XS-1 nombor 50 merupakan yang pertama kali X-1 merekodkan penerbangan supersonik, pada Mach 1.06 (361 m/s, 1,299 km/j, 807.2 bsj) puncak kelajuan; bagaimanapun, Yeager dan ramai kaki-tangan yang lain percaya Flight #49 (juga dengan Yeager memandu), yang mencecah kemuncak kelajuan Mach 0.997 (339 m/s, 1,221 km/h), mungkin, sebenarnya, melepasi Mach 1. (Ukuran tidak tepat pada tiga nombor utama dan tiada sonic boom direkodkan bagi penerbangan itu.)
Hasil penerbangan supersonik pertama X-1 itu, Persatuan Aeronautik Kebangsaan mengundi agar Piala Collier 1948 dikongsi oleh tiga peserta utama program itu. Yang diberi penghormatan di Rumah Putih oleh Presiden Harry S. Truman adalah Larry Bell untuk Bell Aircraft, Captain Yeager kerana penerbangan supersonik itu, dan John Stack atas sumbangan NACA.
Jackie Cochran merupakan wanita pertama yang memecah batasan bunyi pada 18 Mei 1953, dalam sebuah pesawat Canadair Sabre bersama Yeager sebagai temannya.

Pelenyapan batasan bunyi

Oleh sebab sains penerbangan kelajuan tinggi semakin difahami ramai, disusulinya pula dengan beberapa perubahan yang menyebabkan lenyapnya "batasan bunyi". Antaranya ialah pengenalan sayap terentang ke belakang, aturan luas, dan enjin yang sentiasa meningkat prestasinya. Menjelang 1950-an, banyak pesawat pejuang yang boleh kerapkali memecah batasan bunyi dalam penerbangan datar, walaupun sering mengalami masalah kawalan dalam berbuat demikian, seperti Mach tuck. Pesawat moden boleh melalui "batasan" itu tanpa merasainya langsung.
Pada akhir 1950-an, isu tersebut amat difahami dengan teliti sehingga banyak syarikat yang mula melabur dalam pembangunan pesawat supersonik, atau SST, kerana percaya bahawa inilah langkah "natural" yang seterusnya dalam evolusi pesawat. Ini belum terbukti oleh sejarah lagi, tetapi sekurang-kurangnya adanya pesawat Concorde dan Tupolev Tu-144 yang mula berkhidmat sejak 1970-an.
Walaupun Concorde dan Tu-144 merupakan pesawat pertama yang mengangkut penumpang komersil pada kelajuan supersonik, namun kedua-duanya bukan pesawat pertama atau satu-satunya yang memecah batasan bunyi. Pada 21 Ogos 1961, sebuah pesawat Douglas DC-8 memecah kelajuan bunyi pada Mach 1.012 atau 1,240 km/j (776.2 bsj) dalam junaman terkawal sepanjang 41,088 kaki (12,510 m). Tujuan penerbangan ini adalah mengumpul data bagi reka bentuk pinggir depan yang baru untuk sayapnya. Sebuah pesawat China Airlines 747 nyaris memecah batasan bunyi ketika melakukan pendaratan yang tidak terancang dari ketinggian 41,000 kaki (12,500 m) hingga 9,500 kaki (2,900 m) setelah mengalami gangguan pada 19 Februari 1985.

Mengatasi batasan bunyi atas daratan

Pada 15 Oktober 1997, dalam sebuah kenderaan rekaan dan binaan pasukan yang dipimpin Richard Noble, pemandu British (dan juruterbang Tentera Udara Diraja UK) Andy Green menjadi orang pertama mengatasi batasan bunyi dalam sebuah kenderaan darat yang mematuhi peraturan-peraturan Fédération Internationale de l'Automobile (Persatuan Kenderaan Antarabangsa). Kenderaan itu, dirujuk sebagai ThrustSSC (SSC merujuk kepada Super Sonic Car atau "Kereta Supersonik"), menangkap rekod tepat 50 tahun dan satu hari selepas penerbangan Yeager.