KITA mendengar pelbagai jenis bunyi daripada banyak sumber setiap hari. Malah, kita bercakap dan berkomunikasi antara satu sama lain juga melalui bunyi. Namun kita mungkin kurang ambil sedar bahawa bunyi merupakan gelombang yang bergerak melalui medium tertentu seperti udara, air atau pepejal.
Apabila bunyi ‘bergerak’, ia mempunyai laju tertentu bergantung dengan medium pengantara. Secara umumnya, bunyi bergerak paling cepat dalam pepejal, diikuti oleh cecair dan paling perlahan dalam udara atau gas. Hal ini kerana zarah dalam pepejal lebih rapat dan membolehkan gelombang bunyi bergerak lebih pantas dari satu zarah ke zarah yang lain.
Tetapi dalam bidang penerbangan, medium bagi bunyi bergerak pastinya udara. Perkara ini adalah jelas kerana udara merupakan elemen utama yang mengelilingi pesawat dan menjadi medium gelombang bunyi merambat semasa pesawat terbang melalui atmosfera.
Sebelum 1940-an, para saintis dan jurutera penerbangan percaya bahawa tidak mungkin ada objek yang boleh bergerak lebih laju daripada bunyi kerana menganggap kelajuan bunyi adalah had fizikal yang tidak dapat ditembusi.
Hal ini berpunca daripada fenomena gelombang kejutan yang terbentuk ketika objek menghampiri kelajuan bunyi, satu keadaan menyebabkan gangguan aerodinamik yang kerap mengakibatkan kemalangan yang sukar dijelaskan pada waktu tersebut.
Bunyi bergerak kira-kira 340 meter sesaat (m/s) atau lebih kurang 1,225 kilometer sejam (km/j) pada paras laut dan pada suhu 15 celcius (°C). Kelajuan ini boleh berubah-ubah kerana dipengaruhi oleh beberapa perkara. Pengaruh utama dalam mengubah kelajuan bunyi ialah suhu, iaitu semakin tinggi suhu, semakin laju bunyi bergerak.
Selain itu, ketumpatan udara, tekanan dan jenis gas juga memainkan peranan. Misalnya, bunyi bergerak lebih laju dalam hidrogen berbanding udara biasa. Di tempat altitud tinggi, udara menjadi lebih sejuk dan ringan, disebabkan ini kelakuan bunyi pun jadi lebih perlahan.
Berbanding dengan kelajuan bunyi, laju pesawat terbang pertama dibina hanya sekitar 65 km/j. Apabila pemahaman dan keupayaan membina struktur dan enjin pesawat berkembang, laju pesawat semakin meningkat hingga semasa Perang Dunia Kedua, contohnya pesawat tempur Supermarine Spitfire mampu mencapai kelajuan maksimum sekitar 580 km/j.
Namun, pada 1947, seorang juruterbang Amerika Syarikat bernama Chuck Yeager berjaya menerbangkan pesawat Bell X-1 dan meluncur lebih laju daripada bunyi. Kelajuan yang dicatat pada waktu itu dianggarkan sekitar 1,299 km/j pada altitud tinggi bersamaan Mach 1.06 yang dilakukan di kawasan gurun Mojave, California.
Nombor Mach digunakan untuk mengukur kelajuan penerbangan relatif kepada kelajuan bunyi adalah bersempena nama saintis Austria, Ernst Mach. Nombor ini menetapkan tahap kelajuan kepada beberapa jenis iaitu subsonik iaitu kelajuan yang lebih perlahan daripada bunyi dengan Mach kurang 1, manakala jika kelajuan yang hampir sama dengan bunyi dipanggil sebagai transonik bersamaan dengan Mach 1.
Sekiranya kelajuan lebih laju daripada bunyi pula disebut sebagai supersonik dan hipersonik apabila kelajuan mencapai Mach 5 ke atas.
Namun apa yang menariknya, walaupun kelajuan pesawat sama tetapi jika bergerak pada altitud yang berbeza, nombor Mach adalah tidak sama.
Hal ini kerana laju bunyi di permukaan bumi lebih tinggi berbanding laju bunyi pada ketinggian 15,000 meter menjadikan nombor Mach di altitud lebih tinggi adalah lebih besar.
Pada peringkat awal percubaan untuk menembusi kelajuan bunyi, banyak pesawat mengalami kegagalan yang serius disebabkan oleh pelbagai isu teknikal. Antara masalah utama ialah ketidakstabilan aerodinamik.
Apabila gelombang kejutan terbentuk di sekitar pesawat, ia menghasilkan tekanan yang tidak sekata pada permukaan sayap dan badan.
Keadaan ini menyebabkan pesawat menjadi sukar dikawal, selain getaran kuat yang menggugat kestabilan penerbangan dan boleh melemahkan struktur keseluruhan pesawat.
Selain itu, bahan binaan utama seperti aluminium biasa tidak cukup kuat untuk menahan tekanan tinggi yang timbul ketika menghampiri kelajuan bunyi.
Sistem kawalan juga belum cukup canggih dan tidak direka bentuk untuk berfungsi dalam keadaan aliran udara yang tidak menentu seperti berlaku berhampiran kelajuan Mach 1.
Tambahan lagi, kefahaman tentang tingkah laku udara dalam zon transonik masih terbatas dalam kalangan jurutera.
Contoh ketara kesan masalah ini boleh dilihat pada pesawat tempur seperti P-38 Lightning yang sukar dikawal apabila menurun secara mendadak pada kelajuan tinggi.
Bertitik tolak daripada pengalaman kegagalan yang berlaku, jurutera dan pakar aerodinamik mula merombak semula reka bentuk pesawat secara menyeluruh bagi membolehkan ia melepasi kelajuan Mach 1.
Reka bentuk baharu menumpukan kepada bentuk badan yang lebih aerodinamik dengan hujung tajam dan sayap jenis delta bagi mengurangkan rintangan udara ketika terbang laju.
Bahagian masuk udara ke enjin juga direka khas supaya dapat memperlahankan aliran udara sebelum memasuki enjin, sekali gus mengelakkan kerosakan dalaman.
Pada masa sama, bahan binaan pesawat ditukar kepada bahan yang lebih kukuh dan tahan haba seperti titanium dan komposit moden untuk menampung tekanan dan suhu yang tinggi.
Jurutera turut menambah baik sistem kawalan penerbangan kepada versi automatik dan lebih sensitif, bagi membantu juruterbang mengawal pesawat dalam situasi kelajuan tinggi yang mencabar.
Tidak cukup dengan itu, pembangunan enjin juga diberi perhatian khusus. Enjin biasa yang digunakan dalam pesawat komersial tidak mampu menampung keperluan supersonik, maka enjin khas seperti turbojet dan turbojet dengan ‘afterburner’ dibangunkan untuk meningkatkan daya tujahan.
Bagi kelajuan yang lebih tinggi lagi, enjin seperti ramjet dan scramjet digunakan. Bentuk enjin ini berbeza daripada enjin turbojet kerana ia lebih ringkas bagi memanfaatkan kelajuan pesawat itu sendiri untuk memampat dan membakar udara masuk.
Namun, kelajuan tinggi ini ada risiko tertentu. Apabila pesawat melepasi kelajuan bunyi, ia menghasilkan satu letupan bunyi yang kuat dipanggil “sonic boom”.
Keadaan ini boleh mengganggu orang ramai jika berlaku di kawasan berpenduduk.
Selain itu, geseran udara menyebabkan permukaan pesawat menjadi sangat panas. Sebagai contoh, pesawat Concorde memanjang sekitar 15 hingga 30 sentimeter semasa terbang kerana kepanasan.
Tekanan udara yang berubah secara tiba-tiba juga boleh menyebabkan pesawat menjadi tidak stabil.
Oleh itu, sistem kawalan automatik sangat penting untuk menjaga kestabilan. Tambahan lagi, enjin pesawat laju ini menggunakan bahan api yang banyak menjadikannya mahal untuk dikendalikan.
Juruterbang yang mengendalikan pesawat dalam kelajuan supersonik turut berhadapan dengan pelbagai risiko kesihatan dan keselamatan. Antara cabaran utama ialah beban graviti tinggi (G-force) yang boleh memberi tekanan kepada tubuh. Situasi ini boleh menyebabkan kehilangan kesedaran jika tidak dikendalikan dengan betul.
Di samping itu, juruterbang perlu menyesuaikan diri dengan perubahan tekanan kabin yang cepat serta suhu yang boleh berubah secara drastik.
Keadaan ini memerlukan latihan khas, pakaian penerbangan berteknologi tinggi dan pemantauan kesihatan secara berterusan untuk memastikan mereka kekal cergas dan selamat semasa mengendalikan pesawat dalam kelajuan ekstrem.
Walaupun pesawat berkelajuan tinggi ini hanya banyak digunakan dalam ketenteraan, namun hasil penemuan sains dan penyelidikan daripada masalah-masalah yang berkaitan kelajuan tinggi, banyak teknologi baharu contohnya dalam bahan komposit, kejuruteraan haba dan sistem kawalan pintar dapat turut digunakan dalam pelbagai aplikasi industri lain.
Perlumbaan dengan bunyi ini menjadi bukti keupayaan sains dan teknologi dapat mengatasi perkara yang dianggap mustahil apabila ada keazaman dan kesungguhan untuk memenanginya.
- Penulis memiliki Sarjana Muda Kejuruteraan (Mekanikal-Aeronautik) dari Universiti Teknologi Malaysia (UTM) dan pernah berkhidmat di Hornbill Skyways Sdn Bhd.