ソニックブームとは何ですか?それは危険ですか？

2009年、アメリカ空軍のF-22ラプターステルス戦闘機が飛行中にソニックブームを発生した。 © ロナルド・デジャーネット、米海軍/HANDOUT/REUTERS/REDUX

リヴァイアサンプレス:

「ソニック ブーム」については、多くの人が誤解しているようです。つまり、ソニック ブームは一度だけ発生すると考えられていますが、実際には、ソニック ブームは超音速飛行中ずっと着陸エリアで継続します。航空機がどこを飛行しても、騒音の衝撃波は後ろに引きずられます。そのため、超音速航空機は海上または高度 25 キロメートル以上の高層大気圏までしか飛行できません。そこはほぼ真空であり、大気の密度は地上の 5% 未満に過ぎないからです。そうでなければ、このルートは必然的に沿線住民からの騒音に対する抗議を引き起こすことになるだろう。記事で言及されているコンコルド機は運航停止中であり、騒音が要因の一つであった。

ソニックブームを排除するための鍵の一つは、胴体構造の設計です。 2018年、ロッキード・マーティンは低爆音航空機を製造した。 X-59 QueSSTと呼ばれるこの航空機は静かな超音速技術を採用しており、マッハ1.42の速度に達する。 NASAによれば、この航空機が出す騒音は車のドアを閉める音とほぼ同じだという。

空に雲がないのに雷のような音が聞こえたら、それはソニックブームである可能性が高いです。

ソニックブームは、航空機やその他の物体が音速を超えたときに発生する騒音です。それは確かに雷や爆発と同じくらいの音量で、110デシベルに達することもよくあります。 SpaceX社がロケットの試験を続けるにつれ、セントラルフロリダのスペースコースト沿いでロケットがますますよく見られるようになってきている。

では、ソニックブームは一体何によって発生するのでしょうか。また、ソニックブームの近くにいると危険なのでしょうか。これらの問題を理解するには、まず空気を液体として考える必要があります。

ソニックブームの原因は何ですか?

ソニックブームは、弾丸や鞭などの小さな物体によって発生することもありますが、火山の噴火、流星群、地震などの自然現象によっても発生することがあります。しかし、ソニックブームは航空機に最もよく関連付けられます。何故ですか？

この NASA の画像は、約 30 フィート離れた場所を超音速で飛行し、衝撃波を発生させて相互作用し、ソニックブームとして聞こえる 2 機の米国航空機を示しています。 © NASA、NAT GEO画像コレクション

何か（宇宙船など）が加速すると、湖に落とされた小石の波紋のように、あらゆる方向に放射される音波が発生します。しかし、物体が加速するにつれて、宇宙船の前面の波紋は外側に広がるのではなく、積み重なって圧縮され始めました。一方、音波は、通過するスピードボートの航跡のように、機体の側面と後方から外側に向かって広がり続けます。

宇宙船が加速し続けると、最終的には前方の音波の速度を超え、時速 1,225 km に達することになります。

この時点で、宇宙船の前方に非常に大きな圧力が蓄積され、爆発のような巨大な音波が放出されました。私たちが聞いているのはこの「突然の圧力の解放」であり、NASA によるとソニックブームと呼ばれています。

アメリカのF/A-18「ホーネット」戦闘機がソニックブームを起こす瞬間。 © Techshots ニュースレター/Substack

ソニックブームの着陸ゾーンとは何ですか?

宇宙船が音速を超え続けると、圧縮された空気分子の円錐形の領域が形成されます。つまり、ソニックブームは宇宙船が移動すると実際に移動して、その音波の一部が地上に向けられ、私たちがそれを聞くことができるのです。これは「ソニックブーム接地ゾーン」と呼ばれます。

興味深いことに、ソニックブームの領域の大きさは物体の高度に比例し、高度が 304.8 メートル上昇するごとに着陸範囲は約 1.6 キロメートル増加します。たとえば、NASA は、高度 15.24 キロメートルを飛行する飛行機が、直径 80.5 キロメートルのソニック ブーム着陸ゾーンを生成すると計算しました。航空機の飛行経路の真下にいる人は最も大きなソニックブームを聞くことになるが、着陸地点の端にいる人はより静かな音を聞くことになる。

© テノール

同時に、航空機の動きやその地域の地理的条件も、航空機が発する音波の強度に影響を与えます。たとえば、急加速、S 字カーブ、丘や谷などはすべてソニックブームの影響を増幅させる可能性があります。

ソニックブームは危険ですか？

ソニックブームの強さは、平方フィートあたりの重量ポンド (psf) で測定され、その値は、ソニックブームを発生させる物体のサイズと速度に応じて増加します。

幸いなことに、ソニックブームがよく聞かれるほとんどすべてのケースでは、発生する音や過圧（1～2ポンド程度）は身体的な傷害を引き起こすには小さすぎる。[1]

『トップガン マーヴェリック』（2022年）のスチール写真。 © ザ・ミラー

NASA によれば、過圧が 2 ～ 5 ポンドに達すると、建物に何らかの損傷が発生する可能性があります。これは、大型航空機や非常に低い高度を飛行する航空機で発生する可能性が最も高くなります。しかし、NASAはほとんどの建物が1平方フィートあたり最大11ポンドの過圧に耐えることができ、損傷はないと推定しています。[2]

これらの基準によれば、人間の鼓膜は安全です。鼓膜に損傷を与えるには、スペースシャトルの着陸時に発生する圧力の 600 倍以上の超過圧力が必要になります。

ソニックブームの歴史

宇宙および航空宇宙産業では、特定の業務においてソニックブームの影響を慎重に考慮する必要があります。

ソニックブームを発生できる最初の航空機はベル X-1 ロケット機であり、1947 年にテストパイロットのチャールズ "チャック" イェーガーが操縦して初めて音速の壁を突破しました。この瞬間は、トム・ウルフの同名の本と映画『ライトスタッフ』によって文学と映画の中で不滅のものとなった。

ベルX-1ロケット機。 © ウィキペディア

この成果の後の数年間、航空機メーカーは超音速飛行の新時代を先導することを望み、1976年までにコンコルドと呼ばれる英仏共同ジェット旅客機が大西洋を横断する定期商業飛行を開始した。コンコルドは音速の壁を破るスピードで、通常8時間かかる旅程を、米国東海岸からヨーロッパまでわずか3時間半で乗客を運ぶことができた。

コンコルドは1969年に初飛行し、1976年に運航を開始し、主にロンドン・ヒースロー空港（ブリティッシュ・エアウェイズ）とパリ・シャルル・ド・ゴール空港（エールフランス）からニューヨークのジョン・F・ケネディ国際空港までの大西洋横断定期路線で使用されました。この機体は高度1万8000メートルで音速の2.02倍の速度で巡航することができ、パリからニューヨークまで約3時間20分で飛行できる。 © Steam コミュニティ

しかし、コンコルドの飛行によって発生するソニックブームはそのルート下の住民にとってあまりにも不快であったため、2003年に飛行サービスは終了しました。米国では、軍や宇宙機関などの特定の状況では例外があるものの、連邦航空局は1973年以来、陸上での超音速飛行を禁止している。

参考文献:

[1]www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/120274main_FS-016-DFRC.pdf

[2]www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-016-DFRC.html

ジェイソン・ビッテル

翻訳者：tim

校正/ウサギの軽い足音

オリジナル記事/www.nationalgeographic.com/science/article/sonic-boom-cause-shock-wave-physics

この記事はクリエイティブ・コモンズ・ライセンス（BY-NC）に基づいており、timによってLeviathanに掲載されています。

この記事は著者の見解を反映したものであり、必ずしもリヴァイアサンの立場を代表するものではありません。