أسطح التحكم في الطيران

أسطح التحكم في طيران الطائرة هي أجهزة ديناميكية هوائية تسمح للطيار بتعديل والتحكم في موقف طيران الطائرة .

كان تطوير مجموعة فعّالة من أسطح التحكم في الطيران تقدمًا بالغ الأهمية في تطوير الطائرات. نجحت الجهود المبكرة في تصميم الطائرات ذات الأجنحة الثابتة في توليد الرفع الكافي لرفع الطائرة عن الأرض، ولكن بمجرد ارتفاعها، أثبتت الطائرة أنها غير قابلة للسيطرة، وغالبًا ما كانت النتائج كارثية. إن تطوير أدوات التحكم في الطيران الفعّالة هو ما سمح برحلة مستقرة.

تصف هذه المقالة أسطح التحكم المستخدمة في الطائرات ذات الأجنحة الثابتة ذات التصميم التقليدي. قد تستخدم تكوينات الطائرات ذات الأجنحة الثابتة الأخرى أسطح تحكم مختلفة ولكن المبادئ الأساسية تظل كما هي. تقوم أدوات التحكم (العصا والدفة ) للطائرات ذات الأجنحة الدوارة ( المروحية أو الدوارة ) بنفس الحركات حول المحاور الثلاثة للدوران ، ولكنها تتلاعب بأدوات التحكم في الطيران الدوارة ( قرص الدوار الرئيسي وقرص الدوار الذيل ) بطريقة مختلفة تمامًا.

يتم تشغيل أسطح التحكم في الطيران بواسطة أنظمة التحكم في طيران الطائرات .

تعتبر الدفات، على وجه الخصوص، بمثابة سطح تحكم في السوائل العامة ، وهي مشتركة بين الطائرات والمركبات المائية .

يعود الفضل إلى الأخوين رايت في تطوير أول أسطح تحكم عملية. وهو جزء رئيسي من براءة اختراعهما في الطيران. ^[1] وعلى عكس أسطح التحكم الحديثة، فقد استخدما تشوه الأجنحة . ^[2] وفي محاولة للالتفاف على براءة اختراع رايت ، صنع جلين كيرتس أسطح تحكم مفصلية، وهو نفس النوع من المفهوم الذي حصل على براءة اختراع لأول مرة قبل حوالي أربعة عقود في المملكة المتحدة . تتمتع أسطح التحكم المفصلية بميزة عدم التسبب في الضغوط التي تشكل مشكلة تشوه الأجنحة، كما أنها أسهل في البناء في الهياكل.

تتمتع الطائرة بحرية الدوران حول ثلاثة محاور متعامدة على بعضها البعض وتتقاطع عند مركز ثقلها . للتحكم في الموضع والاتجاه، يجب أن يكون الطيار قادرًا على التحكم في الدوران حول كل منها.

المحور العرضي ، المعروف أيضًا بالمحور الجانبي ، ^[3] يمر عبر الطائرة من طرف الجناح إلى طرف الجناح. يُطلق على الدوران حول هذا المحور اسم الميل . يغير الميل الاتجاه الرأسي الذي يشير إليه أنف الطائرة. المصاعد هي أسطح التحكم الأساسية للميل.

يمر المحور الطولي عبر الطائرة من الأنف إلى الذيل. ويسمى الدوران حول هذا المحور بالتدحرج . ^[3] ويسمى الإزاحة الزاوية حول هذا المحور بالميل. ^[4] يغير الطيار زاوية الميل عن طريق زيادة الرفع على أحد الأجنحة وتقليله على الآخر. يتسبب هذا الرفع التفاضلي في الدوران حول المحور الطولي. تعد الجنيحات هي التحكم الأساسي في الميل. كما أن للدفة تأثير ثانوي على الميل.

يمر المحور الرأسي عبر الطائرة من أعلى إلى أسفل. ويسمى الدوران حول هذا المحور الانحراف . ^[3] يغير الانحراف الاتجاه الذي يشير إليه أنف الطائرة، إلى اليسار أو اليمين. ويتم التحكم الأساسي في الانحراف بواسطة الدفة. كما أن للجنيحات تأثير ثانوي على الانحراف.

تتحرك هذه المحاور مع الطائرة وتتغير بالنسبة للأرض أثناء تحرك الطائرة. على سبيل المثال، بالنسبة للطائرة التي يشير جناحها الأيسر إلى الأسفل مباشرة، يكون محورها "الرأسي" موازيًا للأرض، بينما يكون محورها "العرضي" عموديًا على الأرض.

تُثبَّت أسطح التحكم الرئيسية للطائرات ذات الأجنحة الثابتة على هيكل الطائرة بمفصلات أو مسارات حتى تتمكن من التحرك وبالتالي انحراف تيار الهواء الذي يمر فوقها. ويؤدي هذا التحول في اتجاه تيار الهواء إلى توليد قوة غير متوازنة لتدوير الطائرة حول المحور المرتبط بها.

يتم تثبيت الجنيحات على الحافة الخلفية لكل جناح بالقرب من أطراف الجناح وتتحرك في اتجاهين متعاكسين. عندما يحرك الطيار عنصر التحكم في الجنيح إلى اليسار، أو يدير العجلة عكس اتجاه عقارب الساعة، يرتفع الجنيح الأيسر وينخفض ​​الجنيح الأيمن. يقلل الجنيح المرتفع من الرفع على هذا الجناح ويزيده المنخفض، لذا فإن تحريك عنصر التحكم في الجنيح بهذه الطريقة يتسبب في سقوط الجناح الأيسر وارتفاع الجناح الأيمن. يتسبب هذا في انقلاب الطائرة إلى اليسار والبدء في الدوران إلى اليسار. يؤدي تركيز عنصر التحكم إلى إعادة الجنيحات إلى الوضع المحايد، مع الحفاظ على زاوية الميلان . ستستمر الطائرة في الدوران حتى تعيد حركة الجنيح المعاكسة زاوية الميلان إلى الصفر للطيران بشكل مستقيم.

المصعد هو جزء متحرك من المثبت الأفقي ، ومفصل إلى الجزء الخلفي من الجزء الثابت من الذيل الأفقي. تتحرك المصاعد لأعلى ولأسفل معًا. عندما يسحب الطيار العصا للخلف، ترتفع المصاعد. يؤدي دفع العصا للأمام إلى نزول المصاعد. تدفع المصاعد المرتفعة الذيل للأسفل وتتسبب في ارتفاع الأنف. هذا يجعل الأجنحة تطير بزاوية هجوم أعلى ، مما يولد المزيد من الرفع والمزيد من السحب . يؤدي مركز العصا إلى إعادة المصاعد إلى الوضع المحايد وإيقاف تغيير الملعب. تستخدم بعض الطائرات، مثل MD-80 ، علامة تبويب سيرفو داخل سطح المصعد لتحريك السطح الرئيسي ديناميكيًا إلى موضعه. وبالتالي سيكون اتجاه سفر علامة التبويب للتحكم في الاتجاه المعاكس لسطح التحكم الرئيسي. ولهذا السبب يبدو ذيل MD-80 وكأنه يحتوي على نظام مصعد "مقسم".

في ترتيب كانارد ، يتم تثبيت المصاعد على الجزء الخلفي من الطائرة الأمامية وتتحرك في الاتجاه المعاكس، على سبيل المثال عندما يسحب الطيار العصا للخلف تنزل المصاعد إلى الأسفل لزيادة الرفع في المقدمة ورفع الأنف لأعلى.

يتم تثبيت الدفة عادةً على الحافة الخلفية للمثبت الرأسي ، وهو جزء من الذيل . عندما يضغط الطيار على الدواسة اليسرى، تنحرف الدفة إلى اليسار. يؤدي دفع الدواسة اليمنى إلى انحراف الدفة إلى اليمين. يؤدي انحراف الدفة إلى اليمين إلى دفع الذيل إلى اليسار ويتسبب في انحراف الأنف إلى اليمين. يؤدي محاذاة دواسات الدفة إلى إعادة الدفة إلى الوضع المحايد وإيقاف الانحراف.

تتسبب الجنيحات في المقام الأول في الانقلاب. كلما زاد الرفع، تزداد أيضًا السحب المستحث ، لذلك عندما يتم تحريك التحكم في الجنيح لدحرجة الطائرة إلى اليسار، يتم خفض الجنيح الأيمن مما يزيد من الرفع على الجناح الأيمن وبالتالي يزيد من السحب المستحث على الجناح الأيمن. يتسبب استخدام الجنيحات في حدوث انحراف معاكس ، مما يعني أن أنف الطائرة ينحرف في اتجاه معاكس لتطبيق الجنيح. عند تحريك التحكم في الجنيح لإمالة الأجنحة إلى اليسار، يحرك الانحراف المعاكس أنف الطائرة إلى اليمين . يكون الانحراف المعاكس أكثر وضوحًا في الطائرات منخفضة السرعة ذات الأجنحة الطويلة، مثل الطائرات الشراعية. يتم مواجهته من خلال استخدام الطيار لدواسات الدفة. الجنيحات التفاضلية هي جنيحات تم تزويرها بحيث ينحرف الجنيح الهابط أقل من الجنيح المتحرك لأعلى، مما يتسبب في حدوث انحراف معاكس أقل.

الدفة هي سطح تحكم أساسي يتم التحكم فيه عادةً بواسطة الدواسات بدلاً من العصا. وهي الوسيلة الأساسية للتحكم في الانحراف - دوران الطائرة حول محورها الرأسي. يمكن أيضًا استدعاء الدفة لمقاومة الانحراف المعاكس الناتج عن أسطح التحكم في الانقلاب.

إذا تم تطبيق الدفة بشكل مستمر في الطيران المستوي، فإن الطائرة سوف تنحرف في البداية في اتجاه الدفة المطبقة - التأثير الأساسي للدفة. بعد بضع ثوانٍ، ستميل الطائرة إلى الميل في اتجاه الانحراف. ينشأ هذا في البداية من زيادة سرعة الجناح المعاكس لاتجاه الانحراف وانخفاض سرعة الجناح الآخر. يولد الجناح الأسرع المزيد من الرفع وبالتالي يرتفع، بينما يميل الجناح الآخر إلى الهبوط بسبب توليد رفع أقل. يؤدي الاستمرار في تطبيق الدفة إلى دعم ميل التدحرج لأن الطائرة تحلق بزاوية مع تدفق الهواء - تنزلق نحو الجناح الأمامي. عند تطبيق الدفة اليمنى في طائرة ذات سطحين ، سيكون للجناح الأيسر زاوية هجوم متزايدة وستنخفض زاوية هجوم الجناح الأيمن مما يؤدي إلى التدحرج إلى اليمين. ستظهر الطائرة ذات السطحين التأثير المعاكس. يستخدم هذا التأثير للدفة بشكل شائع في الطائرات النموذجية حيث إذا تم تضمين قدر كافٍ من السطوح الثنائية أو المتعددة السطوح في تصميم الجناح، فقد يتم حذف التحكم الأساسي في الانقلاب مثل الجنيحات تمامًا.

على عكس تحويل القارب، يجب عادةً تغيير اتجاه الطائرة باستخدام الجنيحات وليس الدفة. تعمل الدفة على تدوير الطائرة (تعرج) ولكن تأثيرها على اتجاه سفرها ضئيل. في حالة الطائرات، يحدث التغيير في الاتجاه بسبب المكون الأفقي للرفع، والذي يعمل على الأجنحة. يقوم الطيار بإمالة قوة الرفع، والتي تكون عمودية على الأجنحة، في اتجاه الدوران المقصود عن طريق تدوير الطائرة في الدوران. مع زيادة زاوية الميل، يمكن تقسيم قوة الرفع إلى مكونين: أحدهما يعمل رأسيًا والآخر يعمل أفقيًا.

إذا تم الحفاظ على الرفع الكلي ثابتًا، فإن المكون الرأسي للرفع سينخفض. وبما أن وزن الطائرة لا يتغير، فسيؤدي هذا إلى هبوط الطائرة إذا لم يتم مواجهتها. يتطلب الحفاظ على الطيران المستوي زيادة المصعد الإيجابي (العلوي) لزيادة زاوية الهجوم وزيادة الرفع الكلي الناتج والحفاظ على المكون الرأسي للرفع مساويًا لوزن الطائرة. لا يمكن أن يستمر هذا إلى ما لا نهاية. يرتبط عامل الحمل الإجمالي المطلوب للحفاظ على الطيران المستوي ارتباطًا مباشرًا بزاوية الميلان . وهذا يعني أنه بالنسبة لسرعة جوية معينة، لا يمكن الحفاظ على الطيران المستوي إلا حتى زاوية ميل معينة معينة. وبعد هذه الزاوية من الميلان، ستعاني الطائرة من توقف متسارع إذا حاول الطيار توليد ما يكفي من الرفع للحفاظ على الطيران المستوي.

تحتوي بعض تكوينات الطائرات على أدوات تحكم أساسية غير قياسية. على سبيل المثال، بدلاً من المصاعد في الجزء الخلفي من المثبتات، قد تتغير زاوية مستوى الذيل بالكامل . تحتوي بعض الطائرات على ذيل على شكل حرف V ، وتجمع الأجزاء المتحركة في الجزء الخلفي من تلك الذيلات بين وظائف المصاعد والدفة. قد تحتوي الطائرات ذات الأجنحة دلتا على " مصاعد " في الجزء الخلفي من الجناح، والتي تجمع بين وظائف المصاعد والجنيحات.

في الطائرات ذات السحب المنخفض مثل الطائرات الشراعية ، تُستخدم المفسدات لتعطيل تدفق الهواء فوق الجناح وتقليل الرفع بشكل كبير. يسمح هذا للطيار الشراعي بفقدان الارتفاع دون اكتساب سرعة جوية مفرطة. تسمى المفسدات أحيانًا "مقلبات الرفع". تسمى المفسدات التي يمكن استخدامها بشكل غير متماثل بالمفسدات ويمكن أن تؤثر على تدحرج الطائرة.

يتم تثبيت اللوحات على الحافة الخلفية في القسم الداخلي لكل جناح (بالقرب من جذور الجناح). يتم انحرافها إلى الأسفل لزيادة الانحناء الفعال للجناح. ترفع اللوحات معامل الرفع الأقصى للطائرة وبالتالي تقلل من سرعة توقفها. ^[5] يتم استخدامها أثناء الطيران بسرعة منخفضة وزاوية هجوم عالية بما في ذلك الإقلاع والهبوط للهبوط. بعض الطائرات مجهزة بـ " جناحات "، والتي تسمى عادةً "جنيحات داخلية" ^{[ بحاجة لمصدر ]} . تعمل هذه الأجهزة في المقام الأول كجنيحات، ولكن في بعض الطائرات، سوف "تتدلى" عند نشر اللوحات، وبالتالي تعمل كجناح وجنيح داخلي للتحكم في الانقلاب.

الشرائح ، والمعروفة أيضًا باسم أجهزة الحافة الأمامية ، هي امتدادات في مقدمة الجناح لزيادة الرفع، وهي تهدف إلى تقليل سرعة التوقف عن طريق تغيير تدفق الهواء فوق الجناح. قد تكون الشرائح ثابتة أو قابلة للسحب - توفر الشرائح الثابتة (مثل تلك الموجودة في Fieseler Fi 156 Storch ) سرعة بطيئة ممتازة وقدرات STOL ، ولكنها تعرض أداء السرعة العالية للخطر. توفر الشرائح القابلة للسحب، كما هو الحال في معظم الطائرات التجارية، سرعة توقف منخفضة للإقلاع والهبوط، ولكنها قابلة للسحب للتحليق.

تُستخدم المكابح الهوائية لزيادة مقاومة الهواء. قد تعمل المفسدات كمكابح هوائية، ولكنها ليست مكابح هوائية خالصة، حيث تعمل أيضًا كمكابح رفع أو في بعض الحالات كسطح للتحكم في الانقلاب. عادةً ما تكون المكابح الهوائية عبارة عن أسطح تنحرف للخارج من جسم الطائرة (في معظم الحالات بشكل متماثل على جانبين متقابلين) إلى تيار الهواء من أجل زيادة مقاومة الهواء. نظرًا لأنها تقع في معظم الحالات في مكان آخر من الطائرة، فإنها لا تؤثر بشكل مباشر على الرفع الناتج عن الجناح. الغرض منها هو إبطاء الطائرة. وهي مفيدة بشكل خاص عندما تكون هناك حاجة إلى معدل هبوط مرتفع. وهي شائعة في الطائرات العسكرية عالية الأداء وكذلك الطائرات المدنية، وخاصة تلك التي تفتقر إلى القدرة على الدفع العكسي.

تسمح أدوات التحكم في التشذيب للطيار بموازنة الرفع والسحب الناتجين عن الأجنحة وأسطح التحكم على نطاق واسع من الحمل وسرعة الهواء. وهذا يقلل من الجهد المطلوب لضبط أو الحفاظ على موقف الطيران المطلوب .

توازن تعديل المصعد قوة التحكم اللازمة للحفاظ على القوة الديناميكية الهوائية الصحيحة على الذيل لموازنة الطائرة. أثناء القيام بتمارين طيران معينة، قد تكون هناك حاجة إلى الكثير من التعديل للحفاظ على زاوية الهجوم المطلوبة. ينطبق هذا بشكل أساسي على الطيران البطيء ، حيث يلزم وضع الأنف لأعلى، مما يتطلب بدوره الكثير من التعديل مما يجعل ذيل الطائرة يمارس قوة سفلية قوية. يرتبط تعديل المصعد بسرعة تدفق الهواء فوق الذيل، وبالتالي تتطلب تغييرات السرعة الجوية للطائرة إعادة التعديل. أحد معلمات التصميم المهمة للطائرة هو استقرار الطائرة عند تعديلها للطيران المستوي. سيتم تخفيف أي اضطرابات مثل الهبات أو الاضطرابات على مدى فترة زمنية قصيرة وستعود الطائرة إلى سرعتها الجوية المقطوعة في الطيران المستوي.

باستثناء الطائرات الخفيفة جدًا، لا تستطيع علامات الضبط الموجودة على المصاعد توفير القوة ونطاق الحركة المطلوبين. لتوفير قوة الضبط المناسبة، يتم تعديل مستوى الذيل الأفقي بالكامل من حيث الميل. يتيح هذا للطيار اختيار المقدار الصحيح تمامًا من الرفع الإيجابي أو السلبي من مستوى الذيل مع تقليل السحب من المصاعد.

يُعد بوق التحكم جزءًا من سطح التحكم يبرز أمام نقطة الارتكاز. وهو يولد قوة تميل إلى زيادة انحراف السطح وبالتالي تقليل ضغط التحكم الذي يتعرض له الطيار. وقد تتضمن بوق التحكم أيضًا ثقلًا موازنًا يساعد في موازنة التحكم ومنعه من الرفرفة في تيار الهواء. تتميز بعض التصميمات بأوزان منفصلة مضادة للرفرفة.

(في الطائرات النموذجية التي يتم التحكم فيها عن بعد، فإن مصطلح "بوق التحكم" له معنى مختلف) ^{[6] [7]}

في أبسط ترتيب، يتم التشذيب بواسطة زنبرك ميكانيكي (أو حبل مرن ) يضيف قوة مناسبة لزيادة مدخلات التحكم لدى الطيار. عادة ما يتم توصيل الزنبرك برافعة تشذيب المصعد للسماح للطيار بضبط قوة الزنبرك المطبقة.

تحتوي معظم الطائرات ذات الأجنحة الثابتة على سطح تحكم في التشذيب على المصعد ، ولكن الطائرات الأكبر حجمًا تحتوي أيضًا على تحكم في التشذيب للدفة، وآخر للجنيحات. يتم تقليم الدفة لمواجهة أي دفع غير متماثل من المحركات. يتم تقليم الجنيح لمواجهة تأثيرات إزاحة مركز الثقل عن خط وسط الطائرة. يمكن أن يحدث هذا بسبب تحميل الوقود أو عنصر الحمولة بشكل أكبر على جانب واحد من الطائرة مقارنة بالجانب الآخر، مثل عندما يكون خزان الوقود يحتوي على وقود أكثر من الآخر.

• ضوابط محرك الطائرة
• أنظمة التحكم في طيران الطائرات
• ميكانيكا طيران الطائرات
• رحلة مع عناصر تحكم معطلة
• حركات السفينة
• ست درجات من الحرية
• ذيل على شكل حرف V
• تشوه الجناح

• دليل الطيار الخاص ؛ جيبيسن ساندرسون؛ ISBN 0-88487-238-6 (غلاف مقوى، 1999) 
• دليل طيران الطائرات ؛ وزارة النقل الأمريكية، إدارة الطيران الفيدرالية، FAA-8083-3A. (2004)
• كلانسي، إل جيه (1975) الديناميكا الهوائية، دار النشر بيتمان المحدودة، لندن، رقم ISBN 0-273-01120-0 

• شرح واضح لضوابط طيران الطائرات النموذجية من قبل BMFA أرشيف 2017-02-08 على موقع Wayback Machine
• شاهد كيف يطير تأليف جون س. دنكر. نظرة جديدة على تصورات الطيران وإجراءاته ومبادئه.