المرونة الهوائية

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة
ناسا تختبر نموذجًا مصغرًا لطائرة لوكهيد إلكترا في نفق هوائي لقياس الارتعاش

علم المرونة الهوائية هو فرع من فروع الفيزياء والهندسة يدرس التفاعلات بين قوى القصور الذاتي والمرونة والديناميكا الهوائية التي تحدث عندما يتعرض جسم مرن لتدفق سائل . ويمكن تصنيف دراسة المرونة الهوائية بشكل عام إلى مجالين: المرونة الهوائية الساكنة التي تتناول استجابة الجسم المرن لتدفق سائل في حالة السكون أو الاستقرار ، والمرونة الهوائية الديناميكية التي تتناول استجابة الجسم الديناميكية (عادةً الاهتزازية ).

تتعرض الطائرات لتأثيرات المرونة الهوائية لأنها يجب أن تكون خفيفة الوزن مع تحملها لأحمال ديناميكية هوائية كبيرة. وقد صُممت الطائرات لتجنب مشاكل المرونة الهوائية التالية:

  1. التباعد حيث تزيد القوى الديناميكية الهوائية من التواء الجناح مما يزيد من القوى بشكل أكبر؛
  2. انعكاس التحكم حيث يؤدي تنشيط التحكم إلى عزم ديناميكي هوائي معاكس يقلل من فعالية التحكم، أو يعكسها في الحالات القصوى؛ و
  3. الرفرفة، وهي اهتزاز غير محصور يمكن أن يؤدي إلى تدمير الطائرة.

يمكن تجنب مشاكل المرونة الهوائية عن طريق ضبط كتلة الهياكل وصلابتها وديناميكيتها الهوائية، وهو ما يمكن تحديده والتحقق منه باستخدام الحسابات واختبارات الاهتزاز الأرضي وتجارب رفرفة الطيران . وعادةً ما يتم التخلص من رفرفة أسطح التحكم من خلال وضع موازنات الكتلة بعناية .

يُعرف تركيب المرونة الهوائية مع الديناميكا الحرارية باسم المرونة الحرارية الهوائية ، ويُعرف تركيبها مع نظرية التحكم باسم المرونة المؤازرة الهوائية .

تاريخ

عُزيت العطل الثاني لطائرة صموئيل لانغلي النموذجية على نهر بوتوماك إلى تأثيرات المرونة الهوائية (وتحديدًا، التباعد الالتوائي ). [ 1 ] ومن أوائل الأعمال العلمية في هذا المجال كتاب جورج برايان " نظرية استقرار الطائرة الصلبة" الذي نُشر عام 1906. [ 2 ] عانت الطائرات من مشاكل التباعد الالتوائي خلال الحرب العالمية الأولى، وحُلّت إلى حد كبير بالتجربة والخطأ والتدعيم المؤقت للجناح. أول حالة موثقة ومسجلة للرفرفة في طائرة كانت تلك التي حدثت لقاذفة هاندلي بيج O/400 أثناء رحلة جوية عام 1916، عندما تعرضت لتذبذب عنيف في الذيل، مما تسبب في تشوه شديد في الجزء الخلفي من جسم الطائرة وتحرك المصاعد بشكل غير متماثل. على الرغم من هبوط الطائرة بسلام، فقد استُشير إف دبليو لانشستر في التحقيق اللاحق . وكانت إحدى توصياته هي ربط المصاعد اليسرى واليمنى بشكل صلب بواسطة عمود صلب، وهو ما أصبح فيما بعد شرطًا أساسيًا في التصميم. بالإضافة إلى ذلك، طُلب من المختبر الفيزيائي الوطني (NPL) التحقيق في الظاهرة نظريًا، وهو ما قام به لاحقًا ليونارد بيرستو وآرثر فاج . [ 2 ]

في عام 1926، نشر هانز رايسنر نظرية تباعد الأجنحة، مما أدى إلى مزيد من الأبحاث النظرية حول هذا الموضوع. [ 1 ] وقد صاغ مصطلح المرونة الهوائية هارولد روكسبي كوكس وألفريد بوغسلي في المؤسسة الملكية للطائرات (RAE) في فارنبورو في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين. [ 2 ]

في إطار تطوير هندسة الطيران في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) ، بدأ ثيودور فون كارمان دورة بعنوان "المرونة التطبيقية في هندسة الطيران". [ 3 ] بعد تدريس الدورة لفصل دراسي واحد، سلمها كارمان إلى إرنست إدوين سيشلر ، الذي طور مفهوم المرونة الهوائية في تلك الدورة وفي نشر كتب دراسية حول هذا الموضوع. [ 4 ] [ 5 ]

في عام 1947، عرّف آرثر رودريك كولار علم المرونة الهوائية بأنه "دراسة التفاعل المتبادل الذي يحدث داخل مثلث القوى القصور الذاتي والمرنة والديناميكية الهوائية المؤثرة على العناصر الهيكلية المعرضة لتيار الهواء، وتأثير هذه الدراسة على التصميم". [ 6 ]

المرونة الهوائية الساكنة

في الطائرة، قد تحدث ظاهرتان هامّتان في مجال الديناميكا الهوائية المرنة الساكنة. الأولى هي ظاهرة التباعد ، حيث يصبح الالتواء المرن للجناح فجأةً لانهائيًا نظريًا، مما يؤدي عادةً إلى انهيار الجناح. أما الثانية فهي ظاهرة انعكاس التحكم ، وتحدث فقط في الأجنحة المزودة بجنيحات أو أسطح تحكم أخرى، حيث تعكس هذه الأسطح وظائفها المعتادة (على سبيل المثال، ينعكس اتجاه الدوران المرتبط بعزم معين للجنيح).

التباين

يحدث التباعد عندما ينحرف سطح الرفع تحت تأثير الحمل الديناميكي الهوائي في اتجاه يزيد من قوة الرفع في حلقة تغذية راجعة موجبة. يؤدي ازدياد قوة الرفع إلى زيادة انحراف الهيكل، مما يؤدي في النهاية إلى وصوله إلى نقطة التباعد. على عكس الرفرفة، وهي مشكلة أخرى في المرونة الهوائية، فإن التباعد، بدلاً من التذبذبات غير المنتظمة، يتسبب في تحرك سطح الرفع في نفس الاتجاه، وعندما يصل إلى نقطة التباعد، يتشوه الهيكل.

عكس التحكم

انعكاس سطح التحكم هو فقدان (أو انعكاس) الاستجابة المتوقعة لسطح التحكم، نتيجةً لتشوه سطح الرفع الرئيسي. بالنسبة للنماذج البسيطة (مثل الجنيح المفرد على عارضة أويلر-بيرنولي)، يمكن اشتقاق سرعات انعكاس التحكم تحليليًا كما هو الحال بالنسبة للتباعد الالتوائي. يمكن استخدام انعكاس التحكم لتحقيق ميزة ديناميكية هوائية، وهو جزء من تصميم دوار كامان ذي الرفرف المؤازر . [ 7 ]

المرونة الهوائية الديناميكية

يدرس علم المرونة الهوائية الديناميكية التفاعلات بين القوى الديناميكية الهوائية والمرنة والقصورية. ومن أمثلة ظواهر المرونة الهوائية الديناميكية ما يلي:

رفرفة

الرفرفة هي عدم استقرار ديناميكي لهيكل مرن في تدفق سائل، ناتج عن التغذية الراجعة الإيجابية بين انحراف الجسم والقوة التي يبذلها تدفق السائل. في نظام خطي ، تُعرف "نقطة الرفرفة" بأنها النقطة التي يخضع عندها الهيكل لحركة توافقية بسيطة - أي تخميد صافٍ صفري - وبالتالي فإن أي انخفاض إضافي في التخميد الصافي سيؤدي إلى تذبذب ذاتي وانهيار في نهاية المطاف. يمكن فهم "التخميد الصافي" على أنه مجموع التخميد الموجب الطبيعي للهيكل والتخميد السالب للقوة الديناميكية الهوائية. يمكن تصنيف الرفرفة إلى نوعين: الرفرفة الصلبة ، حيث ينخفض ​​التخميد الصافي فجأةً، بالقرب من نقطة الرفرفة؛ والرفرفة اللينة ، حيث ينخفض ​​التخميد الصافي تدريجيًا. [ 8 ]

في الماء، تكون نسبة كتلة قصور الدوران للرقاقة إلى كتلة أسطوانة السائل المحيطة بها منخفضة جدًا بشكل عام بحيث لا يحدث رفرفة ثنائية، كما يتضح من الحل الصريح لأبسط محدد لاستقرار رفرفة الدوران والارتفاع. [ 9 ]

فيديو يوثق تدمير جسر تاكوما ناروز بفعل الارتعاش الهوائي المرن

تُصمَّم المنشآت المعرضة لقوى الديناميكا الهوائية، بما في ذلك الأجنحة والقطاعات الهوائية، وكذلك المداخن والجسور، بعناية ضمن معايير محددة لتجنب الارتعاش. ويمكن للأشكال غير الحادة، كالمداخن، أن تُولِّد تيارًا مستمرًا من الدوامات يُعرف باسم " شارع دوامات كارمان" ، والذي قد يُسبب تذبذبات هيكلية. وعادةً ما تُلفّ شرائح حول المداخن لمنع تكوّن هذه الدوامات.

في الهياكل المعقدة التي لا تُفهم فيها الخصائص الديناميكية الهوائية والميكانيكية للهيكل فهمًا كاملًا، لا يمكن استبعاد ظاهرة الرفرفة إلا من خلال اختبارات دقيقة. حتى تغيير توزيع كتلة الطائرة أو صلابة أحد مكوناتها قد يُحدث رفرفة في مكون ديناميكي هوائي يبدو غير ذي صلة. في أبسط صورها، قد تظهر هذه الرفرفة على شكل "طنين" في هيكل الطائرة، ولكن في أشد حالاتها، قد تتطور بشكل خارج عن السيطرة وبسرعة كبيرة، مُسببةً أضرارًا جسيمة للطائرة أو مُؤديةً إلى تدميرها، [ 10 ] كما حدث في رحلة الخطوط الجوية الشمالية الغربية رقم 2 عام 1938، ورحلة برانيف رقم 542 عام 1959، أو النماذج الأولية لطائرة ميرسكي المقاتلة الفنلندية في أوائل الأربعينيات. ومن أشهر الأمثلة على ذلك، تدمير جسر تاكوما ناروز الأصلي نتيجةً للرفرفة المرنة الهوائية. [ 11 ]

المرونة الهوائية

في بعض الحالات، ثبت أن أنظمة التحكم الآلي تساعد في منع أو الحد من الاهتزازات الهيكلية المرتبطة بالرفرفة. [ 12 ]

رفرفة دوامة المروحة

يُعدّ الارتعاش الدوّامي للمروحة حالةً خاصةً من الارتعاش، إذ يتأثر بالعوامل الديناميكية الهوائية والقصورية للمروحة الدوّارة وصلابة هيكل المحرك الداعم. وقد يحدث عدم استقرار ديناميكي يشمل درجات حرية الميل والانعراج للمروحة ودعامات المحرك، مما يؤدي إلى ترنّح غير مستقر للمروحة. [ 13 ] وقد أدّى عطل في دعامات المحرك إلى حدوث الارتعاش الدوّامي في طائرتين من طراز لوكهيد إل-188 إلكترا، الأولى عام 1959 على متن رحلة برانيف رقم 542، والثانية عام 1960 على متن رحلة نورث ويست أورينت إيرلاينز رقم 710. [ 14 ]

المرونة الهوائية فوق الصوتية

يكون التدفق غير خطي للغاية في نطاق السرعات فوق الصوتية ، حيث تهيمن عليه الموجات الصدمية المتحركة. ويُعدّ تجنب الارتعاش أمرًا بالغ الأهمية لنجاح مهمة الطائرات التي تحلق عبر نطاقات سرعة ماخ فوق الصوتية. وقد قام هولت آشلي بتحليل دور الموجات الصدمية لأول مرة . [ 15 ] وفي مايو 1976، أبلغ فارمر وهانسون من مركز لانغلي للأبحاث عن ظاهرة تؤثر على استقرار الطائرات تُعرف باسم "انخفاض السرعة فوق الصوتية"، حيث يمكن أن تقترب سرعة الارتعاش من سرعة الطيران . [ 16 ]

اهتزاز

اهتزاز الزعنفة الناتج عن انهيار الدوامة على جناح طائرة ناسا هارڤ إف/إيه-18

الارتجاج هو عدم استقرار عالي التردد، ينتج عن انفصال تدفق الهواء أو تذبذبات الموجات الصدمية الناتجة عن اصطدام جسم بآخر. ويحدث بسبب زيادة مفاجئة في الحمل. وهو عبارة عن اهتزاز قسري عشوائي. وعادةً ما يؤثر على وحدة الذيل في هيكل الطائرة نتيجة لتدفق الهواء خلف الجناح.

طرق الكشف عن البوفيه هي:

  1. مخطط معامل الضغط [ 17 ]
  2. تباعد الضغط عند الحافة الخلفية
  3. حساب المسافة الفاصلة عن الحافة الخلفية بناءً على رقم ماخ
  4. تباعد متذبذب للقوة العمودية

التنبؤ والعلاج

موازين الكتلة البارزة من الجنيح المستخدم لكبح الرفرفة

في الفترة ما بين عامي 1950 و1970، قام مركز أبحاث الطيران والطيران (AGARD) بتطوير دليل المرونة الهوائية الذي يشرح بالتفصيل العمليات المستخدمة في حل مسائل المرونة الهوائية والتحقق منها، بالإضافة إلى أمثلة قياسية يمكن استخدامها لاختبار الحلول العددية. [ 18 ]

لا يقتصر علم المرونة الهوائية على دراسة الأحمال الديناميكية الهوائية الخارجية وكيفية تغيرها فحسب، بل يشمل أيضًا الخصائص الهيكلية والتخميدية والكتلية للطائرة. تتضمن عملية التنبؤ وضع نموذج رياضي للطائرة كسلسلة من الكتل المتصلة بنوابض ومخمدات، يتم ضبطها لتمثيل الخصائص الديناميكية لهيكل الطائرة. كما يتضمن النموذج تفاصيل القوى الديناميكية الهوائية المطبقة وكيفية تغيرها.

يمكن استخدام النموذج للتنبؤ بهامش الرفرفة، وإذا لزم الأمر، لاختبار حلول للمشاكل المحتملة. ويمكن أن تكون التغييرات الصغيرة المختارة بعناية في توزيع الكتلة وصلابة الهيكل المحلية فعالة للغاية في حل مشاكل المرونة الهوائية.

تشمل طرق التنبؤ بالرفرفة في الهياكل الخطية طريقة p وطريقة k وطريقة pk . [ 7 ]

بالنسبة للأنظمة غير الخطية ، يُفسر الارتعاش عادةً على أنه تذبذب دوري محدود (LCO)، ويمكن استخدام طرق من دراسة الأنظمة الديناميكية لتحديد السرعة التي سيحدث عندها الارتعاش. [ 19 ]

وسائط

توضح هذه الفيديوهات بالتفصيل برنامج أبحاث الطيران ذو المرحلتين التابع لناسا والقوات الجوية والذي يهدف إلى دراسة إمكانات الأجنحة المرنة ذات الالتواء الديناميكي الهوائي لتحسين القدرة على المناورة للطائرات عالية الأداء عند السرعات فوق الصوتية والسرعات العابرة للصوت ، مع استخدام أسطح التحكم التقليدية مثل الجنيحات والقلابات الأمامية لإحداث الالتواء.

حالات فشل ملحوظة في المرونة الهوائية

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 بيسبلينجهوف، آر إل؛ آشلي، إتش؛ هافمان، إتش (1996). المرونة الهوائية . دوفر ساينس. ISBN 0-486-69189-6.
  2. 1 2 3 "بودكاست جمعية الطيران" .
  3. ^ ثيودور فون كارمان (1967) الريح وما بعدها ، الصفحة 155.
  4. ↑ إرنست إدوين سيشلر و إل جي دان (1942) تحليل وتصميم هيكل الطائرة من أرشيف الإنترنت .
  5. ↑ سيشلر، إي إي (1952). المرونة في الهندسة . نيويورك: ماكجرو هيل. OCLC 2295857 . 
  6. ↑ كولار، أ. ر. (1978). "الخمسون عامًا الأولى من المرونة الهوائية". الفضاء الجوي . 2. 5 : 12-20 .
  7. 1 2 3 هودجز، د. هـ. وبيرس، أ.، مقدمة في ديناميكيات الهياكل والمرونة الهوائية ، كامبريدج، 2002، ISBN 978-0-521-80698-5.
  8. ↑ جي. ديميترياديس، جامعة لييج، المرونة الهوائية: المحاضرة 6: اختبار الطيران .
  9. ↑ "الرفرفة الثنائية كطاحونة هوائية متذبذبة - القياس والتحليل الخطي" . هندسة الرياح . 37. 2013.{{cite journal}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  10. ↑ عرض مرئي لظاهرة الارتعاش التي تدمر طائرة تحكم عن بعد على موقع يوتيوب .
  11. 1 2 تمت مناقشة مدى كفاية المقارنة بين الرفرفة في ديناميكا الهواء للطائرات وحالة جسر تاكوما ناروز والطعن فيها في يوسف ك. بالله، روبرت هـ. سكانيان، "الرنين، وفشل جسر تاكوما، وكتب الفيزياء الجامعية" ؛ المجلة الأمريكية للفيزياء 59 (2)، 118-124، فبراير 1991.
  12. ↑ "التحكم في الاستجابة المرنة الهوائية: ترويض التهديدات" (PDF) .
  13. ↑ ريد، ويلمر هـ. (يوليو 1967). "مراجعة لظاهرة الرفرفة الدوامية للمروحة الدوارة" (ملف PDF) . ناسا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 نوفمبر 2019 .
  14. ↑ "الدروس المستفادة من حوادث الطيران المدني" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-12-2019 .
  15. ↑ آشلي، هولت (1980). "دور الصدمات في ظاهرة الرفرفة 'دون سرعة الصوت'". مجلة الطائرات . 17 (3): 187-197 . doi : 10.2514/3.57891 .
  16. ↑ فارمر، إم جي؛ هانسون، بي دبليو (1976). "مقارنة خصائص رفرفة الجناح فوق الحرجة والتقليدية". ناسا Tm X-72837 . doi : 10.2514/6.1976-1560 . hdl : 2060/19760015071 . S2CID 120598336 . 
  17. ↑ غولستاني، أ.؛ وآخرون (2015). "دراسة تجريبية للكشف عن الارتجاج على الأجنحة فوق الحرجة في النظام فوق الصوتي". وقائع مؤسسة المهندسين الميكانيكيين، الجزء G: مجلة هندسة الطيران والفضاء . 229 (2): 312-322 . doi : 10.1177/0954410014531743 . S2CID 110673867 .  
  18. ↑ "دليل المرونة الهوائية - فهرس الموضوعات والمؤلفين" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 14 ديسمبر 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 ديسمبر 2019 .
  19. ↑ تانغ، د.م. (2004). "تأثيرات اللاخطية الهيكلية الهندسية على الرفرفة وتذبذبات الدورة الحدية للأجنحة ذات النسبة العالية بين الطول والعرض". المواد والهياكل الذكية . 19 (3): 291-306 . Bibcode : 2004JFS....19..291T . doi : 10.1016/j.jfluidstructs.2003.10.007 .
  20. ↑ كيبرت، جيه إل (1993). التحقيق في حوادث الطائرات في مختبر أبحاث الطيران - الخمسون عامًا الأولى (ملف PDF) (تقرير). منظمة العلوم والتكنولوجيا الدفاعية . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 27 سبتمبر 2019.

للمزيد من القراءة

  • بيسبلينجهوف، آر إل ، آشلي، إتش، وهافمان، إتش، المرونة الهوائية . دوفر ساينس، 1996، رقم ISBN 0-486-69189-6، 880 صفحة.
  • موريس بيوت ول. أرنولد (1948) "الرفرفة عند السرعات المنخفضة وتفسيرها الفيزيائي"، مجلة العلوم الجوية 15: 232-236
  • داول، إي إتش، دورة حديثة في المرونة الهوائية . رقم ISBN 90-286-0057-4.
  • فونغ، واي سي، مقدمة في نظرية المرونة الهوائية . دوفر، 1994، رقم ISBN 978-0-486-67871-9.
  • هودجز، د.هـ. وبيرس، أ.، مقدمة في ديناميكيات الهياكل والمرونة الهوائية ، كامبريدج، 2002، رقم ISBN 978-0-521-80698-5.
  • رايت، جيه آر وكوبر، جيه إي، مقدمة في مرونة الهواء وأحمال الطائرات ، وايلي 2007، رقم ISBN 978-0-470-85840-0.
  • هوك، م. إ.، "التحكم النشط في الارتعاش"، دار لامبرت للنشر الأكاديمي ، ألمانيا، 2010، رقم ISBN 978-3-8383-6851-1.
  • كولار، أ.ر، "الخمسون عامًا الأولى من المرونة الهوائية"، الفضاء الجوي، المجلد 5، العدد 2، الصفحات  12-20، 1978.
  • غاريك، آي إي وريد دبليو إتش، "التطور التاريخي لرفرفة الطائرات"، مجلة الطائرات، المجلد 18، الصفحات  897-912، نوفمبر 1981.
  • باتريك ر. فيليت (23 أغسطس 2018). "معضلة السرعة المنخفضة: استمرار ضعف التدريب على الارتفاعات العالية والسرعات فوق الصوتية" . مجلة الطيران التجاري ورجال الأعمال . شبكة أسبوع الطيران.