المرونة الهوائية

المرونة الهوائية هي فرع من الفيزياء والهندسة يدرس التفاعلات بين القوى القصورية والمرنة والديناميكية الهوائية التي تحدث أثناء تعرض الجسم المرن لتدفق السوائل . يمكن تصنيف دراسة المرونة الهوائية على نطاق واسع إلى مجالين: المرونة الهوائية الساكنة التي تتعامل مع الاستجابة الساكنة أو المستقرة للجسم المرن لتدفق السوائل، والمرونة الهوائية الديناميكية التي تتعامل مع استجابة الجسم الديناميكية (عادةً الاهتزازية ).

تتعرض الطائرات لتأثيرات المرونة الهوائية لأنها تحتاج إلى أن تكون خفيفة الوزن مع تحمل الأحمال الديناميكية الهوائية الكبيرة. تم تصميم الطائرات لتجنب مشاكل المرونة الهوائية التالية:

1. التباعد حيث تعمل القوى الديناميكية الهوائية على زيادة التواء الجناح مما يؤدي إلى زيادة القوى بشكل أكبر؛
2. عكس التحكم حيث يؤدي تنشيط التحكم إلى حدوث عزم ديناميكي هوائي معاكس يقلل من فعالية التحكم أو يعكسها في الحالات القصوى؛ و
3. الرفرفة وهي عبارة عن اهتزاز غير مسيطر عليه يمكن أن يؤدي إلى تدمير الطائرة.

يمكن منع مشاكل المرونة الهوائية عن طريق ضبط كتلة أو صلابة أو ديناميكية هوائية للهياكل والتي يمكن تحديدها والتحقق منها من خلال استخدام الحسابات واختبارات اهتزاز الأرض وتجارب اهتزاز الطيران . عادة ما يتم التخلص من اهتزاز أسطح التحكم عن طريق وضع موازنات الكتلة بعناية .

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

كان الفشل الثاني لطائرة صمويل لانجلي النموذجية على نهر بوتوماك يرجع إلى التأثيرات المرنة الهوائية (على وجه التحديد، التباعد الالتوائي ). ^[1] كان أحد الأعمال العلمية المبكرة حول هذا الموضوع هو نظرية جورج برايان لاستقرار الطائرة الصلبة التي نُشرت عام 1906. ^[2] عانت الطائرات من مشاكل التباعد الالتوائي في الحرب العالمية الأولى وتم حلها إلى حد كبير عن طريق التجربة والخطأ والتصلب المؤقت للجناح. كانت أول حالة مسجلة وموثقة للرفرفة في طائرة هي تلك التي حدثت لقاذفة هاندلي بيج O/400 أثناء رحلة في عام 1916، عندما عانت من تذبذب عنيف في الذيل، مما تسبب في تشوه شديد في جسم الطائرة الخلفي والمصاعد لتتحرك بشكل غير متماثل. على الرغم من أن الطائرة هبطت بسلام، إلا أنه في التحقيق اللاحق تمت استشارة FW Lanchester . كانت إحدى توصياته أن المصاعد اليسرى واليمنى يجب أن تكون متصلة بشكل صارم بواسطة عمود صلب، والذي أصبح فيما بعد متطلبًا للتصميم. بالإضافة إلى ذلك، طُلب من المختبر الوطني للفيزياء (NPL) التحقيق في الظاهرة نظريًا، وهو ما تم تنفيذه لاحقًا من قبل ليونارد بايرستو وآرثر فيج. ^[2]

في عام 1926، نشر هانز رايسنر نظرية تباعد الأجنحة، مما أدى إلى مزيد من البحث النظري حول هذا الموضوع. ^[1] تم صياغة مصطلح المرونة الهوائية نفسه من قبل هارولد روكسبي كوكس وألفريد بوغسلي في مؤسسة الطائرات الملكية (RAE)، فارنبورو في أوائل الثلاثينيات. ^[2]

في إطار تطوير هندسة الطيران في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، بدأ ثيودور فون كارمان دورة تدريبية بعنوان "المرونة المطبقة على الطيران". ^[3] وبعد تدريس الدورة التدريبية لمدة فصل دراسي واحد، سلمها كارمان إلى إرنست إدوين سيشلر ، الذي طور المرونة الهوائية في تلك الدورة التدريبية وفي نشر الكتب المدرسية حول هذا الموضوع. ^{[4] [5]}

في عام 1947، عرّف آرثر رودريك كولار المرونة الهوائية بأنها "دراسة التفاعل المتبادل الذي يحدث داخل مثلث القوى القصورية والمرنة والديناميكية الهوائية المؤثرة على الأعضاء الهيكلية المعرضة لتيار هوائي، وتأثير هذه الدراسة على التصميم". ^[6]

في الطائرة، قد يحدث تأثيران هوائيان ثابتان مهمان. التباعد هو ظاهرة يصبح فيها الالتواء المرن للجناح فجأة لا نهائيًا نظريًا، مما يؤدي عادةً إلى فشل الجناح. عكس التحكم هو ظاهرة تحدث فقط في الأجنحة ذات الجنيحات أو أسطح التحكم الأخرى، حيث تعكس أسطح التحكم هذه وظيفتها المعتادة (على سبيل المثال، يتم عكس اتجاه الدوران المرتبط بعزم جنيح معين).

يحدث التباعد عندما ينحرف سطح الرفع تحت الحمل الديناميكي الهوائي في اتجاه يزيد من الرفع في حلقة تغذية مرتدة إيجابية. يؤدي الرفع المتزايد إلى انحراف الهيكل بشكل أكبر، مما يؤدي في النهاية إلى وصول الهيكل إلى نقطة التباعد. على عكس الرفرفة، وهي مشكلة أخرى تتعلق بالمرونة الهوائية، بدلاً من التذبذبات غير المنتظمة، يتسبب التباعد في تحرك سطح الرفع في نفس الاتجاه وعندما يصل إلى نقطة التباعد يتشوه الهيكل.

معادلات تباعد الشعاع البسيط

يمكن فهم التباعد باعتباره خاصية بسيطة لمعادلة التفاضل (s) التي تحكم انحراف الجناح . على سبيل المثال، عند نمذجة جناح الطائرة كشعاع أويلر-برنولي متساوي الخواص ، تكون معادلة الحركة الالتوائية غير المقترنة هي ${\displaystyle GJ\frac {d^{2}\theta }{dy^{2}}}=-M',}$ حيث y هو البعد الممتد، وθ هو الالتواء المرن للعارضة، و GJ هي صلابة الالتواء للعارضة، وL هو طول العارضة، و M ' هو العزم الديناميكي الهوائي لكل وحدة طول. وفقًا لنظرية إجبار الرفع البسيطة، يكون العزم الديناميكي الهوائي من الشكل ${\displaystyle M'=CU^{2}(\theta +\alpha _{0}),}$ حيث C هو معامل، وU هي سرعة المائع الحر، وα 0 هي زاوية الهجوم الأولية. وهذا يعطي معادلة تفاضلية عادية من الشكل ${\displaystyle {\frac {d^{2}\theta }{dy^{2}}}+\lambda ^{2}\theta =-\lambda ^{2}\alpha _{0},}$ أين ${\displaystyle \lambda ^{2}=C{\frac {U^{2}}{GJ}}.}$ الشروط الحدودية لشعاع خالٍ من المشابك (أي جناح ذراعي) هي ${\displaystyle \theta |_{y=0}=\left.{\frac {d\theta }{dy}}\right|_{y=L}=0,}$ الذي يعطي الحل ${\displaystyle \theta =\alpha _{0}[\tan(\lambda L)\sin(\lambda y)+\cos(\lambda y)-1].}$ كما يمكن ملاحظة ذلك، بالنسبة لـ λL = π /2 + nπ ، مع عدد صحيح عشوائي n ، فإن tan( λL ) لا نهائي. n = 0 يتوافق مع نقطة التباعد الالتوائي. بالنسبة للمعلمات الهيكلية المعطاة، سيتوافق هذا مع قيمة واحدة لسرعة التيار الحر U. هذه هي سرعة التباعد الالتوائي. لاحظ أنه بالنسبة لبعض الظروف الحدودية الخاصة التي يمكن تنفيذها في اختبار نفق الرياح لجناح (على سبيل المثال، قيد الالتوائي الموضوع أمام المركز الديناميكي الهوائي) من الممكن القضاء على ظاهرة التباعد تمامًا. [7]

عكس سطح التحكم هو فقدان (أو عكس) الاستجابة المتوقعة لسطح التحكم، بسبب تشوه سطح الرفع الرئيسي. بالنسبة للنماذج البسيطة (على سبيل المثال، الجنيح المفرد على شعاع أويلر-برنولي)، يمكن اشتقاق سرعات عكس التحكم تحليليًا كما هو الحال بالنسبة للتباعد الالتوائي. يمكن استخدام عكس التحكم لتحقيق ميزة ديناميكية هوائية، ويشكل جزءًا من تصميم دوار رفرف السيرفو كامان. ^[7]

تدرس المرونة الهوائية الديناميكية التفاعلات بين القوى الديناميكية الهوائية والمرنة والقصور الذاتي. ومن أمثلة الظواهر المرنة الهوائية الديناميكية:

الرفرفة هي عدم استقرار ديناميكي لهيكل مرن في تدفق السوائل، ناتج عن ردود فعل إيجابية بين انحراف الجسم والقوة التي يمارسها تدفق السوائل. في النظام الخطي ، "نقطة الرفرفة" هي النقطة التي يخضع فيها الهيكل لحركة توافقية بسيطة - تخميد صافٍ صفري - وبالتالي فإن أي انخفاض إضافي في التخميد الصافي سيؤدي إلى تذبذب ذاتي وفشل في النهاية. يمكن فهم "التخميد الصافي" على أنه مجموع التخميد الإيجابي الطبيعي للهيكل والتخميد السلبي للقوة الديناميكية الهوائية. يمكن تصنيف الرفرفة إلى نوعين: الرفرفة الصلبة ، حيث ينخفض ​​التخميد الصافي فجأة جدًا، بالقرب من نقطة الرفرفة؛ والرفرفة الناعمة ، حيث ينخفض ​​التخميد الصافي تدريجيًا. ^[8]

في الماء، تكون نسبة كتلة عزم القصور الذاتي للرقاقة إلى كتلة الأسطوانة المحيطة بالسائل منخفضة بشكل عام بحيث لا يحدث رجفان ثنائي، كما هو موضح من خلال الحل الصريح لأبسط محدد لاستقرار رجفة الرفع والارتفاع. ^[9]

تُصمم الهياكل المعرضة للقوى الديناميكية الهوائية - بما في ذلك الأجنحة والأجنحة، ولكن أيضًا المداخن والجسور - بعناية في حدود معايير معروفة لتجنب الرفرفة. يمكن للأشكال الحادة، مثل المداخن، أن تنبعث منها تيار مستمر من الدوامات المعروفة باسم دوامة كارمان ، والتي يمكن أن تسبب تذبذبات هيكلية. عادةً ما يتم لف الأشرطة حول المداخن لمنع تكوين هذه الدوامات.

في الهياكل المعقدة حيث لا يتم فهم كل من الديناميكية الهوائية والخصائص الميكانيكية للهيكل بشكل كامل، لا يمكن تجاهل الرفرفة إلا من خلال الاختبارات التفصيلية. حتى تغيير توزيع كتلة الطائرة أو صلابة أحد المكونات يمكن أن يسبب رفرفة في مكون ديناميكي هوائي غير ذي صلة على ما يبدو. في أخف حالاته، يمكن أن يظهر هذا على أنه "طنين" في هيكل الطائرة، ولكن في أشد حالاته عنفًا، يمكن أن يتطور بشكل لا يمكن السيطرة عليه بسرعة كبيرة ويسبب أضرارًا جسيمة للطائرة أو يؤدي إلى تدميرها، ^[10] كما هو الحال في رحلة نورث ويست إيرلاينز رقم 2 في عام 1938، ورحلة برانيف رقم 542 في عام 1959، أو النماذج الأولية لطائرة المقاتلة الفنلندية VL Myrsky في أوائل الأربعينيات. ومن المعروف أن جسر تاكوما ناروز الأصلي قد دُمر نتيجة للرفرفة المرنة الهوائية. ^[11]

في بعض الحالات، تم إثبات أن أنظمة التحكم الأوتوماتيكية تساعد في منع أو الحد من الاهتزازات الهيكلية المرتبطة بالرفرفة. ^[12]

رفرفة المروحة الدوارة هي حالة خاصة من الرفرفة تتضمن التأثيرات الديناميكية الهوائية والقصور الذاتي للمروحة الدوارة وصلابة هيكل القفص الداعم . يمكن أن يحدث عدم الاستقرار الديناميكي الذي يتضمن درجات حرية الانحدار والانحراف للمروحة ودعامات المحرك مما يؤدي إلى تقدم غير مستقر للمروحة. ^[13] أدى فشل دعامات المحرك إلى حدوث رفرفة الدوامة في طائرتين من طراز Lockheed L-188 Electra، في عام 1959 على رحلة Braniff رقم 542 ومرة ​​أخرى في عام 1960 على رحلة Northwest Orient Airlines رقم 710. [ ^14]

التدفق غير خطي للغاية في نظام السرعة فوق الصوتية ، حيث تهيمن عليه موجات الصدمة المتحركة. يعد تجنب الرفرفة أمرًا بالغ الأهمية للطائرات التي تحلق عبر أرقام ماخ فوق الصوتية. تم تحليل دور موجات الصدمة لأول مرة بواسطة هولت آشلي . ^[15] تم الإبلاغ عن ظاهرة تؤثر على استقرار الطائرة تُعرف باسم "الانحدار فوق الصوتي"، حيث يمكن أن تقترب سرعة الرفرفة من سرعة الطيران، في مايو 1976 بواسطة فارمر وهانسون من مركز أبحاث لانجلي . ^[16]

الاهتزاز هو عدم استقرار عالي التردد، يحدث بسبب انفصال تدفق الهواء أو تذبذبات موجة الصدمة من جسم يصطدم بجسم آخر. يحدث بسبب دفعة مفاجئة من الحمل المتزايد. إنه اهتزاز قسري عشوائي. يؤثر بشكل عام على وحدة الذيل في هيكل الطائرة بسبب تدفق الهواء أسفل الجناح. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

طرق الكشف عن البوفيه هي:

1. رسم معامل الضغط ^[17]
2. تباعد الضغط عند الحافة الخلفية
3. حساب الانفصال عن الحافة الخلفية استنادًا إلى رقم ماخ
4. تباعد القوة المتقلبة الطبيعية

في الفترة من 1950 إلى 1970، طورت AGARD دليل المرونة الهوائية الذي يوضح العمليات المستخدمة في حل وتحقق المشاكل المرنة الهوائية إلى جانب الأمثلة القياسية التي يمكن استخدامها لاختبار الحلول العددية. ^[18]

لا تتضمن المرونة الهوائية الأحمال الديناميكية الهوائية الخارجية والطريقة التي تتغير بها فحسب، بل تشمل أيضًا الخصائص الهيكلية والتخميدية والكتلية للطائرة. يتضمن التنبؤ إنشاء نموذج رياضي للطائرة كسلسلة من الكتل المتصلة بنوابض ومخمدات يتم ضبطها لتمثيل الخصائص الديناميكية لهيكل الطائرة. يتضمن النموذج أيضًا تفاصيل القوى الديناميكية الهوائية المطبقة وكيفية تغيرها.

يمكن استخدام النموذج للتنبؤ بهامش الرفرفة، وإذا لزم الأمر، اختبار الحلول للمشاكل المحتملة. يمكن أن تكون التغييرات الصغيرة المختارة بعناية في توزيع الكتلة والصلابة الهيكلية المحلية فعالة للغاية في حل مشاكل المرونة الهوائية.

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

بالنسبة للأنظمة غير الخطية ، يتم تفسير الرفرفة عادةً على أنها تذبذب دورة حدية (LCO)، ويمكن استخدام الأساليب المستمدة من دراسة الأنظمة الديناميكية لتحديد السرعة التي سيحدث بها الرفرفة. ^[19]

تتضمن هذه الفيديوهات تفاصيل برنامج أبحاث الطيران المكون من مرحلتين التابع لوكالة ناسا والقوات الجوية الأمريكية للأجنحة الهوائية المرنة النشطة ، والذي يهدف إلى التحقيق في إمكانية الأجنحة المرنة الملتوية ديناميكيًا هوائيًا لتحسين القدرة على المناورة للطائرات عالية الأداء بسرعات تفوق سرعة الصوت وتفوق سرعة الصوت ، مع استخدام أسطح التحكم التقليدية مثل الجنيحات واللوحات الأمامية لتحفيز الالتواء.

• فيلم مصور بالوقت لاختبار أحمال الجناح المرن الهوائي النشط (AAW)، ديسمبر 2002
• اختبار طيران للطائرة F/A-18A (الآن X-53) ذات الجناح الهوائي المرن النشط (AAW)، ديسمبر 2002

• تم تدمير جسر تاكوما ناروز الأصلي نتيجة للرفرفة المرنة الهوائية. ^[11]
• اهتزاز المروحة في طائرة لوكهيد إل-188 إليكترا على متن رحلة برانيف رقم 542 .
• تحطم طائرة فوكر إف-10 عابرة للقارات والغربية عام 1931 .
• رفرفة حرية الجسم لطائرة GAF Jindivik بدون طيار. ^[20]

• Bisplinghoff, RL, Ashley, H. and Halfman, H., Aeroelasticity . Dover Science, 1996, ISBN 0-486-69189-6 , 880 صفحة. 
• دويل، إي إتش، دورة حديثة في المرونة الهوائية . ISBN 90-286-0057-4 . 
• فونج، واي سي، مقدمة لنظرية المرونة الهوائية . دوفر، 1994، ISBN 978-0-486-67871-9 . 
• هودجز، دي إتش و بيرس، أ.، مقدمة في ديناميكيات البناء والمرونة الهوائية ، كامبريدج، 2002، ISBN 978-0-521-80698-5 . 
• رايت، جيه آر وكوبر، جيه إي، مقدمة في مرونة الطائرات والأحمال ، وايلي 2007، ISBN 978-0-470-85840-0 . 
• Hoque, ME, "Active Flutter Control", LAP Lambert Academic Publishing , Germany, 2010, ISBN 978-3-8383-6851-1 . 
• كولار، أر، "أول خمسين عامًا من المرونة الجوية"، مجلة الفضاء الجوي، المجلد 5، العدد 2، ص 12-20، 1978.
• جاريك، آي إي وريد دبليو إتش، "التطور التاريخي لرفرفة الطائرات"، مجلة الطائرات، المجلد 18، ص 897-912، نوفمبر 1981.
• باتريك ر. فيليت (23 أغسطس/آب 2018). "الطائرات منخفضة السرعة: استمرار ضعف التدريب على الارتفاعات العالية والسرعات فوق الصوتية". مجلة الأعمال والطيران التجاري . شبكة أسبوع الطيران.

• فرع المرونة الهوائية – مركز أبحاث ناسا لانغلي
• معهد DLR للمرونة الهوائية
• المختبر الوطني للفضاء الجوي
• مجموعة المرونة الهوائية – جامعة تكساس إيه آند إم
• التقارير الفنية لوكالة ناسا – مركز أبحاث ناسا لانغلي
• دليل ناسا للمرونة الجوية