ميكانيكا طيران الطائرات
تُعدّ ميكانيكا الطيران ذات صلة بالطائرات ذات الأجنحة الثابتة ( الطائرات الشراعية والطائرات ) والطائرات ذات الأجنحة الدوارة ( المروحيات ). وتُعرّف منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO ) الطائرة ( أو الطائرة كما تُعرف في الولايات المتحدة) في الوثيقة رقم 9110 بأنها "طائرة أثقل من الهواء تعمل بمحرك، وتستمد قوة الرفع بشكل رئيسي من ردود الفعل الديناميكية الهوائية على السطح، والتي تظل ثابتة في ظل ظروف طيران معينة".
تجدر الإشارة إلى أن هذا التعريف يستثني المناطيد (لأنها تستمد قوة الرفع من الطفو وليس من تدفق الهواء فوق الأسطح)، والصواريخ الباليستية (لأن قوة رفعها تُستمد عادةً بشكل مباشر وكامل من الدفع شبه العمودي). من الناحية الفنية، يمكن القول إن كليهما يخضع لـ"ميكانيكا الطيران" بالمعنى الأعم للقوى الفيزيائية المؤثرة على جسم يتحرك في الهواء ؛ لكنهما يعملان بطريقة مختلفة تمامًا، وعادةً ما يكونان خارج نطاق هذا المصطلح.
اخلع
لا تستطيع الطائرة، الأثقل من الهواء، الطيران إلا بتأثير سلسلة من القوى الديناميكية الهوائية. ففي الطائرات ذات الأجنحة الثابتة، يدعم جسم الطائرة الأجنحة قبل الإقلاع، وعند لحظة الإقلاع، ينعكس الوضع فتدعم الأجنحة الطائرة أثناء الطيران.
طيران الطائرة بشكل مستقيم ومستوٍ
أثناء الطيران، يمكن اعتبار الطائرة ذات المحرك خاضعة لأربع قوى: الرفع ، والوزن ، والدفع ، والمقاومة . [ 1 ] الدفع هو القوة التي يولدها المحرك (سواء كان محركًا نفاثًا ، أو مروحة ، أو - في حالات نادرة مثل طائرة X-15 - صاروخًا ) ويعمل في اتجاه أمامي للتغلب على المقاومة. [ 2 ] يعمل الرفع عموديًا على متجه سرعة الطائرة بالنسبة للغلاف الجوي. تعمل المقاومة بالتوازي مع متجه سرعة الطائرة، ولكن في الاتجاه المعاكس لأن المقاومة تقاوم الحركة في الهواء. يعمل الوزن من خلال مركز ثقل الطائرة ، باتجاه مركز الأرض.
في الطيران المستقيم والمستوي ، تكون قوة الرفع مساوية تقريبًا للوزن، وتعمل في الاتجاه المعاكس. بالإضافة إلى ذلك، إذا لم تكن الطائرة تتسارع، فإن قوة الدفع تكون مساوية لقوة السحب ومعاكسة لها. [ 3 ]
في الطيران الصاعد المستقيم، تكون قوة الرفع أقل من وزن الطائرة. [ 4 ] قد يبدو هذا غير صحيح للوهلة الأولى، لأنه إذا كانت الطائرة تصعد، فمن المفترض أن تتجاوز قوة الرفع وزنها. عندما تصعد الطائرة بسرعة ثابتة، فإن قوة الدفع هي التي تمكنها من الصعود واكتساب طاقة كامنة إضافية. تعمل قوة الرفع عموديًا على متجه سرعة الطائرة بالنسبة للغلاف الجوي، لذا لا تستطيع قوة الرفع تغيير طاقة الطائرة الكامنة أو الحركية. يمكن ملاحظة ذلك من خلال النظر إلى طائرة استعراضية في طيران عمودي مستقيم (تصعد عموديًا لأعلى أو تهبط عموديًا لأسفل). لا يتطلب الطيران العمودي أي قوة رفع. عند الطيران عموديًا لأعلى، يمكن للطائرة أن تصل إلى سرعة جوية صفرية قبل السقوط نحو الأرض؛ لا يولد الجناح أي قوة رفع، وبالتالي لا يحدث توقف. في الطيران الصاعد المستقيم بسرعة جوية ثابتة، تتجاوز قوة الدفع قوة السحب.
في الطيران الهابط المستقيم، تكون قوة الرفع أقل من الوزن. [ 5 ] إضافةً إلى ذلك، إذا لم تكن الطائرة تتسارع، فإن قوة الدفع تكون أقل من قوة السحب. أما في الطيران الدوراني، فتتجاوز قوة الرفع الوزن، مما ينتج عنه معامل حمل أكبر من واحد، يتحدد بزاوية ميل الطائرة . [ 6 ]
التحكم في الطائرات وتحريكها
توجد ثلاث طرق رئيسية لتغيير الطائرة اتجاهها بالنسبة للهواء المار: الميل (حركة مقدمة الطائرة لأعلى أو لأسفل، مع دوران حول المحور العرضي)، والدوران (الدوران حول المحور الطولي، أي المحور الممتد على طول الطائرة)، والانعراج (حركة مقدمة الطائرة إلى اليسار أو اليمين، مع دوران حول المحور الرأسي). يتطلب تغيير اتجاه الطائرة (الانعطاف) دورانها أولاً للوصول إلى زاوية ميل معينة (لتوليد قوة مركزية)؛ وعند تحقيق تغيير الاتجاه المطلوب، يجب تدوير الطائرة مرة أخرى في الاتجاه المعاكس لتقليل زاوية الميل إلى الصفر. تعمل قوة الرفع عموديًا لأعلى عبر مركز الضغط الذي يعتمد على وضعية الأجنحة. يتغير موضع مركز الضغط بتغير زاوية الهجوم ووضعية رفرفات الأجنحة.
أسطح التحكم في الطائرة
يُحدث الانحراف بواسطة دفة متحركة. تُغير حركة الدفة مقدار واتجاه القوة التي يُنتجها السطح الرأسي. ولأن القوة تتولد على مسافة خلف مركز الثقل، فإن هذه القوة الجانبية تُسبب عزم انحراف، ثم حركة انحراف. في الطائرات الكبيرة، قد توجد عدة دفات مستقلة على الزعنفة الواحدة، وذلك لأسباب تتعلق بالسلامة وللتحكم في حركتي الانحراف والدوران المترابطتين.
إن استخدام الانعراج وحده ليس طريقة فعالة لتنفيذ دوران أفقي في الطائرة، وسيؤدي إلى انزلاق جانبي. يجب توليد مزيج دقيق من الميل والرفع لإحداث القوى المركزية المطلوبة دون حدوث انزلاق جانبي.
يتم التحكم في ميلان الطائرة عن طريق الجزء الخلفي من المثبت الأفقي للذيل ، والذي يُثبّت بمفصلة ليُشكّل مصعدًا . بتحريك ذراع التحكم بالمصعد للخلف، يرفع الطيار المصعد (وضع التقوس السالب)، مما يزيد من قوة الضغط لأسفل على الذيل الأفقي. تزداد زاوية الهجوم على الأجنحة ، وبالتالي يرتفع مقدمة الطائرة، ويزداد الرفع عمومًا. في الطائرات الخفيفة جدًا والطائرات الشراعية، ينعكس عمل الميلان؛ فنظام التحكم في الميلان أبسط بكثير، لذا عندما يُحرّك الطيار ذراع التحكم بالمصعد للخلف، ينخفض مقدمة الطائرة، وتقل زاوية الهجوم على الجناح.
يُعدّ نظام السطح الخلفي الثابت والمصاعد المتحركة معيارًا في الطائرات دون الصوتية. أما الطائرات القادرة على الطيران فوق الصوتي، فغالبًا ما تحتوي على مُثبِّت ، وهو سطح خلفي متحرك بالكامل. ويتم تغيير زاوية ميل الطائرة في هذه الحالة بتحريك السطح الأفقي للذيل بأكمله. كان هذا الابتكار البسيط ظاهريًا أحد التقنيات الرئيسية التي جعلت الطيران فوق الصوتي ممكنًا. في المحاولات الأولى، عندما تجاوز الطيارون رقم ماخ الحرج ، ظهرت ظاهرة غريبة جعلت أسطح التحكم عديمة الفائدة، والطائرات غير قابلة للتحكم. وقد تبيّن أنه مع اقتراب الطائرة من سرعة الصوت، ينضغط الهواء المقترب منها، وتبدأ موجات الصدمة بالتكوّن عند جميع الحواف الأمامية وحول محاور المصعد. تسببت موجات الصدمة هذه في عدم إحداث أي تغيير في الضغط على المُثبِّت قبل المصعد، نتيجةً لحركة المصعد. تم حل المشكلة بتغيير المُثبِّت والمصعد المفصلي إلى مُثبِّت متحرك بالكامل، حيث أصبح السطح الأفقي للذيل بأكمله سطح تحكم متكامل. كذلك، في الطيران فوق الصوتي، يكون لتغير التقوس تأثير أقل على قوة الرفع، ويُنتج المُثبِّت مقاومة أقل .
تُجهز الطائرات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا عند زوايا الهجوم القصوى أحيانًا بتصميم جناح أمامي (كانارد )، حيث تُولّد حركة الميلان باستخدام جناح أمامي (بمستوى قمرة القيادة تقريبًا). يُحسّن هذا النظام بشكل فوري من قدرة التحكم في الميلان، وبالتالي يُحسّن استجابة الطائرة لأوامر التحكم. يشيع استخدام هذا النظام في الطائرات ذات الجناح المثلثي (دلتا بلين)، التي تستخدم جناحًا أماميًا (كانارد) من نوع المثبت الأفقي. من عيوب تصميم الكانارد مقارنةً بالذيل الخلفي، عدم قدرة الجناح على استخدام نفس القدر من امتداد اللوحات لزيادة قوة الرفع عند السرعات المنخفضة بسبب تأثير التوقف. تستخدم الطائرة ثلاثية الأسطح كلاً من الكانارد والذيل الخلفي (بالإضافة إلى الجناح الرئيسي) لتحقيق مزايا كلا التصميمين.
وهناك تصميم آخر للذيل وهو الذيل على شكل حرف V ، وقد سمي بذلك لأنه بدلاً من شكل حرف T المقلوب القياسي أو الذيل على شكل حرف T، يوجد زعنفتان مائلتان بعيدًا عن بعضهما البعض على شكل حرف V. وتعمل أسطح التحكم بعد ذلك كدفات ومصاعد، وتتحرك في الاتجاه المناسب حسب الحاجة.
يتم التحكم في دوران الطائرة بواسطة أجزاء متحركة على الحافة الخلفية للأجنحة تُسمى الجنيحات . تتحرك الجنيحات في اتجاهين متعاكسين، حيث ترتفع إحداها بينما تنخفض الأخرى. ويؤدي اختلاف تقوس الجناح إلى اختلاف في قوة الرفع، وبالتالي حركة الدوران. بالإضافة إلى الجنيحات، توجد أحيانًا أيضًا مُثبِّطات - وهي عبارة عن صفائح صغيرة مفصلية على السطح العلوي للجناح، كانت تُستخدم في الأصل لتوليد مقاومة لإبطاء الطائرة وتقليل قوة الرفع عند الهبوط. في الطائرات الحديثة، التي تتمتع بميزة التشغيل الآلي، يمكن استخدامها مع الجنيحات للتحكم في الدوران.
لم تكن الطائرات الأولى التي بناها الأخوان رايت مزودة بجنيحات. كان يتم تشكيل الجناح بالكامل باستخدام أسلاك. يُعد تشكيل الجناح فعالاً لعدم وجود انقطاع في هندسة الجناح، ولكن مع ازدياد السرعات، أصبح التشكيل غير المقصود مشكلة، ولذلك تم تطوير الجنيحات.
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ كلانسي، إل جيه، الديناميكا الهوائية ، القسم 14.2
- ↑ ستوليري، جيه إل، ميكانيكا طيران الطائرات عالية الأداء ، وقائع مؤسسة المهندسين الميكانيكيين، الجزء التكميلي G211.2 (1997): 129
- ↑ كلانسي، إل جيه، الديناميكا الهوائية ، الشكل 14.1
- ↑ كلانسي، إل جيه، الديناميكا الهوائية ، القسم 14.5
- ↑ كلانسي، إل جيه، الديناميكا الهوائية ، القسم 14.4
- ↑ كلانسي، إل جيه، الديناميكا الهوائية ، القسم 14.6
- إل جيه كلانسي (1975). الديناميكا الهوائية . الفصل 14 : أساسيات ميكانيكا الطيران . دار بيتمان للنشر المحدودة، لندن. رقم ISBN 0-273-01120-0
- ستينجل، روبرت ف. (2022). ديناميكيات الطيران ( الطبعة الثانية). مطبعة جامعة برينستون. ISBN 978-0-691-23704-6
- الديناميكا الهوائية
- صناعة الطائرات