قاعدة المنطقة

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 12 صور
الموسوعة الحرة
يُحدد توزيع مساحة المقطع العرضي على طول هيكل الطائرة بالكامل مقاومة الأمواج، وهو أمر مستقل إلى حد كبير عن الشكل الفعلي. الشكلان الأزرق والأخضر الفاتح متساويان تقريبًا في المساحة.

قاعدة ويتكومب للمساحة ، التي سُميت نسبةً إلى المهندس ريتشارد ويتكومب من اللجنة الاستشارية الوطنية الأمريكية للملاحة الجوية ( NACA ) ، وتُعرف أيضاً باسم قاعدة المساحة فوق الصوتية ، هي إجراء تصميمي يُستخدم لتقليل مقاومة الهواء للطائرة عند السرعات فوق الصوتية التي تتراوح بين 0.75 و1.2 ماخ تقريباً. أما بالنسبة للسرعات فوق الصوتية، فيُستخدم إجراء مختلف يُسمى قاعدة المساحة فوق الصوتية ، والذي طوره روبرت جونز ، خبير الديناميكا الهوائية في NACA .

تُعد السرعة فوق الصوتية واحدة من أهم نطاقات السرعة للطائرات التجارية والعسكرية ذات الأجنحة الثابتة اليوم، حيث يمثل التسارع فوق الصوتي متطلبًا مهمًا للأداء بالنسبة للطائرات المقاتلة، والذي يتم تحسينه عن طريق تقليل السحب فوق الصوتي.

وصف

عند سرعات الطيران دون سرعة الصوت العالية، قد تصل سرعة تدفق الهواء الموضعية إلى سرعة الصوت، حيث يتسارع التدفق حول جسم الطائرة وأجنحتها . وتختلف سرعة حدوث هذا التسارع من طائرة إلى أخرى، وتُعرف باسم رقم ماخ الحرج . وتتسبب الموجات الصدمية الناتجة في هذه المناطق من التدفق الصوتي في زيادة مفاجئة في مقاومة الهواء ، تُسمى مقاومة الموجة . وللحد من عدد هذه الموجات الصدمية وقوتها، ينبغي أن يتغير شكل الطائرة الانسيابي في مساحة مقطعها العرضي بسلاسة قدر الإمكان من الأمام إلى الخلف.

قاعدة المنطقة فوق الصوتية

تنص قاعدة المساحة على أن طائرتين لهما نفس توزيع مساحة المقطع العرضي الطولي لهما نفس مقاومة الموجة، بغض النظر عن كيفية توزيع المساحة جانبيًا (أي في جسم الطائرة أو في الجناح). علاوة على ذلك، لتجنب تشكل موجات صدمية قوية، يجب تصميم الشكل الخارجي للطائرة بعناية بحيث تتغير مساحة المقطع العرضي بسلاسة قدر الإمكان من المقدمة إلى المؤخرة. عند موضع الجناح، يتم تضييق جسم الطائرة أو "تقويسه". قد يلزم تقليل مساحة المقطع العرضي لجسم الطائرة عن طريق تسطيح جوانب جسم الطائرة أسفل قمرة القيادة الفقاعية وعند أسطح الذيل للتعويض عن وجودها، وقد تم تطبيق كلا الإجراءين على طائرة هوكر سيدلي بوكانير . [ 1 ]

قاعدة المنطقة فوق الصوتية

تُطبَّق قاعدة مساحة مختلفة، تُعرف بقاعدة المساحة فوق الصوتية، والتي طوّرها روبرت جونز، خبير الديناميكا الهوائية في اللجنة الاستشارية الوطنية للملاحة الجوية (NACA)، في بحثه "نظرية مقاومة الجناح والجسم عند السرعات فوق الصوتية" [ 2 ]. وتُطبَّق هذه القاعدة عند السرعات التي تتجاوز سرعة الصوت الانتقالية، وفي هذه الحالة، يُحدَّد شرط مساحة المقطع العرضي بناءً على زاوية مخروط ماخ لسرعة التصميم. على سبيل المثال، عند سرعة ماخ 1.3، تكون زاوية مخروط ماخ المتولدة من مقدمة الطائرة μ = arcsin(1/M) = 50.3° (حيث μ هي زاوية مخروط ماخ، والمعروفة أيضًا بزاوية ماخ ، وM هو عدد ماخ ). في هذه الحالة، يكون "الشكل المثالي" منحازًا نحو الخلف؛ لذلك، عادةً ما تكون أجنحة الطائرات المصممة لتقليل مقاومة الموجة عند السرعات فوق الصوتية موجهة نحو الخلف. [ 2 ]

هيكل سيرز-هاك

يُعدّ جسم سيرز-هاك مفهومًا ذا صلة ظاهريًا ، إذ يسمح شكله بأقل مقاومة للأمواج لطول وحجم مُحددين. مع ذلك، يُشتق شكل جسم سيرز-هاك انطلاقًا من معادلة براندتل-غلاورت التي تصف تقريبًا التدفقات دون الصوتية ذات الاضطرابات الصغيرة، بالإضافة إلى نظرية أكيريت التي تصف بدقة التدفقات فوق الصوتية. تفقد كلتا الطريقتين صلاحيتهما في حالة التدفقات الانتقالية حيث تُطبق قاعدة المساحة، نظرًا للافتراضات المُستخدمة في اشتقاقاتهما. لذا، على الرغم من أن شكل جسم سيرز-هاك، لكونه أملسًا، يتمتع بخصائص مقاومة أمواج مُلائمة وفقًا لقاعدة المساحة، إلا أنه ليس الأمثل نظريًا. [ 3 ]

تاريخ

ألمانيا

رسم براءة اختراع لشركة يونكرز من مارس 1944
يعود الترتيب غير المعتاد لمحركات طائرة Ju-287 النفاثة إلى قاعدة المساحة.

اكتشف أوتو فرينزل قاعدة المساحة أثناء مقارنته بين جناح مائل وجناح على شكل حرف W ذي مقاومة موجية عالية للغاية [ 4 ]، وذلك خلال عمله على نفق هوائي فوق صوتي في مصانع يونكرز بألمانيا بين عامي 1943 و1945. وقد كتب وصفًا في 17 ديسمبر 1943 بعنوان "ترتيب أجسام الإزاحة في الطيران عالي السرعة" (Anordnung von Verdrängungskörpern beim Hochgeschwindigkeitsflug )، واستُخدم هذا الوصف في براءة اختراع سُجلت عام 1944. [ 5 ] وفي مارس 1944، عرض ثيودور زوبل نتائج هذا البحث على نطاق واسع في الأكاديمية الألمانية لأبحاث الطيران (Deutsche Akademie der Luftfahrtforschung ) في محاضرة بعنوان "طرق جديدة جذريًا لزيادة أداء الطائرات عالية السرعة". [ 6 ]

أخذت تصاميم الطائرات الألمانية اللاحقة في زمن الحرب هذا الاكتشاف بعين الاعتبار، ويتجلى ذلك في الهيكل الأوسط النحيف لطائرات مثل ميسرشميت P.1112 و P.1106 وقاذفة القنابل بعيدة المدى فوك-وولف من النوع A بأبعاد 1000x1000x1000 ، كما يظهر أيضًا في تصاميم الأجنحة المثلثية مثل هنشل Hs 135. واقترب العديد من الباحثين الآخرين من تطوير نظرية مماثلة، ولا سيما ديتريش كوشمان الذي صمم طائرة مقاتلة مدببة أُطلق عليها اسم "زجاجة كوكاكولا كوشمان" عندما اكتشفتها القوات الأمريكية عام 1946. في هذه الحالة، توصل كوشمان إلى النظرية من خلال دراسة تدفق الهواء، وتحديدًا التداخل، أو خطوط انسياب التدفق المحلية، عند نقطة التقاء الهيكل والجناح المائل . وتم تشكيل الهيكل، أو تضييقه، ليتناسب مع التدفق. إن متطلبات التشكيل لهذا النهج "القريب" ستنتج أيضًا عن نهج ويتكومب اللاحق "البعيد" لتقليل السحب باستخدام قاعدة منطقة الصوت الخاصة به. [ 7 ]

الولايات المتحدة

قام والاس دي هايز ، وهو رائد في مجال الطيران الأسرع من الصوت ، بتطوير قاعدة المساحة الانتقالية في منشوراته التي بدأت في عام 1947 مع أطروحته للدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا . [ 8 ]

أبريل 1955: ويتكومب يفحص نموذج طائرة مصمم وفقًا لقاعدة المساحة الخاصة به.

اكتشف ريتشارد تي. ويتكومب ، الذي سُميت القاعدة باسمه، هذه القاعدة بشكل مستقل عام 1952، أثناء عمله في اللجنة الاستشارية الوطنية للملاحة الجوية (NACA). وأثناء استخدامه نفق السرعة العالية الجديد الذي يبلغ طوله 2.4 متر (8 أقدام ) ، وهو نفق هوائي تصل سرعته إلى 0.95 ماخ في مركز لانغلي للأبحاث التابع للجنة ، فوجئ بزيادة مقاومة الهواء الناتجة عن تكوّن الموجات الصدمية. أدرك ويتكومب أنه لأغراض التحليل، يمكن اختزال الطائرة إلى جسم انسيابي دوراني، مُطوّل قدر الإمكان للتخفيف من الانقطاعات المفاجئة، وبالتالي، الارتفاع المفاجئ في مقاومة الهواء. [ 9 ] ويمكن رؤية هذه الصدمات باستخدام تصوير شليرين ، لكن سبب تكوّنها بسرعات أقل بكثير من سرعة الصوت، تصل أحيانًا إلى 0.70 ماخ، ظل لغزًا. 

في أواخر عام ١٩٥١، استضاف المختبر محاضرةً ألقاها أدولف بوسمان ، عالم الديناميكا الهوائية الألماني الشهير الذي انتقل إلى لانغلي بعد الحرب العالمية الثانية . تحدث بوسمان عن سلوك تدفق الهواء حول الطائرة عندما تقترب سرعتها من رقم ماخ الحرج. فبينما اعتاد المهندسون على تصور تدفق الهواء بسلاسة حول جسم الطائرة، إلا أنه عند السرعات العالية، لا يجد الهواء الوقت الكافي "للابتعاد"، بل يبدأ بالتدفق كما لو كان أنابيب صلبة، وهو مفهوم أطلق عليه بوسمان اسم "أنابيب التدفق"، في مقابل خطوط الانسياب ، واقترح مازحًا أن على المهندسين أن يعتبروا أنفسهم "فنيي تركيب أنابيب".

بعد عدة أيام، توصل ويتكومب إلى حلٍّ مُلهم . كان سبب مقاومة الهواء العالية هو تداخل مسارات الهواء في ثلاثة أبعاد. لم يعد بالإمكان الاكتفاء بدراسة تدفق الهواء فوق مقطع عرضي ثنائي الأبعاد للطائرة كما كان شائعًا في السابق؛ بل أصبح لزامًا الآن مراعاة تدفق الهواء على جانبي الطائرة، والذي يتفاعل بدوره مع هذه المسارات. أدرك ويتكومب أن تصميم الطائرة يجب أن يشملها ككل ، وليس فقط جسمها. هذا يعني ضرورة مراعاة المساحة الإضافية لمقطع الجناحين والذيل في التصميم العام، وتضييق جسم الطائرة عند نقاط التقاء الجناحين والذيل ليقترب أكثر من التصميم المثالي.

التطبيقات

كانت أول طائرة طُبِّقَ فيها مبدأ المساحة نتيجةً لذلك هي طائرة الاختبار الألمانية يونكرز يو-287 (1944). [ 10 ] أما التصاميم الألمانية الأخرى المماثلة فلم تُستكمل بسبب انتهاء الحرب، أو حتى بقيت في مرحلة التخطيط.

عندما أعاد ويتكومب اكتشاف قاعدة المساحة، أُتيحت لصناعة الطائرات الأمريكية سرًا للبرامج العسكرية بدءًا من عام 1952 [ 11 ] ، وأُعلن عنها في عام 1957 للبرامج المدنية. [ 12 ] استخدمت شركتا كونفير وغرومان، بمساعدة ويتكومب، هذه القاعدة في آنٍ واحد لتصميم طائرة غرومان إف-11 تايغر وإعادة تصميم طائرة كونفير إف-102 . [ 13 ] كانت طائرة غرومان إف-11 تايغر أول طائرة من بين الطائرتين تحلّق، وقد صُممت باستخدام قاعدة المساحة منذ البداية. [ 14 ] اضطرت شركة كونفير إف-102 دلتا داغر إلى إعادة تصميمها لعدم قدرتها على بلوغ سرعة ماخ 1، على الرغم من أن سرعة تصميمها كانت 1.2 ماخ. وقد استند التوقع بوصولها إلى سرعة التصميم إلى تنبؤات متفائلة لمقاومة الهواء في نفق الرياح. [ 15 ] [ 16 ] أدت التعديلات، التي شملت ثني جسم الطائرة بجانب الأجنحة وزيادة حجم الجزء الخلفي منها، إلى تقليل مقاومة الهواء بشكل ملحوظ، ما مكّن من الوصول إلى سرعة التصميم البالغة 1.2 ماخ. وكان الهدف من استخدام قاعدة المساحة في هذه الطائرات المقاتلة هو تقليل ذروة مقاومة الهواء التي تحدث عند سرعة ماخ 1، وبالتالي تمكين الوصول إلى سرعات تفوق سرعة الصوت بقوة دفع أقل مما كان مطلوبًا في السابق.

في عام ١٩٥٧، أُتيحت قاعدة مساحة مُعدّلة لرفع سرعة الطيران دون سرعة الصوت للطائرات النقلية بمقدار ٨٠ كم/ ساعة (٥٠ ميلاً في الساعة) . [ ١٢ ] تُحدَّد سرعة الطيران بالزيادة المفاجئة في مقاومة الهواء، والتي تُشير إلى وجود تدفق فوق صوتي موضعي أعلى الجناح. قلّلت قاعدة ويتكومب المُعدَّلة السرعة فوق الصوتية قبل الصدمة، مما أضعفها وخفّض مقاومة الهواء المرتبطة بها. زُوِّدت طائرة كونفير ٩٩٠ بنتوءات تُسمى أجسامًا مضادة للصدمات على السطح العلوي للجناح بهدف تحقيق سرعة الطيران المطلوبة. مع ذلك، تسبب توزيع المساحة في القنوات المُشكَّلة من أسطح الحاضنة/الدعامة/الجناح أيضًا في سرعات فوق صوتية، وكان مصدرًا لمقاومة هواء كبيرة. طُبِّقت تقنية قاعدة المساحة، ما يُسمى بقاعدة مساحة القناة، لتحقيق سرعة الطيران المطلوبة.  

قام المصممون في شركة أرمسترونغ-ويتورث بتطوير قاعدة مساحة الصوت في تصميمهم المقترح للجناح M، حيث تم ثني الجناح للأمام أولاً ثم للخلف. وقد سمح هذا بتضييق جسم الطائرة أمام جذر الجناح وخلفه، مما أدى إلى جسم طائرة أكثر انسيابية مع الحفاظ على عرضه في المتوسط ​​مقارنةً بالطائرات ذات الأجنحة التقليدية المثنية.

أُضيفت الامتدادات خلف قمرة القيادة في طائرتي روكويل بي-1 لانسر وبوينغ 747 لتحسين توزيع مساحة المقطع العرضي وفقًا لقاعدة المساحة. [ 17 ]

بدت الطائرات المصممة وفقًا لقاعدة ويتكومب للمساحة (مثل طائرة إف-102 دلتا داغر وطائرة نورثروب إف-5 ) غريبةً عند ظهورها لأول مرة، حتى أنها لُقّبت أحيانًا بـ" زجاجات كوكاكولا الطائرة "، لكن هذا أصبح جزءًا متوقعًا من مظهر بعض الطائرات الأسرع من الصوت. ومن المؤشرات المرئية التي تدل على أن قاعدة المساحة قد حددت شكل الطائرة: "تخفيف" جسم الطائرة وتشكيل خزان الوقود الأمامي كما في طائرة نورثروب إف-5 ، وترقيق الجزء الخلفي من جسم الطائرة في طائرات رجال الأعمال ذات المحركات الخلفية مثل طائرة بومباردييه غلوبال إكسبريس . كما تتطلب القاعدة أيضًا وضعًا دقيقًا للأجزاء، مثل معززات الصواريخ وحجرة الشحن في الصواريخ، وشكل وموقع قمرة القيادة في طائرة إف-22 رابتور .

تم تطبيق قاعدة المساحة فوق الصوتية، عند سرعة ماخ 2، على النموذج الأولي لطائرة الكونكورد . تم تمديد الجزء الخلفي من جسم الطائرة بمقدار 12.2 قدم (3.73 متر) في الطائرة المنتجة، مما قلل من مقاومة الأمواج بنسبة 1.8%. [ 18 ] 

صور

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ من سبيتفاير إلى يوروفايتر: 45 عامًا من تصميم الطائرات المقاتلة، روي بوت، رقم ISBN 1 85310 093 5، ص 93
  2. 1 2 جونز، روبرت ت. (1956)، نظرية مقاومة جسم الجناح عند السرعات فوق الصوتية (ملف PDF) (تقرير)، المملكة المتحدة : NACA، 1284، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 2020-12-05 ، تم استرجاعه بتاريخ 2008-09-12.
  3. ↑ سبنسر، ب. الابن؛ ستيفيرز، ل. س. الابن (أكتوبر 1967). "دراسات حول الأشكال المثلى للجسم عند السرعات فوق الصوتية" (ملف PDF) . خادم التقارير الفنية لوكالة ناسا . تم الاطلاع عليه في 4 نوفمبر 2022 .
  4. ^ Heinzerling, Werner, Flügelpfeilung und Flächenregel, zwei grundlegende deutsche Patente der Flugzeugaerodynamik [ اكتساح الجناح وقاعدة المنطقة، براءتي اختراع ألمانيتين أساسيتين للديناميكا الهوائية للطائرات ] (PDF) (في الألمانية)، München، DE : المتحف الألماني، أرشفة من الأصلي (PDF) في 2011-07-19 ، تم استرجاعه في 2010/11/06.
  5. ^ Patentschrift zur Flächenregel [ براءة الاختراع لقاعدة المنطقة ] (PDF) (بالألمانية)، 21 مارس 1944.
  6. ^ ماير ، هانز أولريش (2006)، Die Pfeilflügelentwicklung in Deutschland bis 1945 [ تطور الجناح المجنح في ألمانيا حتى عام 1945 ] (بالألمانية)، Bernard & Graefe، الصفحات من 166 إلى 99، ISBN  3-7637-6130-6.
  7. ↑ تصميم الطائرات المقاتلة، راي ويتفورد 1987، رقم ISBN 0 7106 0426 2الشكل 161
  8. ↑ والاس هايز (نعي)، برينستون.
  9. ↑ هاليون، ريتشارد ب. "اللجنة الاستشارية الوطنية للملاحة الجوية، ووكالة ناسا، والحدود فوق الصوتية وفوق الصوتية" (ملف PDF) . وكالة ناسا . خادم التقارير الفنية لوكالة ناسا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 سبتمبر 2011 .
  10. ^ ماير ، هانز أولريش (2006)، Die Pfeilflügelentwicklung in Deutschland bis 1945 [ تطور الجناح المجنح في ألمانيا حتى عام 1945 ] (بالألمانية)، Bernard & Graefe، الصفحات من 166 إلى 99، ISBN  3-7637-6130-6.
  11. ↑ "أسبوع الطيران 1955-09-12" . 12 سبتمبر 1955.
  12. 1 2 "أسبوع الطيران: 12 أغسطس 1957" . ماكجرو هيل. 12 أغسطس 1957. ص 29. تم الاطلاع عليه في 4 نوفمبر 2022 . 
  13. ↑ "أسبوع الطيران: 12 سبتمبر 1955" . ماكجرو هيل. 12 سبتمبر 1955. ص 12. تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 نوفمبر 2022 . 
  14. ↑ تصميم للقتال الجوي، راي ويتفورد، رقم ISBN 0 7106 0426 2، ص 156
  15. ↑ طائرات العالم المقاتلة، الطبعة الرابعة والمنقحة بالكامل، ويليام غرين 1964، ماكدونالد وشركاه (الناشرون) المحدودة، جلف هاوس، 2 شارع بورتمان، لندن W1، ص 136
  16. ↑ والاس 1998 ، ص 144.
  17. ↑ والاس 1998 ، ص 147.
  18. ↑ دراسة حالة أجرتها شركتا إيروسباسيال وبريتيش إيروسبيس على طائرة الكونكورد، بقلم جان ريش وكلايف إس. ليمان، سلسلة دراسات AIAA المهنية، الشكل 3.6

فهرس