مروحة متغيرة الخطوة (في مجال الطيران)

في مجال الطيران ، يُعرف المروحة ذات الخطوة المتغيرة بأنها نوع من المراوح (المراوح الهوائية) ذات شفرات قابلة للدوران حول محورها الطولي لتغيير زاوية ميل الشفرات . وتُسمى المروحة ذات الخطوة القابلة للتحكم يدويًا بالمروحة التي يتحكم الطيار بزاوية ميل شفراتها. أما المروحة ذات السرعة الثابتة ، فيضبط الطيار فيها سرعة المحرك المطلوبة ( عدد الدورات في الدقيقة )، بينما تُتحكم زاوية ميل الشفرات تلقائيًا دون تدخل الطيار، مما يحافظ على ثبات سرعة الدوران. ويُطلق على الجهاز الذي يتحكم بزاوية ميل المروحة، وبالتالي سرعتها، اسم منظم سرعة المروحة أو وحدة السرعة الثابتة .

المراوح العكسية هي تلك التي يمكن ضبط زاوية ميلها على قيم سالبة. وهذا يُولّد قوة دفع عكسية للكبح أو الرجوع للخلف دون الحاجة إلى تغيير اتجاه دوران العمود.

على الرغم من أن بعض الطائرات مزودة بمراوح قابلة للتعديل أرضياً ، إلا أنها لا تُعتبر ذات زاوية ميل متغيرة. وتوجد هذه المراوح عادةً في الطائرات الخفيفة والطائرات الصغيرة جداً .

عندما تكون الطائرة ثابتة ومروحتها تدور (في هواء ساكن)، يكون اتجاه الرياح النسبي لكل شفرة من شفرات المروحة جانبيًا. ولكن مع بدء الطائرة بالتحرك للأمام، يزداد اتجاه الرياح النسبي من الأمام. لذا، يجب زيادة زاوية ميل شفرات المروحة للحفاظ على زاوية الهجوم المثلى بالنسبة للرياح النسبية.

كانت المراوح الأولى ذات زاوية ميل ثابتة، لكن هذه المراوح غير فعالة في مختلف الظروف. فإذا تم ضبط زاوية شفرة المروحة لتحقيق أداء جيد عند الإقلاع والصعود، ستكون المروحة غير فعالة في الطيران العادي لأن زاوية الهجوم ستكون منخفضة جدًا. في المقابل، قد تتوقف المروحة المضبوطة لتحقيق أداء جيد في الطيران العادي عند السرعات المنخفضة، لأن زاوية الهجوم ستكون مرتفعة جدًا.

المروحة ذات زاوية الشفرات القابلة للتعديل أكثر كفاءة في نطاق واسع من الظروف. أما المروحة ذات الخطوة المتغيرة، فيمكن أن تحافظ على كفاءة ثابتة تقريبًا ضمن نطاق واسع من سرعات الطيران. ^{[ 1 ]}

تتطلب زاوية الهجوم الأقل عزم دوران أقل، ولكن أعلى عدد دورات في الدقيقة ، لأن المروحة لا تحرك كمية كبيرة من الهواء في كل دورة. يشبه هذا الأمر سيارة تسير في ترس منخفض . فعندما يصل السائق إلى سرعة ثابتة، يُبطئ المحرك بالانتقال إلى ترس أعلى، مع الحفاظ على توليد طاقة كافية لاستمرار حركة السيارة. ويتحقق ذلك في الطائرة بزيادة زاوية هجوم المروحة. وهذا يعني أن المروحة تحرك كمية أكبر من الهواء في كل دورة، مما يسمح للمحرك بالدوران بسرعة أقل مع تحريك حجم مكافئ من الهواء، وبالتالي الحفاظ على السرعة.

يُستخدم نظام المراوح متغيرة الخطوة أيضًا لضبط زاوية شفرات المروحة لتقليل مقاومة الهواء. ويعني ذلك تدوير الشفرات بحيث تكون حوافها الأمامية متجهة للأمام مباشرةً. في الطائرات متعددة المحركات، إذا تعطل أحد المحركات، يمكن ضبط زاوية شفراته لتقليل مقاومة الهواء، مما يسمح للطائرة بمواصلة الطيران باستخدام المحرك (أو المحركات) الأخرى. أما في الطائرات أحادية المحرك، فإذا تعطل المحرك، فإن ضبط زاوية شفرات المروحة يقلل مقاومة الهواء ويزيد مسافة الانزلاق، مما يمنح الطيار خيارات أوسع لتحديد موقع الهبوط الاضطراري .

تُستخدم ثلاث طرق لتغيير درجة الصوت: ضغط الزيت، أو الأوزان الطاردة المركزية، أو التحكم الكهروميكانيكي.

يُعد ضغط زيت المحرك الآلية المعتادة المستخدمة في الطائرات التجارية ذات المراوح، وفي محركات كونتيننتال وليكومينغ المُجهزة للطائرات الخفيفة. أما في الطائرات التي لا تحتوي على وحدة سرعة ثابتة، فيتحكم الطيار يدويًا في زاوية ميل شفرات المروحة باستخدام ضغط الزيت.

بدلاً من ذلك، أو بالإضافة إليه، يمكن تثبيت أوزان طرد مركزي مباشرةً على المروحة كما في طائرة ياكوفليف ياك-52 . سُميت المحاولات الأولى للمراوح ذات السرعة الثابتة بمراوح الثقل الموازن، والتي كانت تُدار بآليات تعمل بقوة الطرد المركزي . آلية عملها مماثلة لمنظم الطرد المركزي الذي استخدمه جيمس وات للحد من سرعة محركات البخار . وُضعت أوزان لا مركزية بالقرب من أو داخل غطاء المروحة، مثبتة بنابض. عندما تصل المروحة إلى سرعة دوران معينة، تتسبب قوة الطرد المركزي في تأرجح الأوزان للخارج، مما يُشغل آلية تُدير المروحة بزاوية ميل أكثر حدة. وعندما تتباطأ المروحة، تنخفض سرعة الدوران بما يكفي ليدفع النابض الأوزان للداخل، مُعيدًا المروحة إلى زاوية الميل الأقل حدة.

قد تستخدم المحركات الصغيرة الحديثة المزودة بوحدة سرعة ثابتة (CSU)، مثل Rotax 912 ، إما الطريقة الهيدروليكية التقليدية أو آلية التحكم الكهربائي في درجة الشفرات.

قد يكون التشغيل الهيدروليكي مكلفًا للغاية وضخمًا بالنسبة للطائرات الخفيفة جدًا . بدلاً من ذلك، قد تستخدم هذه الطائرات مراوح يتم تشغيلها ميكانيكيًا أو كهربائيًا.

مراوح ذات سرعة ثابتة

المروحة ذات السرعة الثابتة هي نوع من المراوح ذات الخطوة المتغيرة، مصممة لتغيير خطوة شفراتها تلقائيًا مع الحفاظ على سرعة دوران محددة، بغض النظر عن ظروف تشغيل الطائرة. ويتحقق ذلك باستخدام وحدة سرعة ثابتة (CSU) أو منظم سرعة المروحة المدمج في محور المروحة.

تُنتج معظم المحركات أقصى طاقتها ضمن نطاق سرعة ضيق. يسمح نظام التحكم في سرعة المحرك (CSU) للمحرك بالعمل ضمن نطاق سرعات الدوران الأمثل ، سواءً كانت الطائرة تُقلع أو تُحلّق. يُمكن تشبيه نظام التحكم في سرعة المحرك (CSU) للطائرة بناقل الحركة المتغير باستمرار للسيارة: إذ يُمكن إبقاء المحرك يعمل بسرعته المثلى، بغض النظر عن سرعة تحليق الطائرة. كما يُتيح نظام التحكم في سرعة المحرك (CSU) لمصممي محركات الطائرات تبسيط نظام الإشعال: حيث يتم تبسيط نظام التقديم التلقائي للشرارة الموجود في محركات السيارات، لأن محركات الطائرات تعمل بسرعة دوران ثابتة تقريبًا.

جميع الطائرات ذات المحركات المروحية عالية الأداء تقريباً مزودة بمراوح ذات سرعة ثابتة، لأنها تعمل على تحسين كفاءة استهلاك الوقود والأداء بشكل كبير، خاصة على ارتفاعات عالية.

كانت المحاولات الأولى لتصميم مراوح ثابتة السرعة تُعرف باسم مراوح الثقل الموازن، والتي كانت تُدار بواسطة آليات تعمل بقوة الطرد المركزي . ويُشابه عملها آلية منظم الطرد المركزي الذي استخدمه جيمس وات للتحكم في سرعة المحركات البخارية . وُضعت أوزان لا مركزية بالقرب من أو داخل غطاء المروحة، مثبتة بنابض. عندما تصل المروحة إلى سرعة دوران معينة، تتسبب قوة الطرد المركزي في تأرجح الأوزان للخارج، مما يُحرك آلية تُدير المروحة بزاوية ميل أكثر حدة. وعندما تتباطأ المروحة، تنخفض سرعة الدوران بما يكفي ليدفع النابض الأوزان للداخل، مُعيدًا المروحة إلى زاوية الميل الأقل حدة.

تستخدم معظم وحدات التحكم في السرعة الثابتة (CSU) ضغط الزيت للتحكم في زاوية ميل المروحة. عادةً، تستخدم هذه الوحدات في الطائرات ذات المحرك الواحد ضغط الزيت لزيادة زاوية الميل. في حال تعطل وحدة التحكم، تعود المروحة تلقائيًا إلى زاوية الميل الدقيقة، مما يسمح بتشغيل الطائرة بسرعات منخفضة. على النقيض من ذلك، في الطائرات متعددة المحركات، تستخدم وحدة التحكم ضغط الزيت عادةً لتقليل زاوية الميل. بهذه الطريقة، في حال تعطلها، تُضبط زاوية ميل المروحة تلقائيًا، مما يقلل من مقاومة الهواء، بينما تستمر الطائرة في الطيران بالمحرك السليم. ^{[ 2 ]} يُمكّن " مُجمِّع إعادة ضبط زاوية الميل " هذه المروحة من العودة إلى زاوية الميل الدقيقة لإعادة تشغيل المحرك أثناء الطيران.

تتم عملية تشغيل الطائرة ذات المحرك الترددي الواحد كما يلي: يقوم منظم السرعة بضخ زيت المحرك عبر عمود المروحة لدفع مكبس يُحرك آلية تغيير زاوية ميل الشفرات. يتحكم منظم السرعة في تدفق الزيت وزاوية ميل الشفرات، ويتكون من مضخة تروس ، ونابض تسريع، وأثقال طاردة للرياح، وصمام تحكم . تسحب مضخة التروس ضغط زيت المحرك وترفعه إلى ضغط أعلى، والذي بدوره يتحكم فيه صمام التحكم، المتصل بالأثقال الطاردة للرياح، ونابض التسريع الذي يضغط على هذه الأثقال، داخل وخارج محور المروحة. يتم ضبط شد النابض بواسطة ذراع التحكم في المروحة، والذي يحدد بدوره سرعة دوران المحرك (RPM). يحافظ منظم السرعة على هذه السرعة حتى يحدث تجاوز أو انخفاض في سرعة المحرك. عند حدوث تجاوز للسرعة، تبدأ المروحة بالدوران بسرعة أكبر من السرعة المطلوبة. يحدث هذا عادةً أثناء هبوط الطائرة وزيادة سرعتها الجوية. تبدأ أثقال الطرد المركزي بالاندفاع للخارج بفعل قوة الطرد المركزي، مما يزيد من ضغط زنبرك التسارع، الذي بدوره ينقل الزيت إلى محور المروحة عائدًا إلى المحرك، مما يقلل من سرعة دوران المحرك ويزيد من زاوية ميله. عند حدوث انخفاض في السرعة، كما في حالة الصعود مع فقدان السرعة الجوية، يحدث العكس. تنخفض السرعة الجوية، مما يؤدي إلى تباطؤ المروحة. وهذا بدوره يدفع أثقال الطرد المركزي للاندفاع للداخل نتيجةً لنقص قوة الطرد المركزي، فيُخفف الضغط عن زنبرك التسارع، مما يؤدي إلى خروج الزيت من محور المروحة، وبالتالي تقليل زاوية ميله وزيادة سرعة دورانه. تتكرر هذه العملية عادةً بشكل متكرر أثناء الطيران.

يحتاج الطيار إلى تدريب إضافي، وفي معظم الولايات القضائية، إلى موافقة رسمية قبل السماح له بقيادة الطائرات المجهزة بوحدة التحكم الإلكترونية (CSU). ولا يُسمح بتركيب وحدات التحكم الإلكترونية على الطائرات المعتمدة بموجب لوائح الطائرات الرياضية الخفيفة في الولايات المتحدة.

استخدم عدد من رواد الطيران الأوائل، بمن فيهم إيه في رو ولويس بريغيه ، مراوح قابلة للتعديل أثناء وجود الطائرة على الأرض . ^{[ 3 ]} وكان هذا هو الحال أيضًا خلال الحرب العالمية الأولى مع نموذج تجريبي واحد، "R.30/16" ، من قاذفة القنابل الألمانية الثقيلة ذات الأربع محركات زبلين-ستاكن R.VI. ^{[ 4 ]}

في عام 1919، حصل إل إي باينز على براءة اختراع أول مروحة هوائية متغيرة الخطوة أوتوماتيكياً. ويُنسب الفضل في كندا إلى والاس روبرت تورنبول من سانت جون، نيو برونزويك، كندا، في ابتكار أول مروحة متغيرة الخطوة في عام 1918. ^{[ 5 ]}

عرضت شركة ليفاسور الفرنسية لصناعة الطائرات مروحة متغيرة الخطوة في معرض باريس الجوي عام 1921. وزعمت الشركة أن الحكومة الفرنسية اختبرت الجهاز في رحلة استمرت عشر ساعات، وأنه قادر على تغيير زاوية الخطوة عند أي سرعة دوران للمحرك. ^{[ 6 ]}

حصل الدكتور هنري سيلبي هيلي-شو وتي إي بيتشام على براءة اختراع لمروحة متغيرة الخطوة تعمل بنظام هيدروليكي (تعتمد على مضخة متغيرة الشوط) عام 1924، وقدّما ورقة بحثية حول هذا الموضوع أمام الجمعية الملكية للملاحة الجوية عام 1928؛ إلا أنها قوبلت بتشكيك في جدواها. ^{[ 7 ]} وقد طُوّرت هذه المروحة بالتعاون مع شركة غلوستر للطائرات تحت اسم مروحة غلوستر هيلي-شو بيتشام متغيرة الخطوة، وتمّ عرضها على طائرة غلوستر غريب ، حيث استُخدمت للحفاظ على سرعة دوران ثابتة تقريبًا. ^{[ 8 ]}

أنتجت شركة راتييه الفرنسية مراوح متغيرة الخطوة بتصاميم متنوعة ابتداءً من عام 1928، معتمدةً على منحدر حلزوني خاص مزود بمحمل كروي عند قاعدة الشفرات لتسهيل التشغيل. وقدّم والتر إس هوفر براءة اختراع لمروحة متغيرة الخطوة إلى مكتب براءات الاختراع الأمريكي عام 1934.

جُرِّبت عدة تصاميم، من بينها استخدام كيس صغير من الهواء المضغوط في محور المروحة، لتوفير القوة اللازمة لمقاومة نابض يدفع شفرات المروحة من زاوية ميل دقيقة (للإقلاع) إلى زاوية ميل خشنة (للطيران الأفقي). عند سرعة جوية مناسبة، يضغط قرص في مقدمة غطاء المروحة على صمام تحرير الهواء في الكيس لتخفيف الضغط والسماح للنابض بدفع المروحة إلى زاوية ميل خشنة. زُوِّدت طائرة دي هافيلاند دي إتش 88 كوميت ، الفائزة بسباق ماك روبرتسون الجوي الشهير للمسافات الطويلة عام 1934، وطائرة كودرون سي 460 الفائزة بسباقات الطيران الوطنية عام 1936 ، بقيادة ميشيل ديترويات ، بهذه المراوح الهوائية . تطلّب استخدام هذه المراوح الهوائية ضبط المروحة مسبقًا على زاوية ميل دقيقة قبل الإقلاع. تم ذلك عن طريق ضغط المثانة بمضخة دراجة، ومن هنا جاء اللقب الطريف " Gonfleurs d'hélices " (أولاد نفخ المراوح) الذي أطلق على فنيي صيانة الطائرات الأرضية في فرنسا حتى يومنا هذا. ^{[ 9 ]}

عُرضت مروحة غلوستر هيلي-شو الهيدروليكية في المعرض الدولي للطيران عام 1929 في أولمبيا. شاهدها الأمريكي توم هاميلتون، من شركة هاميلتون لتصنيع الطائرات، وبعد عودته إلى بلاده، حصل على براءة اختراعها هناك. ^{[ 10 ]} وفي قسم هاميلتون ستاندرد التابع لشركة يونايتد إيركرافت ، طوّر المهندس فرانك دبليو كالدويل تصميمًا هيدروليكيًا، مما أدى إلى فوزه بجائزة كولير عام 1933. ^{[ 11 ]} اشترت شركة دي هافيلاند لاحقًا حقوق إنتاج مراوح هاميلتون في المملكة المتحدة، بينما أسست شركتا رولز رويس وبريستول إنجنز شركة روتول البريطانية عام 1937 لإنتاج تصاميمهما الخاصة. كما طوّرت شركة بيير ليفاسور وسميث للهندسة الفرنسية في الولايات المتحدة مراوح ذات زاوية ميل قابلة للتحكم. استخدم وايلي بوست (1898-1935) مراوح سميث في بعض رحلاته.

طوّر والاس تورنبول آلية أخرى تعمل بالكهرباء، وقامت شركة كورتيس-رايت بتحسينها . ^{[ 12 ]} أُجريت أول تجربة لهذه الآلية في 6 يونيو 1927 في معسكر بوردن، أونتاريو، كندا، وحصلت على براءة اختراع عام 1929 ( براءة الاختراع الأمريكية رقم 1,828,348 ). فضّلها بعض الطيارين خلال الحرب العالمية الثانية (1939-1945)، لأنه كان بالإمكان إيقاف تشغيل المروحة حتى عند توقف المحرك . أما في المراوح التي تعمل بالهيدروليك، فكان لا بد من إيقاف تشغيل المروحة قبل فقدان الضغط الهيدروليكي في المحرك، إلا إذا تم تركيب مضخة إيقاف تشغيل كهربائية مخصصة لتوفير ضغط الزيت اللازم لإيقاف تشغيل المروحة.

• مروحة متغيرة الخطوة (بحرية)
• المروحة (علم الطيران)
• مضخة تروس
• الحاكم (الجهاز)
• مروحية على شكل حرف V

• وصف منظم سرعة المروحة الخارجي ( مؤرشف بتاريخ ٢٢ أبريل ٢٠٢١ في أرشيف الإنترنت)
• رسم توضيحي مقطعي لعام 1941 لعملية تشغيل المروحة ذات الخطوة المتغيرة الهيدروماتية على قاذفة القنابل B-24
• مناقشة معاصرة لمزايا المراوح ذات الخطوة المتغيرة في مجلة فلايت عام 1935
• شرح المراوح ذات الميل القابل للتحكم في الرحلة 2 مايو 1935 و 9 مايو 1935