الزاوية ثنائية السطوح (علم الطيران)

في تحليل استقرار الطائرات، يُعد تأثير الزاوية الثنائية أيضًا _مشتقًا للاستقرار يُسمى Cl_{${\displaystyle \beta }$}^{[ ملاحظة 1 ]} بمعنى التغير في معامل عزم الدوران (C_{_l}) ^{[ ملاحظة 2 ]} لكل درجة (أو راديان) من التغير فيزاوية الانزلاق الجانبي(${\displaystyle \beta }$").

يهدف تأثير الزاوية الثنائية إلى المساهمة في استقرار محور الدوران. وهو عامل مهم في استقرار الحركة الحلزونية ، والتي تُسمى أحيانًا "استقرار الدوران". ^{[ ملاحظة 3 ]} لا يُساهم تأثير الزاوية الثنائية بشكل مباشر في استعادة "مستوى الأجنحة"، ولكنه يُساعد بشكل غير مباشر في استعادة "مستوى الأجنحة" من خلال تأثيره على نمط الحركة الحلزونية الموصوف أدناه.

قد يزيد مصممو الطائرات زاوية الانحناء الجانبي لتوفير خلوص أكبر بين أطراف الأجنحة ومدرج الهبوط. ويُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية في الطائرات ذات الأجنحة المائلة ، حيث قد تصطدم أطراف أجنحتها بالمدرج أثناء الدوران أو الهبوط. (تتراوح الأمثلة من طائرة دي هافيلاند DH-4 ثنائية السطح القديمة إلى طائرة إيرباص A380 النفاثة الحديثة ). في الطائرات العسكرية، يُمكن استغلال مساحة زاوية الانحناء الجانبي لتركيب المعدات وخزانات الوقود الإضافية على نقاط التعليق في الأجنحة، لا سيما في الطائرات ذات الأجنحة المنخفضة. وقد يتطلب الأمر تعويض تأثير زيادة زاوية الانحناء الجانبي الناتج عن هذا التصميم، ربما عن طريق تقليل زاوية الانحناء الجانبي في الذيل الأفقي.

في الشكل 2، تُنتج ظروف الانزلاق الجانبي زاوية هجوم أكبر على الجناح الأمامي المائل للأمام وزاوية هجوم أصغر على الجناح الخلفي المائل للخلف. هذا التغير في زاوية الهجوم الناتج عن الانزلاق الجانبي واضح في الشكل 2. وبما أن زاوية الهجوم الأكبر تُنتج قوة رفع أكبر (في الحالة المعتادة، عندما لا يكون الجناح قريبًا من حالة التوقف)، فإن الجناح الأمامي سيحصل على قوة رفع أكبر والجناح الخلفي سيحصل على قوة رفع أقل. هذا الفرق في قوة الرفع بين الجناحين هو عزم دوران، وهو ناتج عن الانزلاق الجانبي. ويُساهم هذا العزم في التأثير الكلي للزاوية الثنائية للطائرة.

يميل عزم الدوران الناتج عن الانزلاق الجانبي (المُشار إليه بـ "P") إلى إعادة الطائرة إلى وضع أفقي. كلما زاد تأثير الزاوية الثنائية، زادت قوة دوران الأجنحة في اتجاه "التسوية"، بينما كلما قلّ، قلّ هذا التأثير. يُساعد تأثير الزاوية الثنائية على استقرار الوضع الحلزوني من خلال زيادة ميل الأجنحة نحو الوضع الأفقي بما يتناسب مع مقدار الانزلاق الجانبي المُتراكم. مع ذلك، هذه ليست الصورة الكاملة. ففي الوقت الذي تتزايد فيه زاوية الانزلاق الجانبي ، يُحاول الزعنفة الرأسية توجيه مقدمة الطائرة عكس اتجاه الريح، تمامًا مثل دوّارة الرياح، مما يُقلل من مقدار الانزلاق الجانبي. إذا لم يكن هناك انزلاق جانبي، فلن يكون هناك عزم دوران مُعيد. وإذا كان الانزلاق الجانبي أقل، فسيكون عزم الدوران المُعيد أقل. يُقاوم استقرار الانعراج الناتج عن الزعنفة الرأسية ميل تأثير الزاوية الثنائية إلى إعادة الأجنحة إلى الوضع الأفقي عن طريق الحد من الانزلاق الجانبي.

النمط الحلزوني هو ميل الطائرة إلى التباعد التدريجي عن مستوى الأجنحة أو العودة التدريجية إليه. إذا كان النمط الحلزوني مستقرًا، ستعود الطائرة تدريجيًا إلى مستوى الأجنحة، أما إذا كان غير مستقر، فستتباعد الطائرة تدريجيًا عن مستوى الأجنحة. يُعد تأثير الزاوية الثنائية واستقرار الانعراج العاملين الرئيسيين المؤثرين على استقرار النمط الحلزوني، مع وجود عوامل أخرى تؤثر عليه بدرجة أقل.

يؤدي انحناء الجناح للخلف أيضًا إلى زيادة تأثير الزاوية الثنائية، بمقدار درجة واحدة تقريبًا من الزاوية الثنائية الفعالة لكل 10 درجات من الانحناء للخلف. ^{[ 4 ]}هذا أحد أسباب التكوين السالب للجناح على الطائرات ذات زاوية الاكتساح العالية، وكذلك على بعض الطائرات التجارية، حتى على الطائرات ذات الأجنحة المنخفضة مثل توبوليف Tu-134 و Tu-154 .

على أي حال، يمكن أن يحدث انحناء الجناح للخلف أيضاً مع تكوين ثنائي السطح. على سبيل المثال، تم تصميم طائرتين صغيرتين ثنائيتي السطح أنتجتهما شركة Bücker Flugzeugbau في ألمانيا من ثلاثينيات القرن العشرين إلى عام 1945، وهما طائرة التدريب Bücker Jungmann ذات المقعدين وطائرة Bücker Jungmeister ثنائية السطح المخصصة لمسابقات الطيران البهلواني ، بانحناء للخلف يبلغ حوالي 11 درجة، مما وفر تأثيراً كبيراً لزاوية ثنائية السطح - بالإضافة إلى أن زوايا ثنائية السطح الصغيرة الخاصة بهما كان لها تأثير مماثل ولكن أقل.

مركز الكتلة ، والذي يُسمى عادةً مركز الثقل ، هو نقطة توازن الطائرة. إذا عُلِّقت الطائرة عند هذه النقطة وسُمح لها بالدوران، فإنها ستكون متوازنة. يُعدّ موقع مركز الثقل من الأمام إلى الخلف ذا أهمية بالغة لاستقرار الطائرة بشكل عام، ولكن لموقعه الرأسي تأثيرات مهمة أيضًا.

يؤثر الموقع الرأسي لمركز الثقل على مقدار تأثير الزاوية الثنائية. فكلما انخفض مركز الثقل الرأسي، ازداد تأثير الزاوية الثنائية. ويعود ذلك إلى أن مركز الرفع والسحب يقع أعلى من مركز الثقل، ما يؤدي إلى زيادة ذراع العزم. وبالتالي، فإن القوى نفسها التي تتغير بتغير الانزلاق الجانبي (القوة الجانبية بشكل أساسي، بالإضافة إلى الرفع والسحب) تُنتج عزمًا أكبر حول مركز ثقل الطائرة. ويُشار إلى هذا أحيانًا بتأثير البندول . ^{[ ملاحظة 5 ]}

يُعدّ المظلة الشراعية مثالاً صارخاً على تأثير مركز الثقل العمودي على تأثير الزاوية الثنائية . فالتأثير الناتج عن مركز الثقل العمودي المنخفض للغاية يُعوّض بشكلٍ كبير التأثير السلبي للزاوية الثنائية الناتج عن الانحناء الشديد للأسفل ^{[ ملاحظة 6 ]} للجناح المنحني بشدة نحو الأسفل.

يؤثر موقع الجناح في الطائرة ذات الأجنحة الثابتة أيضًا على زاوية الانحناء. يوفر تصميم الجناح العلوي زاوية انحناء فعالة تبلغ حوالي 5 درجات مقارنةً بتصميم الجناح السفلي. ^{[ 4 ]}

تتميز الطائرات المقاتلة العسكرية عادةً بزاوية انحناء شبه معدومة أو حتى معدومة، مما يقلل من تأثير الانحناء الثنائي وبالتالي يقلل من استقرار نمط الدوران الحلزوني. وهذا يزيد من القدرة على المناورة، وهو أمر مرغوب فيه في الطائرات المقاتلة.

تُلاحظ زوايا الانحناء السالبة أيضًا في الطائرات ذات الأجنحة المرتفعة، مثل طائرتي الشحن الضخمتين أنتونوف An-124 ولوكهيد C-5 غالاكسي . في هذه التصاميم، يقع الجناح المرتفع فوق مركز ثقل الطائرة، مما يُضفي تأثيرًا إضافيًا للانحناء الثنائي نتيجة لتأثير البندول (المعروف أيضًا بتأثير العارضة )، وبالتالي غالبًا ما تكون زاوية الانحناء الثنائي الإضافية غير ضرورية. قد تُعاني هذه التصاميم من تأثير انحناء ثنائي مفرط، ما يجعلها مستقرة للغاية في الوضع الحلزوني، لذا تُضاف زاوية انحناء سالبة على الجناح لإلغاء جزء من تأثير الانحناء الثنائي، وبالتالي تسهيل مناورة الطائرة.

صُممت معظم الطائرات بأجنحة مستوية ذات زاوية ثنائية بسيطة (أو زاوية سفلية). بعض الطائرات القديمة، مثل بيريف بي-12، صُممت بأجنحة منحنية عند قاعدة الجناح. بينما استخدمت طائرات أخرى، مثل فوغت إف 4 يو كورسير ، تصميم جناح معكوس، مما سمح باستخدام دعامات هبوط أقصر وخلوص أرضي إضافي للمراوح الكبيرة والحمولات الخارجية، مثل خزانات الوقود الخارجية أو القنابل. أما تصاميم الأجنحة متعددة الأوجه الحديثة، فتنحني عادةً لأعلى بالقرب من أطراف الجناح (وتُعرف أيضًا بالزاوية الثنائية الطرفية )، مما يزيد من تأثير الزاوية الثنائية دون زيادة زاوية التقاء الأجنحة عند القاعدة، والتي قد تكون محدودة لتلبية معايير تصميم أخرى.

يُلاحظ وجود الأجنحة متعددة الأوجه في الطائرات الشراعية وبعض الطائرات الأخرى. تُعدّ طائرة ماكدونيل دوغلاس إف-4 فانتوم 2 مثالًا على ذلك، فهي فريدة من نوعها بين الطائرات المقاتلة النفاثة بفضل أطراف أجنحتها ثنائية الأوجه. أُضيفت هذه الميزة بعد أن أظهرت اختبارات الطيران للنموذج الأولي ذي الأجنحة المسطحة الحاجة إلى تصحيح بعض حالات عدم الاستقرار غير المتوقعة في الوضع الحلزوني - وكان تعديل زاوية أطراف الأجنحة، المصممة أصلًا للطيّ لعمليات حاملات الطائرات، حلًا أكثر عملية من إعادة هندسة الجناح بأكمله. ^{[ 5 ]}