دوار المروحية

قام خوان دي لا سيرفا بتطوير الدوار المفصلي بالكامل للطائرة الجيروسكوبية . وقد ساهم تصميمه في تطوير طائرات الهليكوبتر بنجاح. في نظام الدوار المفصلي بالكامل، تُثبّت كل شفرة من شفرات الدوار بمحور الدوار عبر سلسلة من المفصلات التي تسمح للشفرة بالحركة بشكل مستقل عن الشفرات الأخرى. عادةً ما تحتوي أنظمة الدوار هذه على ثلاث شفرات أو أكثر. يُسمح للشفرات بالرفرفة والانحناء والتقدم أو التأخر بشكل مستقل عن بعضها البعض. يسمح المفصل الأفقي، المسمى بمفصل الرفرفة ، للشفرة بالتحرك لأعلى ولأسفل. تُسمى هذه الحركة بالرفرفة، وهي مصممة للتعويض عن عدم تناسق الرفع . قد يقع مفصل الرفرفة على مسافات متفاوتة من محور الدوار، وقد يكون هناك أكثر من مفصل واحد. يسمح المفصل الرأسي، المسمى بمفصل التقدم والتأخر أو مفصل السحب ، للشفرة بالتحرك ذهابًا وإيابًا. تُسمى هذه الحركة بالتقدم والتأخر أو السحب أو التذبذب. تُستخدم المخمدات عادةً لمنع الحركة الزائدة ذهابًا وإيابًا حول مفصل السحب. يتمثل الغرض من مفصل السحب والمخمدات في تعويض التسارع والتباطؤ الناتجين عن اختلاف مقاومة الهواء التي تتعرض لها الشفرات المتقدمة والمتراجعة. وقد تحولت الطرازات اللاحقة من استخدام المحامل التقليدية إلى المحامل المطاطية . تتميز المحامل المطاطية بمقاومتها الطبيعية للأعطال، كما أن تآكلها تدريجي وواضح. في هذا التصميم، تم الاستغناء عن التلامس المعدني المباشر للمحامل القديمة، وعن الحاجة إلى التشحيم. يُطلق على المفصل الثالث في النظام المفصلي بالكامل اسم مفصل الريش حول محور الريش. هذا المفصل مسؤول عن تغيير زاوية ميل شفرات الدوار، والذي يتم تحفيزه عبر إدخال تجريبي إلى وحدة التحكم الجماعية أو الدورية.

يُعد نظام الدوار المرن في المستوى أحد أنواع أنظمة الدوارات المفصلية الكاملة . يوجد هذا النوع من الدوارات في العديد من الطائرات التي تنتجها شركة بيل هليكوبتر، مثل OH-58D كيوا واريور و 429 غلوبال رينجر . تتمتع كل شفرة بالقدرة على الخفقان والتحرك بشكل مستقل عن الشفرات الأخرى، كما هو الحال في الدوارات التي تستخدم مفاصل ميكانيكية، إلا أن الدوار المرن في المستوى يعتمد على المرونة الهيكلية بدلاً من المفاصل الميكانيكية لخفقان الشفرات. في طائرات بيل، تُوفر هذه المرونة بواسطة نير مركب مُثبت على الصاري ويمر عبر مقابض الشفرات بين الشفرات ومحمل القص داخل المقبض. ^{[ 16 ]} ينقل هذا النير جزءًا من حركة إحدى الشفرات إلى الأخرى، وعادةً ما تكون الشفرات المتقابلة. على الرغم من أن هذا النظام ليس مفصليًا بالكامل، إلا أن خصائص الطيران متشابهة جدًا، كما يتم تقليل وقت وتكلفة الصيانة.

يشير مصطلح "الدوار الصلب" عادةً إلى نظام دوار بدون مفصلات ^{[ 17 ] [ 18 ]} ، حيث تكون الشفرات متصلة بمرونة بالمحور. وقد طوّر إيرف كولفر من شركة لوكهيد أحد أوائل الدوارات الصلبة ^{[ 19 ]} ، والذي تم اختباره وتطويره على سلسلة من المروحيات في الستينيات والسبعينيات. في نظام الدوار الصلب، ترفرف كل شفرة وتتحرك حول أجزاء مرنة من جذرها. يتميز نظام الدوار الصلب ببساطته الميكانيكية مقارنةً بنظام الدوار المفصلي بالكامل. يتم استيعاب الأحمال الديناميكية الهوائية والميكانيكية الناتجة عن الرفرفة وقوى التقدم/التأخر من خلال انثناء شفرات الدوار، بدلاً من المفصلات. من خلال الانثناء، تعوّض الشفرات نفسها القوى التي كانت تتطلب سابقًا مفصلات متينة. والنتيجة هي نظام دوار يتميز بتأخر أقل في استجابة التحكم نظرًا لعزم المحور الكبير الذي يتولد عادةً ^{[ 20 ]} . وبالتالي، يُزيل نظام الدوار الصلب خطر اصطدام الصاري المتأصل في الدوارات شبه الصلبة. ^{[ 21 ]}

يُشار إلى الدوّار شبه الصلب أيضًا باسم الدوّار المتأرجح أو الدوّار المتأرجح. يتكون هذا النظام عادةً من شفرتين تلتقيان أسفل مفصل متأرجح مشترك عند عمود الدوّار. يسمح هذا للشفرتين بالتأرجح معًا بحركتين متعاكستين كالميزان . يقلل هذا التأرجح للشفرات أسفل المفصل المتأرجح، بالإضافة إلى زاوية ثنائية السطوح أو زاوية مخروطية مناسبة على الشفرات، من التغيرات في نصف قطر مركز كتلة كل شفرة عن محور الدوران أثناء دوران الدوّار، مما يقلل بدوره من الإجهاد الواقع على الشفرات الناتج عن قوى التقدم والتأخر بسبب تأثير كوريوليس . يمكن أيضًا استخدام مفاصل تأرجح ثانوية لتوفير مرونة كافية لتقليل الارتداد. يتم ضبط زاوية ميل الشفرة بواسطة مفصل الضبط عند جذر الشفرة، مما يسمح بتغيير زاوية ميل الشفرة.

قد تستخدم أنظمة الدوار الحديثة المبادئ المُدمجة لأنظمة الدوار المذكورة أعلاه. تتضمن بعض محاور الدوار محورًا مرنًا، مما يسمح بثني الشفرات دون الحاجة إلى محامل أو مفصلات. تُسمى هذه الأنظمة بالمفاصل المرنة ^{[ 22 ]} ، وعادةً ما تُصنع من مواد مركبة. كما يُمكن استخدام المحامل المطاطية بدلًا من محامل الأسطوانات التقليدية . تُصنع المحامل المطاطية من مادة مطاطية وتوفر حركة محدودة تُناسب تمامًا تطبيقات المروحيات. لا تتطلب المفاصل المرنة والمحامل المطاطية أي تزييت، وبالتالي تتطلب صيانة أقل. كما أنها تمتص الاهتزازات، مما يعني تقليل الإجهاد وإطالة عمر خدمة مكونات المروحية.

تُغيّر أدوات التحكم زاوية ميل شفرات الدوار الرئيسي بشكل دوري أثناء الدوران. يستخدم الطيار هذه الخاصية للتحكم في اتجاه متجه دفع الدوار ، الذي يُحدد الجزء من قرص الدوار الذي يتولد فيه أقصى دفع. يُغيّر نظام الميل الجماعي مقدار دفع الدوار عن طريق زيادة أو تقليل الدفع على كامل قرص الدوار في الوقت نفسه. يتم التحكم في هذه التغييرات في زاوية ميل الشفرات عن طريق إمالة أو رفع أو خفض لوحة التوجيه باستخدام أدوات التحكم في الطيران. تحافظ الغالبية العظمى من المروحيات على سرعة دوران ثابتة (RPM) أثناء الطيران، مما يجعل زاوية هجوم الشفرات الوسيلة الوحيدة لضبط دفع الدوار.

تتكون لوحة التوجيه من قرصين أو لوحين متحدي المركز. يدور أحدهما مع الصاري، متصلًا بوصلات ثابتة، بينما يبقى الآخر ثابتًا. ويرتبط القرص الدوار أيضًا بالشفرات الفردية عبر وصلات ومفاتيح ضبط زاوية الميل. أما القرص الثابت، فيرتبط بوصلات يتم التحكم بها بواسطة أدوات تحكم الطيار، وتحديدًا أدوات التحكم في الحركة الجماعية والدورية. يمكن للوحة التوجيه أن تتحرك رأسيًا وتميل. ومن خلال هذه الحركة، يتحكم القرص الثابت في القرص الدوار، الذي بدوره يتحكم في زاوية ميل كل شفرة على حدة.

توصل عدد من المهندسين، من بينهم آرثر إم. يونغ في الولايات المتحدة الأمريكية وديتر شلوتر، مصمم نماذج الطائرات اللاسلكية في ألمانيا، إلى إمكانية تحقيق استقرار طيران المروحيات باستخدام قضيب تثبيت، أو ما يُعرف بقضيب التوازن. يحتوي قضيب التوازن على ثقل أو مجداف (أو كليهما لزيادة الاستقرار في المروحيات الصغيرة) في كل طرف للحفاظ على مستوى دوران ثابت. ومن خلال وصلات ميكانيكية، يمتزج الدوران المستقر للقضيب مع حركة لوحة التوجيه لتخفيف القوى الداخلية (التوجيه) والخارجية (الرياح) المؤثرة على الدوار. وهذا يُسهّل على الطيار التحكم في الطائرة. وقد توصل ستانلي هيلر إلى طريقة مماثلة لتحسين الاستقرار بإضافة أجنحة قصيرة، أو مجاديف، في كل طرف. ومع ذلك، فإن نظام "روتورماتيك" الذي ابتكره هيلر كان يُرسل أيضًا مدخلات تحكم دورية إلى الدوار الرئيسي كنوع من دوار التحكم، ووفرت المجاديف الاستقرار الإضافي من خلال تخفيف تأثيرات القوى الخارجية على الدوار.

استخدم نظام الدوار من شركة لوكهيد جيروسكوب تحكم، مشابه من حيث المبدأ لقضيب التثبيت من شركة بيل، ولكنه مصمم لتحقيق الاستقرار بدون استخدام اليدين والاستجابة السريعة للتحكم في نظام الدوار بدون مفصلات.

في طائرات الهليكوبتر ذات نظام التحكم الإلكتروني أو نماذج التحكم عن بعد، يمكن استبدال المثبت بوحدة تحكم دقيقة مزودة بمستشعرات جيروسكوبية ومستشعر فنتوري . يتميز هذا التصميم الخالي من قضيب التوازن بسهولة إعادة التكوين وقلة الأجزاء الميكانيكية.

المروحة الذيلية هي مروحة أصغر حجماً مثبتة بحيث تدور عمودياً أو شبه عمودياً في نهاية ذيل المروحية التقليدية ذات المروحة الواحدة. يسمح موقع المروحة الذيلية ومسافتها عن مركز الثقل بتوليد قوة دفع في اتجاه معاكس لدوران المروحة الرئيسية، وبالتالي معادلة عزم الدوران الناتج عن المروحة الرئيسية. تُعد المراوح الذيلية أبسط من المراوح الرئيسية لأنها لا تتطلب سوى تغييرات جماعية في زاوية ميل شفراتها لتغيير قوة الدفع. يمكن للطيار ضبط زاوية ميل شفرات المروحة الذيلية عبر دواسات مقاومة عزم الدوران، والتي توفر أيضاً تحكماً اتجاهياً من خلال السماح للطيار بتدوير المروحية حول محورها الرأسي، وبالتالي تغيير اتجاهها.

فينسترون وفانتيل ^{[ 28 ]} علامتان تجاريتان لمروحة أنبوبية تُركّب في نهاية ذيل المروحية وتُستخدم بدلاً من دوار الذيل. تحتوي المراوح الأنبوبية على ما بين ثمانية وثمانية عشر شفرة مرتبة بتباعد غير منتظم لتوزيع الضوضاء على ترددات مختلفة. يُعدّ غلاف المروحة جزءًا لا يتجزأ من هيكل الطائرة، مما يسمح بسرعة دوران عالية؛ ولذلك، يمكن أن يكون حجم المروحة الأنبوبية أصغر من حجم دوار الذيل التقليدي.

استُخدمت مروحة فينسترون لأول مرة في أواخر الستينيات على النموذج التجريبي الثاني من طائرة سود أفياسيون SA 340، ثم أُنتجت لاحقًا على طراز إيروسباسيال SA 341 غزال . وإلى جانب يوروكوبتر وسابقاتها، استُخدمت مروحة ذيل أنبوبية أيضًا في مشروع المروحية العسكرية الملغي، RAH-66 كومانش التابعة للجيش الأمريكي ، تحت اسم فانتيل.

نظام NOTAR، وهو اختصار لعبارة " بدون دوار ذيل " ، هو نظام مضاد لعزم الدوران في المروحيات، يُلغي استخدام دوار الذيل. على الرغم من أن تطوير هذا المفهوم استغرق بعض الوقت، إلا أن نظام NOTAR بسيط من الناحية النظرية، ويُوفر مقاومة لعزم الدوران بنفس طريقة توليد الجناح للرفع باستخدام تأثير كواندا . ^{[ 29 ]} توجد مروحة متغيرة الميل في الجزء الخلفي من جسم المروحية، مباشرةً أمام ذراع الذيل، وتُدار بواسطة ناقل حركة الدوار الرئيسي. لتوفير القوة الجانبية اللازمة لموازنة عزم الدوران في اتجاه عقارب الساعة الناتج عن دوران الدوار الرئيسي عكس اتجاه عقارب الساعة (كما يُرى من أعلى الدوار الرئيسي)، تدفع المروحة متغيرة الميل هواءً منخفض الضغط عبر فتحتين على الجانب الأيمن من ذراع الذيل، مما يجعل تيار الهواء الهابط من الدوار الرئيسي يلتف حول ذراع الذيل، مُنتجًا رفعًا وبالتالي مقاومة لعزم الدوران تتناسب مع كمية تدفق الهواء الناتج عن تيار الدوار. يتم تعزيز ذلك بواسطة دافع نفاث مباشر يوفر أيضًا تحكمًا في الانعراج الاتجاهي، مع وجود ذيل ثابت السطح بالقرب من نهاية الذيل، يتضمن مثبتات رأسية.

يعود تاريخ تطوير نظام NOTAR إلى عام 1975 عندما بدأ مهندسو شركة هيوز هليكوبترز العمل على تطوير المفهوم. ^{[ 29 ]} في ديسمبر 1981، حلّق هيوز بطائرة OH-6A مزودة بنظام NOTAR لأول مرة. ^{[ 30 ]} وفي مارس 1986، حلّق نموذج أولي تجريبي مُعدّل بشكل كبير لأول مرة، وأكمل بنجاح برنامج اختبار طيران متقدم، مما أثبت صلاحية النظام للتطبيق المستقبلي في تصميم المروحيات. ^{[ 31 ]} يوجد حاليًا ثلاث مروحيات إنتاجية مزودة بتصميم NOTAR، جميعها من إنتاج شركة إم دي هليكوبترز. كما يُحسّن هذا التصميم المضاد لعزم الدوران السلامة من خلال منع احتمال دخول الأفراد إلى مروحة الذيل.

كان هناك سلف (نوعًا ما) لهذا النظام في شكل طائرة الهليكوبتر البريطانية سييرفا دبليو 9 ، وهي طائرة من أواخر الأربعينيات من القرن العشرين تستخدم مروحة التبريد من محركها المكبسي لدفع الهواء عبر فوهة مدمجة في ذيل الطائرة لموازنة عزم الدوران الناتج عن الدوار. ^{[ 32 ]}

قد يُدار الدوار الرئيسي بواسطة نفاثات طرفية. ويمكن تزويد هذا النظام بالهواء المضغوط عالي الضغط بواسطة ضاغط. وقد يُخلط الهواء بالوقود ويُحرق في محركات نفاثة ضاغطة أو نبضية أو صواريخ، أو قد لا يُخلط. ورغم بساطة هذه الطريقة وقدرتها على تجنب رد فعل عزم الدوران، إلا أن النماذج الأولية التي تم بناؤها أقل كفاءة في استهلاك الوقود من المروحيات التقليدية. وباستثناء النفاثات الطرفية التي تُدار بالهواء المضغوط غير المحترق، تُعد مستويات الضوضاء العالية جدًا السبب الرئيسي لعدم انتشار المراوح التي تعمل بالنفاثات الطرفية على نطاق واسع. ومع ذلك، لا تزال الأبحاث جارية حول كبح الضوضاء، وقد تُسهم في جعل هذا النظام قابلاً للتطبيق.

توجد عدة أمثلة على طائرات مروحية تعمل بمحركات نفاثة طرفية. كانت طائرة بيرسيفال P.74 ضعيفة المحرك ولم تتمكن من الطيران. أما طائرة هيلر YH-32 هورنت، فكانت تتمتع بقدرة رفع جيدة، لكن أداءها كان ضعيفًا في جوانب أخرى. استخدمت طائرات أخرى دفعًا مساعدًا للطيران الانتقالي، بحيث يمكن إيقاف تشغيل المحركات النفاثة الطرفية أثناء دوران الدوار ذاتيًا. وقد حلقت طائرات فيري جيت جيروداين التجريبية، ونماذج فيري روتوداين الأولية للركاب ذات 48 مقعدًا، وطائرات ماكدونيل XV-1 الجيروسكوبية المركبة بشكل جيد باستخدام هذه الطريقة. ولعلّ التصميم الأكثر غرابة من هذا النوع هو طائرة روتاري روكيت روتون ATV ، التي صُممت في الأصل للإقلاع باستخدام دوار مزود بمحرك صاروخي طرفي. استخدمت طائرة سود-أويست دجين الفرنسية هواءً مضغوطًا غير محترق لتشغيل الدوار، مما قلل الضوضاء وساعدها على أن تصبح المروحية الوحيدة ذات الدوار المدفوع بمحرك نفاث طرفي التي دخلت مرحلة الإنتاج. كما امتلكت طائرة هيوز XH-17 دوارًا مدفوعًا بمحرك نفاث طرفي، وهو لا يزال أكبر دوار تم تركيبه على مروحية على الإطلاق.

تتكون المروحيات ذات الدوارين المتتاليين من دوارين رئيسيين أفقيين مثبتين أحدهما خلف الآخر. وتُحقق هذه المروحيات تغييرات في زاوية الميل لتسريعها وإبطائها من خلال عملية تُسمى الميل الدوري. وللميل للأمام والتسارع، يزيد كلا الدوارين من زاوية الميل في الخلف ويقللها في الأمام (دوري)، مع الحفاظ على عزم الدوران متساوياً على كلا الدوارين. أما الطيران الجانبي فيتم عن طريق زيادة زاوية الميل على جانب واحد وتقليلها على الجانب الآخر. ويتم التحكم في الانعراج من خلال الميل الدوري المعاكس في كل دوار. وللانعطاف يميناً، يميل الدوار الأمامي يميناً ويميل الدوار الخلفي يساراً. وللانعطاف يساراً، يميل الدوار الأمامي يساراً ويميل الدوار الخلفي يميناً. وتساهم قوة جميع الدوارات في توليد قوة الرفع، مما يُسهل التعامل مع تغييرات مركز الثقل في الاتجاه الأمامي-الخلفي. ومع ذلك، يتطلب ذلك تكلفة دوارين كبيرين بدلاً من الدوار الرئيسي الكبير الأكثر شيوعاً ودوار الذيل الأصغر حجماً. وتُعد مروحية بوينغ CH-47 شينوك أكثر المروحيات ذات الدوارين المتتاليين شيوعاً.

تُركّب المراوح المستعرضة على أطراف الأجنحة أو الدعامات الخارجية بشكل عمودي على جسم الطائرة. وكما هو الحال في المراوح المزدوجة والمتداخلة، تستخدم المراوح المستعرضة أيضًا تغيير زاوية ميل الشفرات الجماعية. ولكن، كما هو الحال في المراوح المتداخلة، تستخدم المراوح المستعرضة هذا المفهوم لتغيير زاوية دوران الطائرة. يوجد هذا التصميم في اثنتين من أوائل المروحيات العملية، وهما فوك وولف إف دبليو 61 وفوك أشجليس إف إيه 223 ، بالإضافة إلى أكبر مروحية بُنيت في العالم على الإطلاق، وهي ميل مي-12 . وهو أيضًا التصميم الموجود في الطائرات ذات المراوح القابلة للإمالة مثل بيل بوينغ في-22 أوسبري وأغستاوستلاند إيه دبليو 609 .

الدوارات المحورية عبارة عن زوج من الدوارات مثبتة فوق بعضها البعض على نفس العمود وتدور في اتجاهين متعاكسين. وتكمن ميزة الدوار المحوري في أنه أثناء الطيران الأمامي، يعوض الرفع الناتج عن النصف المتقدم من كل دوار الرفع الناتج عن النصف المتراجع من الدوار الآخر، مما يلغي أحد الآثار الرئيسية لعدم تناظر الرفع: وهو توقف الشفرة المتراجعة . ومع ذلك، فإن هناك اعتبارات تصميمية أخرى تعيق الدوارات المحورية. فهناك تعقيد ميكانيكي متزايد لنظام الدوار لأنه يتطلب وصلات وألواح توجيه لنظامي الدوار. كذلك، ولأن الدوارات يجب أن تدور في اتجاهين متعاكسين، فإن الصاري يكون أكثر تعقيدًا، ويجب أن تمر وصلات التحكم لتغيير زاوية ميل الشفرات في نظام الدوار العلوي عبر نظام الدوار السفلي.

ومن الأمثلة على التصميم المحوري في المروحية المركبة طائرة سيكورسكي سكاي رايدر إكس ، التي كانت تحتوي أيضًا على مروحة دافعة في الخلف. ^{[ 33 ]}

تُعرف المراوح المتشابكة في المروحية بأنها مجموعة من دوارين يدوران في اتجاهين متعاكسين، حيث يُثبّت كل عمود دوار على المروحية بزاوية طفيفة بالنسبة للآخر، مما يسمح بتشابك الشفرات دون اصطدام. يُشار إلى هذا التصميم أحيانًا باسم "المروحية المتزامنة". تتميز المراوح المتشابكة بثباتها العالي وقدرتها الفائقة على الرفع. وقد طُوّر هذا التصميم لأول مرة في ألمانيا النازية عام 1939 مع تصميم أنطون فليتنر الناجح Fl 265 ، ثم طُرح لاحقًا في إنتاج محدود تحت اسم Flettner Fl 282 Kolibri الناجح ، والذي استخدمته البحرية الألمانية (كريغسمارين ) بأعداد قليلة (24 طائرة فقط) كمروحية تجريبية خفيفة مضادة للغواصات . خلال الحرب الباردة ، أنتجت شركة كامان الأمريكية للطائرات مروحية HH-43 Huskie لصالح القوات الجوية الأمريكية في مهام مكافحة الحرائق والإنقاذ. أما أحدث طرازات كامان، وهو Kaman K-MAX ، فهو تصميم مخصص للرافعات الجوية.