تاريخ الديناميكا الهوائية

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة

ملصق لوزارة إنتاج الطائرات حول الديناميكا الهوائية

الديناميكا الهوائية هي فرع من فروع الديناميكا يهتم بدراسة حركة الهواء . وهي مجال فرعي من ديناميكا الموائع والغازات ، وغالبًا ما يُستخدم مصطلح "الديناميكا الهوائية" عند الإشارة إلى ديناميكا الموائع.

تعود أقدم السجلات للمفاهيم الأساسية للديناميكا الهوائية إلى أعمال أرسطو وأرخميدس في القرنين الثاني والثالث قبل الميلاد، إلا أن الجهود المبذولة لتطوير نظرية كمية لتدفق الهواء لم تبدأ إلا في القرن الثامن عشر. في عام ١٧٢٦، أصبح إسحاق نيوتن أحد أوائل علماء الديناميكا الهوائية بالمعنى الحديث عندما وضع نظرية مقاومة الهواء التي تم التحقق منها لاحقًا عند سرعات التدفق المنخفضة. أجرى الباحثون تجارب على مقاومة الهواء طوال القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، بمساعدة بناء أول نفق هوائي في عام ١٨٧١. في كتابه "الهيدروديناميكا" الصادر عام ١٧٣٨ ، وصف دانيال برنولي علاقة أساسية بين الضغط والسرعة والكثافة، والتي تُعرف الآن بمبدأ برنولي ، والذي يُقدم إحدى طرق تفسير قوة الرفع .

سعت الدراسات في مجال الديناميكا الهوائية طوال القرن التاسع عشر إلى تحقيق الطيران بأجسام أثقل من الهواء . طوّر جورج كايلي مفهوم الطائرة الحديثة ذات الأجنحة الثابتة عام ١٧٩٩، وحدّد بذلك القوى الأساسية الأربع للطيران: الرفع ، والدفع ، والسحب ، والوزن . مهّد تطوير تنبؤات معقولة للدفع اللازم للطيران، بالتزامن مع تطوير أجنحة ذات رفع عالٍ وسحب منخفض، الطريق لأول رحلة طيران بمحرك. في ١٧ ديسمبر ١٩٠٣، حلّق ويلبر وأورفيل رايت بأول طائرة ناجحة بمحرك. أدّت هذه الرحلة، وما حظيت به من شهرة، إلى تعاون أكثر تنظيمًا بين الطيارين وخبراء الديناميكا الهوائية، مما مهّد الطريق للديناميكا الهوائية الحديثة.

تزامنت التطورات النظرية في الديناميكا الهوائية مع التطورات العملية. فقد وُجد أن العلاقة التي وصفها برنولي لا تنطبق إلا على التدفقات غير القابلة للانضغاط وغير اللزجة. وفي عام ١٧٥٧، نشر ليونارد أويلر معادلات أويلر ، موسعًا بذلك مبدأ برنولي ليشمل نظام التدفق القابل للانضغاط. وفي أوائل القرن التاسع عشر، أدى تطوير معادلات نافيير-ستوكس إلى توسيع معادلات أويلر لتشمل تأثيرات اللزوجة . وخلال فترة الرحلات الجوية الأولى، وضع العديد من الباحثين نظريات مستقلة تربط دوران التدفق بالرفع. وكان لودفيج براندتل من أوائل من درسوا الطبقات الحدية في تلك الفترة.

من العصور القديمة إلى القرن التاسع عشر

رسم لتصميم آلة طائرة من تصميم ليوناردو دافنشي (حوالي 1488). كانت هذه الآلة من نوع أورنيثوبتر ، ذات أجنحة خافقة تشبه أجنحة الطيور، وقد عُرضت لأول مرة في كتابه "مخطوطة عن طيران الطيور" عام 1505.

الأسس النظرية

على الرغم من أن النظرية الحديثة لعلم الديناميكا الهوائية لم تظهر إلا في القرن الثامن عشر، إلا أن أسسها بدأت تتبلور في العصور القديمة. يعود أصل فرضية الاستمرارية الأساسية في الديناميكا الهوائية إلى كتاب أرسطو " رسالة في السماء" ، مع أن أرخميدس ، الذي عاش في القرن الثالث قبل الميلاد، كان أول من أكد رسميًا إمكانية التعامل مع المائع كوسط متصل. [ 1 ] كما قدم أرخميدس مفهوم أن تدفق المائع مدفوع بتدرج الضغط داخله. [ 2 ] [ 3 ] وقد أثبتت هذه الفكرة لاحقًا أهميتها البالغة في فهم تدفق الموائع.

في عام 1687، قدم نيوتن في كتابه " الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية" قوانين نيوتن للحركة ، وهو أول منهج نظري شامل لفهم الظواهر الميكانيكية. وعلى وجه الخصوص، يُعد قانون نيوتن الثاني ، الذي ينص على حفظ كمية الحركة ، أحد المبادئ الفيزيائية الأساسية الثلاثة المستخدمة في اشتقاق معادلات أويلر ومعادلات نافيير-ستوكس .

في عام 1738، نشر عالم الرياضيات الهولندي السويسري دانيال برنولي كتابه "الهيدروديناميكا " ، الذي وصف فيه العلاقة الأساسية بين الضغط والسرعة، والمعروفة اليوم بمبدأ برنولي . [ 4 ] ينص هذا المبدأ على أن ضغط المائع المتدفق يتناقص مع ازدياد سرعته، وقد شكّل بذلك تقدماً مبكراً هاماً في نظرية ديناميكا الموائع ، وتمّ تحديده كمياً لأول مرة في معادلة اشتقها ليونارد أويلر . [ 5 ] تربط هذه المعادلة، التي تُعرف غالباً باسم معادلة برنولي ، بين الضغط والكثافة والسرعة عند نقطتين على طول خط انسيابي داخل مائع متدفق كما يلي:

v122+ص1ρ=v222+ص2ρ{\displaystyle {v_{1}^{2} \over 2}+{p_{1} \over \rho }={v_{2}^{2} \over 2}+{p_{2} \over \rho }}

تتجاهل معادلة برنولي انضغاطية المائع، بالإضافة إلى تأثيرات الجاذبية وقوى اللزوجة على التدفق. وفي عام ١٧٥٧، نشر ليونارد أويلر معادلات أويلر ، التي تُعدّ صالحةً لكلٍّ من التدفقات القابلة للانضغاط وغير القابلة للانضغاط. وفي النصف الأول من القرن التاسع عشر، جرى توسيع معادلات أويلر لتشمل تأثيرات اللزوجة، مما أدى إلى ظهور معادلات نافيير-ستوكس .

دراسات مقاومة الهواء

رسم لطائرة شراعية من تصميم السير جورج كايلي ، وهي إحدى المحاولات المبكرة لإنشاء شكل ديناميكي هوائي.

كان تأثير الهواء المُبطئ لحركة الأجسام المتحركة من أوائل الظواهر الديناميكية الهوائية التي دُرست. كتب أرسطو عن مقاومة الهواء في القرن الرابع قبل الميلاد، [ 3 ] لكنه افتقر إلى الفهم الكافي لتحديد مقدار المقاومة التي لاحظها. في الواقع، اقترح أرسطو، على نحوٍ مُتناقض، أن حركة الهواء حول رمحٍ مُقذوف تُقاوم حركته وتدفعه للأمام في آنٍ واحد. [ 6 ] في القرن الخامس عشر، نشر ليوناردو دافنشي مخطوطة ليستر ، التي رفض فيها نظرية أرسطو وحاول إثبات أن التأثير الوحيد للهواء على جسمٍ مُقذوف هو مُقاومة حركته، [ 7 ] وأن مقاومة الهواء تتناسب طرديًا مع سرعة التدفق، وهو استنتاج خاطئ أيدته ملاحظات غاليليو في القرن السابع عشر حول اضمحلال حركة البندول. [ 3 ] بالإضافة إلى عمله على السحب، كان دافنشي أول من دوّن عددًا من الأفكار الديناميكية الهوائية، بما في ذلك وصفه الصحيح لدوران الدوامات ومبدأ الاستمرارية كما هو مُطبق على تدفق القنوات. [ 3 ]

أثبت إدمي ماريوت وكريستيان هيغنز ، وكلاهما عضوان في أكاديمية العلوم بباريس، تجريبياً وبشكل مستقل في أواخر القرن السابع عشر، العلاقة التربيعية الحقيقية بين مقاومة الهواء والسرعة. [ 8 ] وفي وقت لاحق، أصبح السير إسحاق نيوتن أول من استنتج نظرياً هذه العلاقة التربيعية لمقاومة الهواء في أوائل القرن الثامن عشر، [ 9 ] مما جعله أحد أوائل علماء الديناميكا الهوائية النظرية. ذكر نيوتن أن مقاومة الهواء تتناسب طردياً مع أبعاد الجسم، وكثافة المائع، ومربع سرعة الهواء، وهي علاقة ثبتت صحتها عند سرعات التدفق المنخفضة، لكنها تعارضت بشكل مباشر مع نتائج غاليليو السابقة. ولم يُحل التناقض بين أعمال نيوتن وماريوت وهيغنز، وأعمال غاليليو السابقة، إلا مع التقدم في نظرية التدفق اللزج في القرن العشرين.

كما وضع نيوتن قانونًا لقوة السحب على صفيحة مسطحة مائلة باتجاه تدفق المائع. وباستخدام F لقوة السحب، و ρ للكثافة، وS لمساحة الصفيحة المسطحة، وV لسرعة التدفق، و θ لزاوية الهجوم، تم التعبير عن قانونه على النحو التالي:

F=ρSV2الخطيئة2⁡(θ){\displaystyle F=\rho SV^{2}\sin ^{2}(\theta )}

تُبالغ هذه المعادلة في تقدير مقاومة الهواء في معظم الحالات، وكثيراً ما استُخدمت في القرن التاسع عشر للقول باستحالة الطيران البشري. [ 3 ] عند زوايا الميل المنخفضة، تعتمد مقاومة الهواء خطياً على جيب الزاوية، وليس تربيعياً. مع ذلك، يُعطي قانون نيوتن لمقاومة الهواء على الصفائح المسطحة تنبؤات معقولة لمقاومة الهواء في التدفقات فوق الصوتية أو الصفائح الرقيقة جداً عند زوايا الميل الكبيرة التي تؤدي إلى انفصال التدفق. [ 10 ] [ 11 ]

أجرى الباحثون تجارب مقاومة الهواء طوال القرنين الثامن عشر والتاسع عشر. وطوّر جان لو رون دالمبير [ 12 ] ، وغوستاف كيرشوف [ 13 ] ، واللورد رايلي [ 14 ] نظريات السحب . كما وضع كلود لويس نافييه [ 15 ] وجورج غابرييل ستوكس [ 16 ] معادلات تدفق الموائع مع الاحتكاك . ولمحاكاة تدفق الموائع، تضمنت العديد من التجارب غمر الأجسام في تيارات مائية أو إسقاطها من أعلى مبنى شاهق. وفي أواخر تلك الفترة، استخدم غوستاف إيفل برج إيفل للمساعدة في اختبارات إسقاط الألواح المسطحة.

تُعدّ طريقة وضع جسم ما داخل تيار هواء اصطناعي منتظم، حيث تكون السرعة معلومة، طريقةً أكثر دقةً لقياس المقاومة. وكان فرانسيس هربرت وينهام أول من أجرى تجارب بهذه الطريقة ، حيث بنى أول نفق هوائي عام 1871. وكان وينهام أيضًا عضوًا في أول منظمة مهنية مُخصصة لعلم الطيران، وهي الجمعية الملكية للملاحة الجوية في المملكة المتحدة . تكون الأجسام الموضوعة في نماذج الأنفاق الهوائية أصغر حجمًا في الغالب من نظيراتها في الواقع، لذا كانت هناك حاجة إلى طريقة لربط النماذج المصغرة بنظيراتها الحقيقية. وقد تحقق ذلك باختراع أوزبورن رينولدز لرقم رينولدز عديم الأبعاد . [ 17 ] كما أجرى رينولدز تجارب على انتقال التدفق من الصفائحي إلى المضطرب عام 1883.

يُعرض نموذج طبق الأصل لنفق الرياح الذي صممه الأخوان رايت في مركز فرجينيا للطيران والفضاء. وكانت أنفاق الرياح عنصراً أساسياً في تطوير قوانين الديناميكا الهوائية والتحقق من صحتها.

التطورات في مجال الطيران

بدأ السير جورج كايلي عمله في مجال الديناميكا الهوائية منذ عام 1796 على الأقل، حين صنع نموذجًا لطائرة هليكوبتر، [ 18 ] وحتى وفاته عام 1857، ويُنسب إليه الفضل في كونه أول من حدد القوى الديناميكية الهوائية الأربع للطيران - الوزن ، والرفع ، والسحب ، والدفع - والعلاقات فيما بينها. [ 19 ] [ 20 ] كما يُنسب إليه الفضل في كونه أول من طور مفهوم الطائرة الحديثة ذات الجناح الثابت؛ فعلى الرغم من أن ملاحظات دافنشي تحتوي على رسومات ووصف لآلة طيران ذات جناح ثابت أثقل من الهواء، إلا أن ملاحظاته كانت غير منظمة ومتناثرة بعد وفاته، ولم يُعاد اكتشاف إنجازاته في الديناميكا الهوائية إلا بعد أن تجاوزت التكنولوجيا بكثير ما توصل إليه دافنشي. [ 21 ]

بحلول أواخر القرن التاسع عشر، تم تحديد مشكلتين قبل أن يصبح الطيران بأجسام أثقل من الهواء ممكناً. تمثلت الأولى في ابتكار أجنحة ديناميكية هوائية ذات مقاومة منخفضة وقوة رفع عالية. أما المشكلة الثانية فكانت كيفية تحديد الطاقة اللازمة للطيران المستدام. خلال هذه الفترة، وُضعت الأسس لعلم ديناميكا الموائع والديناميكا الهوائية الحديث، بينما قام هواة آخرون، أقل ميلاً إلى العلوم، بتجربة آلات طيران مختلفة، ولكن دون جدوى تُذكر.

في عام ١٨٨٤، بدأ جون ج. مونتغمري ، وهو أمريكي متخصص في الفيزياء، تجاربه على تصميم الطائرات الشراعية. باستخدام طاولة مائية ذات مياه متداولة وغرفة دخان، بدأ بتطبيق فيزياء ديناميكا الموائع لوصف حركة التدفق فوق الأسطح المنحنية مثل الأجنحة. [ ٢٢ ] في عام ١٨٨٩، أصبح تشارلز رينارد ، وهو مهندس طيران فرنسي، أول من تنبأ بشكل معقول بالقوة اللازمة للطيران المستدام. [ ٢٣ ] استكشف رينارد والفيزيائي الألماني هيرمان فون هيلمهولتز حمولة الجناح (نسبة الوزن إلى مساحة الجناح) للطيور، وخلصا في النهاية إلى أن البشر لا يستطيعون الطيران بقوتهم الذاتية عن طريق تثبيت أجنحة على أذرعهم. كان أوتو ليلينتال ، متتبعًا عمل السير جورج كايلي، أول من حقق نجاحًا كبيرًا في رحلات الطائرات الشراعية. اعتقد ليلينتال أن الأجنحة الرقيقة والمنحنية ستنتج قوة رفع عالية ومقاومة منخفضة.

قدّم كتاب أوكتاف شانوت الصادر عام 1893 بعنوان " التقدم في آلات الطيران " عرضاً شاملاً لجميع الأبحاث المعروفة التي أُجريت حول العالم حتى ذلك الحين. [ 24 ] وقد شكّل كتاب شانوت مرجعاً قيماً للمهتمين بديناميكا الهواء وآلات الطيران.

بفضل المعلومات الواردة في كتاب شانوت، وبمساعدته الشخصية، والأبحاث التي أجراها الأخوان رايت في نفق الرياح الخاص بهما، اكتسبا معرفة كافية بديناميكا الهواء مكّنتهما من تحليق أول طائرة بمحرك في 17 ديسمبر 1903. وقد أكدت رحلة الأخوين رايت أو نفّت عددًا من نظريات ديناميكا الهواء، حيث ثبت خطأ نظرية نيوتن لقوة السحب. وأدت هذه الرحلة الأولى، التي حظيت بتغطية إعلامية واسعة، إلى جهد أكثر تنظيمًا بين الطيارين والعلماء، مما مهّد الطريق لعلم ديناميكا الهواء الحديث.

خلال فترة الرحلات الأولى، وضع كلٌ من جون ج. مونتغمري [ 25 ] ، وفريدريك و. لانشستر [ 26 ] ، ومارتن كوتا ، ونيكولاي جوكوفسكي، بشكل مستقل، نظريات تربط دوران تدفق المائع بالرفع. وواصل كوتا وجوكوفسكي تطوير نظرية الجناح ثنائية الأبعاد. وبناءً على عمل لانشستر، يُنسب إلى لودفيج براندتل الفضل في تطوير الرياضيات [ 27 ] الكامنة وراء نظريات الجنيح الرقيق وخط الرفع، بالإضافة إلى عمله في مجال الطبقات الحدية . وقد درّس براندتل، الأستاذ بجامعة غوتنغن ، العديد من الطلاب الذين لعبوا أدوارًا مهمة في تطوير الديناميكا الهوائية، مثل ثيودور فون كارمان وماكس مونك .

مشاكل التصميم مع تزايد السرعة

تُعدّ قابلية الانضغاط عاملاً مهماً في الديناميكا الهوائية. عند السرعات المنخفضة، لا تُشكّل قابلية انضغاط الهواء أهمية تُذكر في تصميم الطائرات ، ولكن مع اقتراب تدفق الهواء من سرعة الصوت أو تجاوزها ، تبرز مجموعة من التأثيرات الديناميكية الهوائية الجديدة التي تُصبح ذات أهمية بالغة في تصميم الطائرات. هذه التأثيرات، التي غالباً ما تتداخل مع بعضها البعض، جعلت من الصعب للغاية على طائرات حقبة الحرب العالمية الثانية الوصول إلى سرعات تتجاوز 800  كم/ساعة (500  ميل/ساعة).

تشمل بعض التأثيرات الطفيفة تغييرات في تدفق الهواء تؤدي إلى مشاكل في التحكم. على سبيل المثال، واجهت طائرة P-38 Lightning، ذات الجناح السميك عالي الرفع، مشكلة خاصة في الغطسات عالية السرعة، مما أدى إلى حالة انخفاض مقدمة الطائرة، والتي عُرفت لاحقًا باسم " انخفاض ماخ" . كان الطيارون يدخلون في الغطسات، ثم يجدون أنهم لم يعودوا قادرين على التحكم في الطائرة التي استمرت في الانخفاض. تم حل المشكلة بإضافة "رفرف غطس" إلى السطح السفلي للجناح. أدى ذلك إلى زيادة السحب وتغيير نمط التدفق حول سطح الجناح بشكل ملحوظ. [ 28 ]

واجهت بعض طرازات طائرة سوبرمارين سبيتفاير مشكلة مماثلة . فعند السرعات العالية، كانت الجنيحات تُطبّق عزم دوران يفوق قدرة أجنحة الطائرة الرقيقة على تحمّله، ما يؤدي إلى التواء الجناح بأكمله في الاتجاه المعاكس. هذا يعني أن الطائرة كانت تدور في الاتجاه المعاكس لما قصده الطيار، ما تسبب في عدد من الحوادث. لم تكن الطرازات السابقة سريعة بما يكفي لتُشكّل هذه المشكلة، لذا لم تُلاحظ إلا مع ظهور طرازات لاحقة من سبيتفاير مثل Mk.IX. وقد تمّ التخفيف من حدّة هذه المشكلة بإضافة صلابة التوائية كبيرة للأجنحة، وتمّ حلّها نهائيًا مع طرح طراز Mk.XIV.

واجهت طائرتا ميسرشميت بي إف 109 وميتسوبيشي زيرو مشكلة معاكسة تمامًا، حيث أصبحت أدوات التحكم غير فعالة. عند السرعات العالية، لم يتمكن الطيار من تحريك أدوات التحكم بسبب تدفق الهواء الكثيف فوق أسطحها. أصبحت المناورة بالطائرتين صعبة، وعند سرعات عالية بما يكفي، تفوقت عليهما طائرات أخرى لا تعاني من هذه المشكلة في المناورة.

تم حل هذه المشاكل في نهاية المطاف مع وصول الطائرات النفاثة إلى سرعات فوق صوتية وفوق صوتية . أجرى علماء ألمان خلال الحرب العالمية الثانية تجارب على الأجنحة المائلة . طُبقت أبحاثهم على طائرات ميغ-15 وإف -86 سابر ، كما استخدمت قاذفات مثل بي-47 ستراتوجيت أجنحة مائلة تؤخر ظهور الموجات الصدمية وتقلل من مقاومة الهواء.

للحفاظ على التحكم عند سرعات قريبة من سرعة الصوت وما فوقها، غالباً ما يكون من الضروري استخدام إما أسطح ذيل متحركة تعمل بالطاقة ( مثبتات )، أو أجنحة دلتا مزودة بأسطح توجيه تعمل بالطاقة . يمنع التشغيل بالطاقة قوى الديناميكا الهوائية من التغلب على مدخلات تحكم الطيارين.

أخيرًا، من المشاكل الشائعة الأخرى التي تندرج ضمن هذه الفئة مشكلة الارتعاش . عند سرعات معينة، يصبح تدفق الهواء فوق أسطح التحكم مضطربًا، فتبدأ هذه الأسطح بالارتعاش. إذا كانت سرعة الارتعاش قريبة من توافقية حركة التحكم، فقد يؤدي الرنين إلى تعطيل التحكم تمامًا. كانت هذه مشكلة خطيرة في طائرتي زيرو وفي إل ميرسكي . عند ظهور مشاكل ضعف التحكم عند السرعات العالية لأول مرة، تم معالجتها بتصميم نمط جديد من أسطح التحكم ذات قدرة أكبر. مع ذلك، أدى هذا إلى ظهور نمط رنين جديد، وفُقد عدد من الطائرات قبل اكتشافه. في تصميم طائرة في إل ميرسكي، تمت مواجهة هذه المشكلة بزيادة صلابة ووزن الجناح، مما زاد من تخميد التذبذب التوافقي، الأمر الذي أثر سلبًا على الأداء إلى حد ما.

كثيرًا ما تُذكر هذه التأثيرات مجتمعةً مع مصطلح "الانضغاطية"، ولكن استخدامها هنا غير دقيق. فمن وجهة نظر الديناميكا الهوائية البحتة، ينبغي أن يشير المصطلح فقط إلى تلك التأثيرات الجانبية الناجمة عن تغيرات تدفق الهواء من سائل غير قابل للانضغاط (يشبه الماء في تأثيره) إلى سائل قابل للانضغاط (يتصرف كغاز) عند الاقتراب من سرعة الصوت. وهناك تأثيران رئيسيان: مقاومة الأمواج ورقم ماخ الحرج .

مقاومة الموجة هي زيادة مفاجئة في مقاومة الهواء المؤثرة على الطائرة، نتيجة لتراكم الهواء أمامها. عند السرعات المنخفضة، يكون لدى هذا الهواء متسع من الوقت للابتعاد، مسترشداً بالهواء الملامس للطائرة. لكن عند سرعة الصوت، يصبح هذا الأمر مستحيلاً، فيصطدم الهواء الذي كان يتبع خط الانسياب حول الطائرة بها مباشرةً. وتتطلب هذه المقاومة طاقة هائلة للتغلب عليها. يُعرف رقم ماخ الحرج بأنه السرعة التي يصبح عندها جزء من الهواء المار فوق جناح الطائرة أسرع من الصوت.

عند سرعة الصوت، يتغير توليد قوة الرفع بشكل جذري، من خضوعها لمبدأ برنولي إلى قوى ناتجة عن موجات الصدمة . ولأن الهواء على سطح الجناح يتحرك بسرعة أكبر من الهواء على سطحه السفلي، بفعل تأثير برنولي، فإنه عند سرعات قريبة من سرعة الصوت، يتسارع الهواء على سطح الجناح إلى سرعة تفوق سرعة الصوت. وعند حدوث ذلك، يتغير توزيع قوة الرفع بشكل كبير، مما يؤدي عادةً إلى انخفاض حاد في مقدمة الطائرة. ولأن الطائرة لا تصل عادةً إلى هذه السرعات إلا أثناء الغطس، فإن الطيارين يبلغون عن محاولة الطائرة الهبوط المفاجئ على الأرض.

يمتص التفكك كمية كبيرة من الطاقة في عملية قابلة للانعكاس. وهذا يُقلل بشكل كبير من درجة الحرارة الديناميكية الحرارية للغاز فائق السرعة المُتباطئ بالقرب من مركبة فضائية. في المناطق الانتقالية، حيث يكون هذا التفكك المُعتمد على الضغط غير مكتمل، تزداد كل من السعة الحرارية التفاضلية عند ضغط ثابت ونسبة بيتا (نسبة فرق الحجم إلى الضغط) بشكل كبير. وللنسبة الأخيرة تأثير واضح على ديناميكا الهواء للمركبة، بما في ذلك استقرارها.

أسرع من الصوت – أواخر القرن العشرين

مع ازدياد سرعة الطائرات، أدرك علماء الديناميكا الهوائية أن كثافة الهواء تتغير عند اصطدامه بجسم ما، مما أدى إلى تقسيم تدفق الموائع إلى نظامين: غير قابل للانضغاط وقابل للانضغاط . في الديناميكا الهوائية القابلة للانضغاط، تتغير الكثافة والضغط معًا، وهو أساس حساب سرعة الصوت . كان نيوتن أول من وضع نموذجًا رياضيًا لحساب سرعة الصوت، لكنه لم يكن دقيقًا حتى أخذ بيير سيمون لابلاس في الحسبان السلوك الجزيئي للغازات وقدم نسبة السعة الحرارية . سُميت نسبة سرعة التدفق إلى سرعة الصوت برقم ماخ نسبةً إلى إرنست ماخ ، الذي كان من أوائل من درسوا خصائص التدفق فوق الصوتي ، مستخدمًا تقنيات تصوير شليرين لتصوير تغيرات الكثافة. طور ماكورن رانكين وبيير هنري هوغونيو، بشكل مستقل، نظرية خصائص التدفق قبل وبعد الموجة الصدمية . قاد جاكوب أكيريت العمل الأولي على حساب قوى الرفع والسحب على جناح طائرة فوق صوتية. [ 29 ] قدّم ثيودور فون كارمان وهيو لاتيمر درايدن مصطلح "السرعة فوق الصوتية" لوصف سرعات التدفق حول سرعة ماخ 1 حيث تزداد مقاومة الهواء بسرعة. ونظرًا لزيادة مقاومة الهواء عند الاقتراب من سرعة ماخ 1، اختلف علماء الديناميكا الهوائية والطيارون حول إمكانية تحقيق الطيران فوق الصوتي.

صورة توضح موجات الصدمة الناتجة عن مركبة الأبحاث فائقة السرعة X-43A التابعة لناسا أثناء طيرانها بسرعة ماخ 7، والتي تم إنشاؤها باستخدام خوارزمية ديناميكيات الموائع الحسابية .

في 30 سبتمبر 1935، عُقد مؤتمر فولتا في روما لمناقشة موضوع الطيران بسرعات عالية وإمكانية اختراق حاجز الصوت . [ 30 ] وشمل المشاركون ثيودور فون كارمان ، ولودفيج براندتل ، وجاكوب أكيريت، وإيستمان جاكوبس ، وأدولف بوسمان ، وجيفري إنجرام تايلور ، وجايتانو أرتورو كروكو ، وإنريكو بيستوليسي. وقدّم أكيريت تصميمًا لنفق رياح فوق صوتي . وألقى بوسمان عرضًا حول الحاجة إلى طائرات ذات أجنحة مائلة للطيران بسرعات عالية. وقدّم إيستمان جاكوبس، الذي كان يعمل لدى اللجنة الاستشارية الوطنية للملاحة الجوية (NACA) ، تصميماته المُحسّنة للأجنحة الهوائية للسرعات دون الصوتية العالية، والتي ساهمت في تطوير بعض الطائرات الأمريكية عالية الأداء خلال الحرب العالمية الثانية . كما نوقشت أيضًا تقنية الدفع فوق الصوتي. وبعد اثني عشر عامًا، تم اختراق حاجز الصوت باستخدام طائرة بيل إكس-1 ، ويعود الفضل في ذلك جزئيًا إلى هؤلاء الرواد.

بحلول الوقت الذي تم فيه اختراق حاجز الصوت، كانت معظم المعارف المتعلقة بديناميكا الهواء دون الصوتية وفوق الصوتية المنخفضة قد نضجت. وقد غذّت الحرب الباردة سلسلة متطورة باستمرار من الطائرات عالية الأداء. بدأ علم ديناميكا الموائع الحسابية كمحاولة لحساب خصائص التدفق حول الأجسام المعقدة، وتطور بسرعة كبيرة إلى الحد الذي أصبح فيه من الممكن تصميم طائرات كاملة باستخدام الحاسوب، مع إجراء اختبارات في نفق الرياح تليها اختبارات طيران لتأكيد تنبؤات الحاسوب.

باستثناءات قليلة، نضجت المعرفة في مجال الديناميكا الهوائية فوق الصوتية بين ستينيات القرن الماضي والعقد الحالي. ولذلك، تحوّلت أهداف مهندسي الديناميكا الهوائية من فهم سلوك تدفق الموائع إلى فهم كيفية تصميم مركبة تتفاعل بشكل مناسب مع هذا التدفق. فعلى سبيل المثال، مع أن سلوك التدفق فوق الصوتي مفهوم، إلا أن بناء طائرة تعمل بمحرك نفاث فرطي السرعة ( سكرمجت) للطيران بسرعات فوق صوتية لم يحقق نجاحًا يُذكر. وإلى جانب بناء طائرة سكرمجت ناجحة، ستستمر الرغبة في تحسين الكفاءة الديناميكية الهوائية للطائرات وأنظمة الدفع الحالية في إثراء الأبحاث الجديدة في مجال الديناميكا الهوائية. ومع ذلك، لا تزال هناك مشكلات مهمة في نظرية الديناميكا الهوائية الأساسية، مثل التنبؤ بالانتقال إلى الاضطراب، ووجود حلول فريدة لمعادلات نافيير-ستوكس.

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ أندرسون 1997 ، ص 17.
  2. ↑ أندرسون 1997 ، ص 18-19.
  3. 1 2 3 4 5 أكرويد، جيه إيه دي؛ أكسيل، بي بي؛ روبان، إيه آي (2001). التطورات المبكرة للديناميكا الهوائية الحديثة . ريستون، فيرجينيا: المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية . ISBN 1-56347-516-2.
  4. ↑ "الهيدروديناميكا" . موسوعة بريتانيكا على الإنترنت . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30-10-2008 .
  5. ↑ أندرسون 1997 ، ص 47.
  6. ↑ أندرسون 1997 ، ص 16-17.
  7. ↑ أندرسون 1997 ، ص 25.
  8. ↑ أندرسون 1997 ، ص 32-35.
  9. ^ نيوتن الأول (1726). الفلسفة الطبيعية المبادئ الرياضية، الكتاب الثاني .
  10. ↑ فون كارمان، ثيودور (2004). الديناميكا الهوائية: مواضيع مختارة في ضوء تطورها التاريخي . منشورات دوفر. ISBN 0-486-43485-0. OCLC 53900531 . 
  11. ↑ أندرسون 1997 ، ص 40.
  12. ^ دالمبيرت، ج. (1752). مقال عن النظرية الجديدة لمقاومة السوائل .
  13. ^ كيرشوف، ج. (1869). Zur Theorie freier Flussigkeitsstrahlen . مجلة für die reine und angewandte Mathematik (70)، 289-298.
  14. ↑ رايلي، اللورد (1876). حول مقاومة السوائل . المجلة الفلسفية (5)2، 430-441.
  15. ^ نافيير، CLMH (1827). "Memoire sur les lois du mouvement des Fluides". مذكرات أكاديمية العلوم . 6 : 389 - 440.
  16. ↑ ستوكس، ج. (1845). حول نظريات الاحتكاك الداخلي للسوائل المتحركة . معاملات الجمعية الفلسفية في كامبريدج (8)، 287-305.
  17. ↑ رينولدز، أو. (1883). دراسة تجريبية للظروف التي تحدد ما إذا كانت حركة الماء ستكون مباشرة أم متعرجة، وقانون المقاومة في القنوات المتوازية . المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن A-174، 935-982.
  18. ↑ Wragg, DW; Flight before flying , Osprey, 1974, Page 57.
  19. ↑ " لجنة الاحتفال بالذكرى المئوية للطيران في الولايات المتحدة - السير جورج كايلي" . مؤرشف من الأصل في 20 سبتمبر 2008. تم الاطلاع عليه في 10 سبتمبر 2008. يُطلق على السير جورج كايلي، المولود عام 1773، لقب أبو الطيران. كان رائدًا في مجاله، وأول من حدد القوى الديناميكية الهوائية الأربع للطيران - الوزن، والرفع، والسحب، والدفع - وعلاقتها ببعضها. كما كان أول من بنى طائرة شراعية ناجحة لنقل البشر. وصف كايلي العديد من مفاهيم وعناصر الطائرة الحديثة، وكان أول من فهم وشرح مفاهيم الرفع والدفع بمصطلحات هندسية.
  20. ↑ كايلي، جورج . "حول الملاحة الجوية" الجزء 1 ، مؤرشف بتاريخ 11 مايو 2013 في أرشيف الإنترنت ، الجزء 2 ، مؤرشف بتاريخ 11 مايو 2013 في أرشيف الإنترنت ، الجزء 3، مؤرشف بتاريخ 11 مايو 2013 في أرشيف الإنترنت . مجلة نيكلسون للفلسفة الطبيعية ، 1809-1810. (عبر ناسا ). النص الأصلي . تاريخ الاسترجاع: 30 مايو 2010.
  21. ↑ أندرسون 1997 ، ص 21، 25-26.
  22. ↑ هاروود، سي إس وفوجل، جي بي البحث عن الطيران: جون جيه مونتغمري وفجر الطيران في الغرب، مطبعة جامعة أوكلاهوما، 2012.
  23. ^ رينارد ، سي. (1889). تجارب جديدة حول مقاومة الهواء . لايرونيت (22) 73-81.
  24. ↑ شانوت، أوكتاف (1997). التقدم في آلات الطيران . منشورات دوفر. ISBN 0-486-29981-3. OCLC 37782926 . 
  25. ↑ هاروود، سي إس وفوجل، جي بي البحث عن الطيران: جون جيه مونتغمري وفجر الطيران في الغرب، مطبعة جامعة أوكلاهوما، 2012.
  26. ↑ لانشستر، إف دبليو (1907). الديناميكا الهوائية .
  27. ^ براندتل، إل. (1919). تراجفلوجيلثيوري . غوتنغر ناخريشتن، الرياضيات الفيزيائية كلاس، 451-477.
  28. ↑ بودي، وارن م. (2 مايو 2001). طائرة لوكهيد بي-38 لايتنينغ . الصفحات 174-175 . ISBN  0-9629359-5-6.
  29. ^ أكيريت، ج. (1925). يتم استخدام الطائرات الورقية على متن الطائرة مع زيادة حجمها مثل المدفعية . Zeitschrift für Flugtechnik und Motorluftschiffahrt (16)، 72-74.
  30. ↑ أندرسون، جون د. (2007). أساسيات الديناميكا الهوائية ( الطبعة الرابعة). ماكجرو هيل. ISBN  978-0-07-125408-3. OCLC 60589123 . 

مراجع

  • أندرسون، جون ديفيد (1997). تاريخ الديناميكا الهوائية وتأثيرها على الآلات الطائرة . نيويورك، نيويورك: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 0-521-45435-2.