نسبة الرفع إلى السحب

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 17 صور
الموسوعة الحرة
الرفع والسحب هما المكونان الرئيسيان للقوة الديناميكية الهوائية الكلية المؤثرة على الجناح أو الطائرة.

في الديناميكا الهوائية ، تُعرف نسبة الرفع إلى السحب (أو نسبة L/D ) بأنها قوة الرفع الناتجة عن جسم انسيابي، مثل جناح طائرة أو طائرة، مقسومة على قوة السحب الناتجة عن الحركة في الهواء. وهي تصف الكفاءة الديناميكية الهوائية في ظل ظروف طيران معينة. وتختلف نسبة L/D لأي جسم معين تبعًا لظروف الطيران هذه.

بالنسبة للطائرات ذات الأجنحة الانسيابية أو الطائرات المزودة بمحركات، يتم تحديد نسبة الرفع إلى السحب (L/D) عند الطيران المستقيم والمستوي. أما بالنسبة للطائرات الشراعية، فهي تحدد نسبة الانزلاق ، أي المسافة المقطوعة مقابل فقدان الارتفاع.

يُحسب هذا المصطلح لأي سرعة جوية محددة بقياس قوة الرفع المتولدة، ثم قسمتها على قوة السحب عند تلك السرعة. تتغير هذه القيم بتغير السرعة، لذا تُعرض النتائج عادةً على رسم بياني ثنائي الأبعاد. في معظم الحالات، يتخذ الرسم البياني شكل حرف U، نظرًا للمكونين الرئيسيين للسحب. يمكن حساب نسبة الرفع إلى السحب (L/D) باستخدام ديناميكا الموائع الحسابية أو المحاكاة الحاسوبية . كما تُقاس تجريبيًا عن طريق الاختبار في نفق هوائي أو في اختبار طيران حر . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

تتأثر نسبة الرفع إلى السحب (L/D) بكل من السحب الناتج عن شكل الجسم والسحب المستحث المرتبط بتوليد قوة الرفع. وتعتمد بشكل أساسي على معاملات الرفع والسحب، وزاوية الهجوم على تدفق الهواء، ونسبة أبعاد الجناح .

تتناسب نسبة الرفع إلى السحب عكسياً مع الطاقة اللازمة لمسار طيران معين، لذا فإن مضاعفة هذه النسبة تتطلب نصف الطاقة فقط لقطع المسافة نفسها. وهذا يؤدي مباشرةً إلى تحسين كفاءة استهلاك الوقود .

يمكن استخدام نسبة الرفع إلى السحب (L/D) أيضًا للمركبات المائية والبرية. وتُحدد نسب الرفع إلى السحب للقوارب ذات الأجنحة المائية والمركبات الإزاحية بطريقة مشابهة للطائرات.

ارفع واسحب

مقاومة الهواء مقابل السرعة. يحدث الحد الأقصى لنسبة الرفع إلى أقصى مقاومة هواء عند أدنى قيمة لمقاومة الهواء الكلية (مثل مقاومة الهواء الناتجة عن الطفيليات بالإضافة إلى المقاومة الناتجة عن الطفيليات).
معاملات السحب C D والرفع C L مقابل زاوية الهجوم .
منحنى قطبي يوضح زاوية الانزلاق الأمثل لسرعة الانزلاق المثلى (نسبة الرفع إلى السحب المثلى). وهي تمثل زاوية الانزلاق الأكثر استواءً في الهواء الساكن، مما يزيد المسافة المقطوعة إلى أقصى حد. تتوافق سرعة الهواء هذه (الخط العمودي) مع نقطة التماس لخط يبدأ من نقطة الأصل في الرسم البياني. الطائرة الشراعية التي تطير بسرعة أكبر أو أقل من هذه السرعة ستقطع مسافة أقل قبل الهبوط. [ 4 ] [ 5 ]

يمكن توليد قوة الرفع عندما يتحرك جسم ذو شكل انسيابي عبر سائل لزج كالهواء. غالبًا ما يكون هذا الشكل الانسيابي مقوسًا و/أو بزاوية هجوم مع تدفق الهواء. عندئذٍ، تزداد قوة الرفع مع مربع سرعة الهواء.

عندما يُولّد جسم انسيابي قوة رفع، فإنه يُولّد أيضًا قوة سحب ناتجة عن الرفع . عند السرعات المنخفضة، يتعين على الطائرة توليد قوة الرفع بزاوية هجوم أكبر ، مما ينتج عنه قوة سحب ناتجة أكبر. يهيمن هذا المصطلح على جانب السرعات المنخفضة من منحنى العلاقة بين قوة الرفع والسرعة.

منحنى السحب للطائرات الخفيفة. يمثل المماس نقطة أقصى نسبة رفع/سحب .

ينتج سحب الشكل عن حركة الجسم عبر الهواء. ويتناسب هذا النوع من السحب، المعروف أيضًا بمقاومة الهواء أو سحب المقطع العرضي، طرديًا مع مربع السرعة (انظر معادلة السحب ). ولهذا السبب، يكون سحب المقطع العرضي أكثر وضوحًا عند السرعات العالية، مُشكِّلًا الجانب الأيمن من منحنى الرفع/السرعة على شكل حرف U. ويتم تقليل سحب المقطع العرضي بشكل أساسي عن طريق تبسيط الشكل وتقليل مساحة المقطع العرضي.

وبالتالي فإن إجمالي السحب على أي جسم ديناميكي هوائي يتكون من عنصرين، وهما السحب المستحث والسحب الناتج عن الشكل.

معاملات الرفع والسحب

يُطلق على معدلات تغير الرفع والسحب مع زاوية الهجوم (AoA) على التوالي معامل الرفع ومعامل السحب CL و CD . وغالبًا ما يتم تمثيل النسبة المتغيرة للرفع إلى السحب مع زاوية الهجوم بيانيًا بدلالة هذين المعاملين.

بالنسبة لأي قيمة معينة للرفع، تتغير زاوية الهجوم بتغير السرعة. تُعرف الرسوم البيانية لمعامل الرفع (C<sub> L </sub>) ومعامل السحب (C<sub> D </sub>) مقابل السرعة بمنحنيات السحب . تُظهر الرسوم البيانية زيادة السرعة من اليسار إلى اليمين. تُعطى نسبة الرفع إلى السحب بميل الخط الواصل من نقطة الأصل إلى نقطة معينة على المنحنى، وبالتالي لا تحدث أعلى نسبة رفع إلى سحب عند نقطة أقل معامل سحب، وهي النقطة الموجودة في أقصى اليسار، بل تحدث عند سرعة أعلى قليلاً. عادةً ما يختار المصممون تصميم جناح يُنتج ذروة نسبة الرفع إلى السحب عند سرعة الطيران المختارة للطائرات ذات الأجنحة الثابتة المزودة بمحرك، مما يزيد من كفاءة استهلاك الوقود. وكما هو الحال في جميع جوانب هندسة الطيران ، فإن نسبة الرفع إلى السحب ليست الاعتبار الوحيد في تصميم الجناح، فالأداء عند زاوية هجوم عالية والتوقف التدريجي مهمان أيضاً.

نسبة الانزلاق

بما أن جسم الطائرة وأسطح التحكم تُضيف مقاومةً وربما بعض الرفع، فمن المنطقي النظر إلى نسبة الرفع إلى السحب (L/D) للطائرة ككل. نسبة الانزلاق ، وهي نسبة الحركة الأمامية للطائرة (غير المُزوَّدة بمحرك) إلى هبوطها، تُساوي (عند الطيران بسرعة ثابتة) نسبة الرفع إلى السحب (L/D) للطائرة. يُعد هذا الأمر ذا أهمية خاصة في تصميم وتشغيل الطائرات الشراعية عالية الأداء ، والتي قد تصل نسبة انزلاقها إلى 60 إلى 1 (60 وحدة مسافة للأمام لكل وحدة هبوط) في أفضل الحالات، ولكن تُعتبر نسبة 30:1 أداءً جيدًا للاستخدام الترفيهي العام. يتطلب تحقيق أفضل نسبة رفع إلى سحب (L/D) للطائرة الشراعية عمليًا تحكمًا دقيقًا في سرعة الهواء وتشغيلًا سلسًا ومُقيدًا لأجهزة التحكم لتقليل مقاومة أسطح التحكم المنحرفة. في ظروف انعدام الرياح، تُساوي نسبة الرفع إلى السحب (L/D) المسافة المقطوعة مقسومةً على الارتفاع المفقود. يتطلب تحقيق أقصى مسافة مقابل الارتفاع المفقود في ظروف الرياح تعديلًا إضافيًا لأفضل سرعة هواء، كما هو الحال مع التناوب بين الطيران الأفقي والطيران الحراري. لتحقيق سرعة عالية عبر البلاد، غالبًا ما يقوم طيارو الطائرات الشراعية، الذين يتوقعون تيارات هوائية صاعدة قوية، بتحميل طائراتهم الشراعية (الطائرات ذات الأجنحة الثابتة) بصابورة مائية : فزيادة حمولة الجناح تعني نسبة انزلاق مثالية عند سرعة جوية أعلى، ولكن على حساب بطء الصعود في التيارات الصاعدة. وكما هو موضح أدناه، فإن نسبة الرفع إلى السحب القصوى لا تعتمد على الوزن أو حمولة الجناح، ولكن مع زيادة حمولة الجناح، تحدث نسبة الرفع إلى السحب القصوى عند سرعة جوية أعلى. كما أن السرعة الجوية الأعلى تعني أن الطائرة ستطير عند رقم رينولدز أعلى ، وهذا عادةً ما يؤدي إلى انخفاض معامل السحب عند انعدام الرفع .

نظرية

دون سرعة الصوت

رياضياً، يمكن تقدير الحد الأقصى لنسبة الرفع إلى السحب على النحو التالي [ 6 ]

(ل/د)الأعلى=12πεالواقع المعززجد،0،{\displaystyle (L/D)_{\text{max}}={\frac {1}{2}}{\sqrt {\frac {\pi \varepsilon {\text{AR}}}{C_{D,0}}}},}

حيث AR هي نسبة العرض إلى الارتفاع ،ε{\displaystyle \varepsilon }عامل كفاءة الامتداد ، وهو رقم أقل من الواحد ولكنه قريب منه بالنسبة للأجنحة الطويلة ذات الحواف المستقيمة، وجد،0{\displaystyle C_{D,0}}معامل السحب عند انعدام الرفع .

والأهم من ذلك، أن نسبة الرفع إلى السحب القصوى مستقلة عن وزن الطائرة أو مساحة الجناح أو حمل الجناح.

يمكن إثبات أن عاملين رئيسيين يؤثران على نسبة الرفع إلى السحب القصوى للطائرات ذات الأجنحة الثابتة هما طول الجناح ومساحة السطح المبلل الكلية . إحدى طرق تقدير معامل السحب عند انعدام الرفع للطائرة هي طريقة الاحتكاك السطحي المكافئ. بالنسبة للطائرات المصممة جيدًا، يتكون السحب عند انعدام الرفع (أو السحب الطفيلي) في معظمه من سحب الاحتكاك السطحي بالإضافة إلى نسبة ضئيلة من سحب الضغط الناتج عن انفصال التدفق. تستخدم هذه الطريقة المعادلة [ 7 ].

جد،0=جfeSمبتلSمرجع،{\displaystyle C_{D,0}=C_{\text{fe}}{\frac {S_{\text{wet}}}{S_{\text{ref}}}},}

أينجfe{\displaystyle C_{\text{fe}}}هو معامل الاحتكاك الجلدي المكافئ،Sمبتل{\displaystyle S_{\text{wet}}}هي المنطقة المبللة وSمرجع{\displaystyle S_{\text{ref}}}تمثل مساحة الجناح المرجعية. يأخذ معامل الاحتكاك السطحي المكافئ في الاعتبار كلاً من مقاومة الانفصال ومقاومة الاحتكاك السطحي، وهو قيمة ثابتة إلى حد كبير لأنواع الطائرات من نفس الفئة. بالتعويض بهذا في معادلة نسبة الرفع إلى السحب القصوى، إلى جانب معادلة نسبة العرض إلى الطول (ب2/Sمرجع{\displaystyle b^{2}/S_{\text{ref}}})، ينتج عنه المعادلة (ل/د)الأعلى=12πεجfeب2Sمبتل،{\displaystyle (L/D)_{\text{max}}={\frac {1}{2}}{\sqrt {{\frac {\pi \varepsilon }{C_{\text{fe}}}}{\frac {b^{2}}{S_{\text{wet}}}}}},} حيث b هو طول الجناح. المصطلحب2/Sمبتل{\displaystyle b^{2}/S_{\text{wet}}}يُعرف هذا باسم نسبة العرض إلى الارتفاع المبللة. توضح المعادلة أهمية نسبة العرض إلى الارتفاع المبللة في تحقيق تصميم فعال من الناحية الديناميكية الهوائية.

أسرع من الصوت

تكون قيم نسبة الرفع إلى السحب أقل عند السرعات فوق الصوتية. كانت نسبة الرفع إلى السحب لطائرة الكونكورد حوالي 7 عند سرعة ماخ  2، بينما تبلغ هذه النسبة لطائرة 747 حوالي 17 عند سرعة ماخ 0.85 تقريبًا.

قام ديتريش كوشمان بتطوير علاقة تجريبية للتنبؤ بنسبة L/D لأرقام ماخ العالية: [ 8 ]

ل/دالأعلى=4(م+3)م،{\displaystyle L/D_{\text{max}}={\frac {4(M+3)}{M}},}

حيث M هو رقم ماخ. وقد أظهرت اختبارات نفق الرياح أن هذا الرقم دقيق تقريبًا.

أمثلة على نسب الطول إلى القطر

تتمتع طائرة إيتا بأفضل نسبة انزلاق بالنسبة للطائرات الشراعية
الخصائص الديناميكية الهوائية المحسوبة [ 16 ]
طائرة نفاثةرحلة بحرية L/Dالرحلة الأولى
لوكهيد L1011-10014.516 نوفمبر 1970
ماكدونيل دوغلاس دي سي-10 -4013.829 أغسطس 1970
إيرباص A300-60015.228 أكتوبر 1972
ماكدونيل دوغلاس إم دي-1116.110 يناير 1990
بوينغ 767-200ER16.126 سبتمبر 1981
إيرباص A310-30015.33 أبريل 1982
بوينغ 747-20015.39 فبراير 1969
بوينغ 747-40015.529 أبريل 1988
بوينغ 757-20015.019 فبراير 1982
إيرباص A320-20016.322 فبراير 1987
إيرباص A310-30018.12 نوفمبر 1992
إيرباص A340-20019.21 أبريل 1992
إيرباص A340-30019.125 أكتوبر 1991
بوينغ 777-20019.312 يونيو 1994

انظر أيضاً

مراجع

[ 13 ]

  1. ↑ وو، وانان؛ صن، تشينغلين؛ لو، شوزين؛ صن، مينغوي؛ تشن، تسنغتشيانغ؛ صن، هاو (2018). "حساب دقيق لمعاملات الديناميكا الهوائية لنظام إسقاط جوي باستخدام المظلة بناءً على ديناميكا الموائع الحسابية" . المجلة الدولية لأنظمة الروبوتات المتقدمة . 15 (2) 1729881418766190. doi : 10.1177/1729881418766190 .
  2. ↑ التحقق من صحة برنامج حساب معاملات الديناميكا الهوائية، رامون لوبيز بيريرا، جامعة لينشوبينغ
  3. ↑ تقدير الرفع والسحب أثناء الطيران لطائرة بدون طيار تعمل بالمروحة ، دومينيك بول بيرغمان، يان دينزل، أولي بفايفل، ستيفان نوتر، والتر فيتشر، وأندرياس ستروماير
  4. ↑ واندر، بوب (2003). منحنيات الطيران الشراعي وسرعة الطيران... ببساطة! . مينيابوليس: كتب ومستلزمات الطيران الشراعي لبوب واندر. الصفحات 7-10 . 
  5. ↑ دليل الطيران الشراعي، FAA-H-8083-13 . وزارة النقل الأمريكية، إدارة الطيران الفيدرالية. 2003. الصفحات من 5-6 إلى 5-9. ISBN  9780160514197.
  6. ↑ لوفين، إل كيه جونيور. "السعي نحو الأداء: تطور الطائرات الحديثة. ناسا SP-468" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 29 مايو 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 أبريل 2006 .
  7. ↑ رايمر، دانيال (2012). تصميم الطائرات: منهج مفاهيمي ( الطبعة الخامسة). نيويورك: AIAA. 
  8. ↑ Aerospaceweb.org تصميم المركبات فائقة السرعة
  9. ↑ أنطونيو فيليبوني. "نسب الرفع إلى السحب" . مواضيع متقدمة في الديناميكا الهوائية . مؤرشف من الأصل في 28 مارس 2008.
  10. ↑ كومبستي، نيكولاس (2003). الدفع النفاث . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 4. 
  11. ↑ كريستوفر أورليبار (1997). قصة الكونكورد . دار نشر أوسبري. ص 116. ISBN  9781855326675.
  12. ↑ ليشمَن، ج. جوردون (24 أبريل 2006). مبادئ ديناميكا الهواء للمروحيات . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 230. ISBN  0521858607تبلغ نسبة الرفع إلى السحب القصوى للمروحية الكاملة حوالي 4.5
  13. 1 2 تقييم أداء طائرة سيسنا سكاي هوك 2 http://temporal.com.au/c172.pdf
  14. ↑ نصّ جلسة تطويرات فرقة يو تو . وكالة المخابرات المركزية . ١٩٦٠. مؤرشف من الأصل بتاريخ ١٩ يونيو ٢٠٢٢. تمّ الاطلاع عليه بتاريخ ٥ مارس ٢٠١٦ – عبر يوتيوب.
    • "تطورات فرقة يو تو" . وكالة الاستخبارات المركزية . 4 يونيو 2013. مؤرشف من الأصل في 16 أغسطس 2013.
  15. ↑ ديفيد نولاند (فبراير 2005). "العزف المنفرد الأمثل" . مجلة Popular Mechanics .
  16. ↑ رودريغو مارتينيز-فال وآخرون (يناير 2005). "التطور التاريخي لإنتاجية وكفاءة النقل الجوي" . الاجتماع والمعرض الثالث والأربعون لعلوم الفضاء الجوي التابع للمعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية . doi : 10.2514/6.2005-121 .