المثبت (في مجال الطيران)

المثبت الهوائي للطائرة هو سطح ديناميكي هوائي، يتضمن عادةً سطح تحكم متحرك واحد أو أكثر ، ^{[ 1 ] [ 2 ]} يوفر الاستقرار والتحكم الطولي (الميل) و/أو الاتجاهي (الانعراج). قد يكون المثبت الهوائي ذا بنية ثابتة أو قابلة للتعديل تُثبّت عليها أسطح التحكم المتحركة، أو قد يكون هو نفسه سطحًا متحركًا بالكامل مثل المثبت الأفقي . وبحسب السياق، قد يشير مصطلح "المثبت الهوائي" أحيانًا إلى الجزء الأمامي فقط من السطح الكلي.

في تصميم الطائرات التقليدي، تُشكّل المثبتات الرأسية (الزعنفة) والأفقية ( السطح الخلفي ) المنفصلة ذيل الطائرة. أما في تصميمات أخرى للذيل، مثل تصميم الذيل على شكل حرف V ، فتُساهم المثبتات في تحقيق مزيج من الاستقرار والتحكم الطولي والاتجاهي.

يمكن الحصول على الاستقرار والتحكم الطولي باستخدام تكوينات أجنحة أخرى، بما في ذلك الأجنحة الأمامية والأجنحة المزدوجة والطائرات بدون ذيل .

يتم تثبيت بعض أنواع الطائرات بواسطة نظام التحكم الإلكتروني في الطيران ؛ في هذه الحالة، يمكن أن تعمل الأسطح الثابتة والمتحركة الموجودة في أي مكان على طول الطائرة كمخمدات حركة نشطة أو مثبتات.

يُستخدم المثبت الأفقي للحفاظ على توازن الطائرة الطولي، أو ما يُعرف بالتوازن الدقيق : ^{[ 3 ]} فهو يُسلط قوة رأسية على مسافة معينة بحيث يكون مجموع عزم الميل حول مركز الثقل صفرًا. ^{[ 4 ]} تتغير القوة الرأسية التي يُسلطها المثبت بتغير ظروف الطيران، وخاصةً وفقًا لمعامل رفع الطائرة وانحراف رفرفات الجناح ، وكلاهما يؤثر على موضع مركز الضغط ، وكذلك وفقًا لموضع مركز ثقل الطائرة (الذي يتغير بتغير حمولة الطائرة واستهلاك الوقود). يُفرض الطيران فوق الصوتي متطلبات خاصة على المثبتات الأفقية؛ فعندما تصل سرعة الهواء المحلية فوق الجناح إلى سرعة الصوت، يحدث تحرك مفاجئ للخلف من مركز الضغط .

يتمثل دور آخر للمثبت الأفقي في توفير الاستقرار الساكن الطولي . لا يُمكن تعريف الاستقرار إلا عندما تكون الطائرة في وضع التوازن؛ ^{[ 5 ]} ويشير إلى ميل الطائرة للعودة إلى وضع التوازن في حال تعرضها لأي اضطراب. ^{[ 6 ]} وهذا يحافظ على وضعية ثابتة للطائرة، مع زاوية ميل ثابتة بالنسبة لتيار الهواء، دون أي تدخل فعلي من الطيار. ولضمان الاستقرار الساكن لطائرة ذات جناح تقليدي، يجب أن يكون مركز ثقل الطائرة متقدمًا عن مركز الضغط، لذا فإن المثبت الموجود في مؤخرة الطائرة سيولد قوة رفع في الاتجاه الهابط.

يعمل المصعد على التحكم في محور الميل؛ في حالة وجود ذيل متحرك بالكامل ، تعمل المجموعة بأكملها كسطح تحكم.

تكوينات المثبت الأفقي

سطح ذيل تقليدي

في التكوين التقليدي، يكون المثبت الأفقي عبارة عن ذيل أفقي صغير أو سطح ذيل يقع في الجزء الخلفي من الطائرة. وهذا هو التكوين الأكثر شيوعًا.

في العديد من الطائرات، يتكون نظام الذيل من سطح ثابت مزود بسطح خلفي مفصلي للمصعد . ويمكن استخدام أسطح التوازن لتخفيف قوى التحكم التي يبذلها الطيار. في المقابل، تحتوي بعض الطائرات الخفيفة، مثل بايبر PA-24 كومانش وبايبر PA-28 شيروكي، على مثبت متحرك بالكامل يُعرف باسم " المثبت" ، دون وجود مصعد منفصل. كما توجد المثبتات في العديد من الطائرات الأسرع من الصوت، حيث أن وجود نظام تحكم منفصل في المصعد سيؤدي إلى مقاومة هواء غير مقبولة. ^{[ 8 ]}

Most airliners and transport aircraft feature a large, slow-moving trimmable tail plane which is combined with independently-moving elevators. The elevators are controlled by the pilot or autopilot and primarily serve to change the aircraft's attitude, while the whole assembly is used to trim (maintaining horizontal static equilibrium) and stabilize the aircraft in the pitch axis. In the Boeing 737, the adjustable stabilizer trim system is powered by an electrically operated jackscrew.^[9]

Variants on the conventional configuration include the T-tail, Cruciform tail, Twin tail and Twin-boom mounted tail.

Three-surface aircraft

Three-surface aircraft such as the Piaggio P.180 Avanti or the Scaled Composites Triumph and Catbird, the tailplane is a stabilizer as in conventional aircraft; the frontplane, called foreplane or canard, provides lift and serves as a balancing surface.

Some earlier three-surface aircraft, such as the Curtiss AEA June Bug or the Voisin 1907 biplane, were of conventional layout with an additional front pitch control surface which was called "elevator" or sometimes "stabilisateur".^[10] Lacking elevators, the tailplanes of these aircraft were not what is now called conventional stabilizers. For example, the Voisin was a tandem-lifting layout (main wing and rear wing) with a foreplane that was neither stabilizing nor mainly lifting; it was called an "équilibreur" ("balancer"),^[11] and used as a pitch control and trim surface.

Canard aircraft

في تصميم الكانارد ، يقع جناح صغير، أو الجناح الأمامي ، أمام الجناح الرئيسي. يسميه بعض المؤلفين مُثبِّتًا ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} أو يُسندون إليه وحده دور التثبيت ^{[ 16 ]} ، مع أن الجناح الأمامي يُوصف عمومًا، فيما يتعلق بثبات الميل ، بأنه سطح مُزعزع للاستقرار ^{[ 17 ]} ، بينما يُوفر الجناح الرئيسي عزم التثبيت في الميل ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] .}

في الطائرات غير المستقرة بطبيعتها، يمكن استخدام أسطح الكانارد كجزء فعال من نظام الاستقرار الاصطناعي، وتسمى أحيانًا بالمثبتات الأفقية. ^{[ 21 ]}

طائرة بدون ذيل

تفتقر الطائرات عديمة الذيل إلى مثبت أفقي منفصل. في هذا النوع من الطائرات، يُعد سطح التثبيت الأفقي جزءًا من الجناح الرئيسي. ^{[ 22 ] [ 23 ]} ويتحقق الاستقرار الطولي في الطائرات عديمة الذيل من خلال تصميمها بحيث يكون مركزها الديناميكي الهوائي خلف مركز ثقلها. ويتم ذلك عادةً بتعديل تصميم الجناح، على سبيل المثال بتغيير زاوية السقوط في اتجاه امتداد الجناح ( انحناء الجناح أو التواءه )، أو باستخدام مقاطع هوائية ذات تقوس منعكس .

يوفر المثبت الرأسي ثباتًا اتجاهيًا (أو ثباتًا حول محور الدوران )، ويتألف عادةً من زعنفة ثابتة ودفة تحكم متحركة مثبتة بمفصل على حافتها الخلفية. ^{[ 24 ]} وفي حالات أقل شيوعًا، لا يوجد مفصل، ويتم تدوير سطح الزعنفة بالكامل لتحقيق الثبات والتحكم معًا. ^{[ 25 ]}

عندما تواجه الطائرة عاصفة رياح أفقية، فإن استقرار الانعراج يتسبب في دوران الطائرة باتجاه الرياح، بدلاً من الدوران في نفس الاتجاه. ^{[ 26 ]}

تؤثر هندسة جسم الطائرة، وحاضنات المحركات، والمراوح الدوارة جميعها على الاستقرار الساكن الجانبي وتؤثر على الحجم المطلوب للمثبت. ^{[ 27 ]}

لا تحتوي جميع الطائرات على مثبت عمودي. بدلاً من ذلك، يمكن أن يوفر انحناء الجناح وزاوية الانحناء درجة مماثلة من الاستقرار الاتجاهي، بينما يتم التحكم في الاتجاه غالبًا عن طريق إضافة مقاومة على جانب الطائرة الذي سيتم توجيه الطائرة نحوه، إما في شكل مفسدات أو أجنحة مقسمة.

في بعض الطائرات، تُدمج المثبتات الأفقية والرأسية في سطحين يُطلق عليهما اسم الذيل على شكل حرف V. في هذا التصميم، تُركّب مثبتات (زعانف ودفات) بزاوية 90-120 درجة بالنسبة لبعضها البعض، ^{[ ملاحظة 1 ]} مما يُعطي مساحة إسقاط أفقية أكبر من المساحة الرأسية كما هو الحال في معظم الذيول التقليدية. تُسمى أسطح التحكم المتحركة حينها بالدفات والمثبتات . ^{[ 29 ] [ ملاحظة 2 ]} وبذلك، يعمل الذيل على شكل حرف V كمثبت للانعطاف ومثبت للميلان.

على الرغم من أن تصميم الذيل على شكل حرف V قد يبدو أنه يُقلل بشكل ملحوظ من مساحة التلامس مع الهواء ، إلا أنه يُعاني من زيادة في تعقيد التحكم والتشغيل، ^{[ 29 ]} بالإضافة إلى تفاعل ديناميكي هوائي معقد وضار بين السطحين. ^{[ 30 ]} غالبًا ما ينتج عن ذلك زيادة في المساحة الإجمالية، مما يُقلل أو يُلغي الفائدة الأصلية. ^{[ 29 ]} صُممت طائرة بيتشكرافت بونانزا الخفيفة في الأصل بذيل على شكل حرف V.

توجد تصميمات أخرى تجمع بين عدة أشكال. فطائرة جنرال أتوميكس MQ-1 بريداتور بدون طيار لها ذيل على شكل حرف V مقلوب . ويمكن وصف أسطح ذيل طائرة لوكهيد XFV بأنها على شكل حرف V مع أسطح تمتد عبر جسم الطائرة إلى الجانب المقابل. أما طائرة لير أفيا لير فان فكانت ذات ذيل على شكل حرف Y. وتوفر جميع تصميمات الذيل المزدوج بزاوية ثنائية السطح مزيجًا من الاستقرار الطولي والاتجاهي.

• فهرس مقالات الطيران

• المصطلحات المتعلقة بالطائرات
• تالاي، ثيودور أ. (27 يناير 2005). "مقدمة في ديناميكا الهواء للطيران - الاستقرار والتحكم" . قسم التاريخ في وكالة ناسا . مركز لانغلي للأبحاث . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 أبريل 2013 .
• "الاستقرار الديناميكي الطولي والاتجاهي والجانبي"، الذكرى المئوية للطيران ، لجنة الذكرى المئوية للطيران بالولايات المتحدة