جناح هوائي فوق الحرج

الجناح فوق الحرج ( الجناح فوق الحرج باللغة الإنجليزية البريطانية) هو جناح مصمم في المقام الأول لتأخير ظهور مقاومة الموجة في نطاق السرعة فوق الصوتية .

تتميز الأجنحة فوق الحرجة بسطحها العلوي المسطح، وقسمها الخلفي شديد التقوس (منحني للأسفل)، ونصف قطر حافتها الأمامية الأكبر مقارنةً بأشكال الأجنحة الصفائحية من سلسلة NACA 6. ^{[ 1 ]} صُممت أشكال الأجنحة القياسية لتقليل الضغط فوق سطح الجناح. ويحدد كل من توزيع السماكة وتقوس الجناح مقدار تسارع الهواء حوله. عندما تقترب سرعة الطائرة من سرعة الصوت ، يصل تسارع الهواء حول الجناح إلى ماخ 1، وتبدأ الموجات الصدمية بالتشكل. ويؤدي تشكل هذه الموجات الصدمية إلى مقاومة موجية. صُممت الأجنحة فوق الحرجة لتقليل هذا التأثير عن طريق تسطيح السطح العلوي للجناح.

تعود أصول تصميم الجنيح فوق الحرج إلى عالم الديناميكا الهوائية الألماني ك.  أ. كوالكي، الذي صمم عددًا من الجنيحات خلال الحرب العالمية الثانية . بعد انتهاء الحرب، واصلت دول عديدة أبحاثها في هذا المجال، بما في ذلك ألمانيا والمملكة المتحدة والولايات المتحدة . وعلى وجه الخصوص، صممت شركة هوكر سيدلي للطيران عددًا من الجنيحات المتقدمة التي أُدمجت، ضمن برامج أخرى، في طائرة إيرباص A300 . وفي أمريكا، أنتج عالم الديناميكا الهوائية ريتشارد ويتكومب جنيحات فوق حرجة مشابهة لأعمال كوالكي السابقة؛ وقد استُخدمت هذه الجنيحات لتصميم جناح فوق حرج، والذي أُدمج بدوره في كل من الطائرات المدنية والعسكرية. وبناءً على ذلك، استُخدمت التقنيات المُستقاة من دراسات مقاطع الجنيحات فوق الحرجة الأصلية لتصميم جنيحات للعديد من الطائرات عالية السرعة دون سرعة الصوت وفوق سرعة الصوت، بدءًا من طائرات إيرباص A310 وبوينغ 777 وصولًا إلى طائرة ماكدونيل دوغلاس AV-8B هارير II النفاثة.

اقترح علماء الديناميكا الهوائية في ألمانيا مفهوم الجناح فوق الحرج لأول مرة خلال الحرب العالمية الثانية . ففي عام 1940، صمم ك.  أ. كوالكي في معهد الأبحاث الألماني للطيران في برلين-أدلرسوف عددًا من الأجنحة التي تميزت بحواف أمامية بيضاوية، وسماكة قصوى تقع في اتجاه مجرى الهواء حتى 50% من وتر الجناح، وسطح علوي مستوٍ. وقد نشر ب. غوثرت وك. أ.  كوالكي تقريرًا عن اختبار هذه الأجنحة في عام 1944. وكانت أشكال أجنحة كوالكي مشابهة لتلك التي أنتجها لاحقًا عالم الديناميكا الهوائية الأمريكي ريتشارد ويتكومب . ^{[ 2 ]} وقد أشار مؤلفو الطيران إرنست هاينريش هيرشل وهورست بريم وجيرو ماديلونغ إلى أن الجناح فوق الحرج لا يقل أهمية، من حيث الديناميكا الهوائية، عن ابتكار الجناح المائل للطائرات عالية السرعة. ^{[ 3 ]}

خلال خمسينيات وستينيات القرن العشرين، واجهت العديد من طائرات الأبحاث عالية السرعة المزودة بأجنحة تقليدية صعوبات متكررة في اختراق حاجز الصوت، أو حتى الوصول إلى سرعة 0.9 ماخ. فقد تسبب تدفق الهواء فوق الصوتي فوق السطح العلوي للجناح التقليدي في مقاومة موجية مفرطة ، بالإضافة إلى نوع من فقدان الاستقرار يُعرف باسم " انخفاض ماخ" . وقد توصل علماء الديناميكا الهوائية إلى أنه من خلال تصميم الجناح المستخدم بشكل مناسب، يمكن تقليل حدة هذه المشاكل بشكل كبير، مما يسمح للطائرة بتحقيق سرعات أعلى بكثير؛ وهذا هو أساس الجناح فوق الحرج. يسمح تصميمه للجناح بالحفاظ على مستويات أداء عالية عند سرعات أقرب إلى ماخ 1 من نظيراتها التقليدية.

في عام 1962، تم الكشف عن طائرة فيكرز VC-10، التي تميزت بجناح ذي خصائص فوق حرجة. وكانت VC-10 أول طائرة ركاب ذات جناح مصمم خصيصًا لها (بدلاً من شكل قياسي). وقد عملت على تصميمها معاهد فيكرز ومعاهد بحثية بريطانية. ^{[ 4 ] [ 5 ]} بين عامي 1959 و1968، صممت شركة هوكر سيدلي للطيران البريطانية ، ومقرها هاتفيلد بإنجلترا، مقاطع جناح محسّنة خاصة بها، والتي كانت تُعرف أحيانًا باسم مقاطع الجناح الخلفية المحملة على السطح. شكلت أبحاث هوكر سيدلي لاحقًا أساسًا للجناح فوق الحرج لطائرة إيرباص A300 ، وهي طائرة ركاب متعددة الجنسيات عريضة البدن ، والتي حلقت لأول مرة عام 1972. ^{[ 6 ] [ 7 ]} بالتوازي، أجرت ألمانيا وهولندا بعد الحرب العالمية الثانية أبحاثهما الخاصة حول تصميمات مثالية لمقاطع الجناح فوق الصوتية، بهدف دعم برامج الطيران المدني. ^{[ 8 ]} حتى سبعينيات القرن العشرين، كان هناك تركيز كبير على تطوير جناح يقوم بإعادة الضغط المتساوي الإنتروبيا، أي عودة تدفق الهواء إلى سرعات دون سرعة الصوت دون حدوث صدمات. ^{[ 9 ]}

في الولايات المتحدة، كان تصميم الجناح فوق الحرج مجالًا بحثيًا خلال ستينيات القرن العشرين؛ وكان ريتشارد ويتكومب أحد أبرز الشخصيات الأمريكية في هذا المجال. وقد استُخدمت طائرة نورث أمريكان تي-2 سي باكاي، المُعدّلة خصيصًا ، كمنصة اختبار جوية مبكرة للجناح فوق الحرج، حيث أجرت العديد من رحلات التقييم خلال هذه الفترة دعمًا للجهود البحثية. ^{[ 10 ]} بعد اختبارات الطيران الأولية، تم اختبار الأجنحة الجديدة بسرعات متزايدة على متن طائرة عسكرية مُعدّلة أخرى، وهي تي إف-8 إيه كروسيدر . ^{[ 11 ]}

رغم أن وكالة ناسا كانت قد عملت في البداية على تصميم الجنيح فوق الحرج كجزء من برنامج النقل الأسرع من الصوت الوطني الأمريكي ، إلا أن طائرة الركاب الأسرع من الصوت التي كانت قيد التطوير للاستفادة من هذه التقنية، وهي طائرة بوينغ 2707 ، أُلغيت في نهاية المطاف بسبب مجموعة من التحديات التقنية والتكاليف الباهظة نسبيًا. ^{[ 12 ] [ 13 ]} ومع ذلك، كان هذا العمل أحد جوانب البرنامج التي نجت من إلغاء المشروع الرئيسي المُستهدف. وقد دُمج شكل الجنيح فوق الحرج في تصميم الجناح فوق الحرج.

وبهذه الطريقة، طُبقت هذه التقنية بنجاح لاحقًا على العديد من الطائرات دون سرعة الصوت، مما أدى إلى زيادة ملحوظة في كفاءتها في استهلاك الوقود . ^{[ 14 ]} ومن الأمثلة المبكرة على ذلك طائرتا بوينغ 757 وبوينغ 767 ، اللتان طُورتا خلال سبعينيات القرن الماضي. ^{[ 15 ]} ووفقًا لهيرشل وبريم وماديلونغ، يُعتبر الجناح فوق الحرج عنصرًا أساسيًا في الطائرات النفاثة الحديثة، مما يشير إلى استخدامه في مجموعة منتجات إيرباص. ^{[ 9 ]}

خلال عام 1984، استُشهد بأبحاث كوالكي كأساس لاعتراض رسمي على مواصفات براءة الاختراع الأمريكية الصادرة للجناح فوق الحرج. ^{[ 16 ]} في ذلك الوقت تقريبًا، أفادت التقارير أن عمل كوالكي كان له دور فعال في تصميم طائرات ركاب جديدة، مثل إيرباص A310 . ^{[ 9 ]} بالإضافة إلى ذلك، أُعيد تصميم بعض الطائرات لتضمين أجنحة فوق حرجة؛ مثل طائرة هوكر سيدلي هارير ، المعروفة باسم طائرة هارير النفاثة القافزة ، والتي كان لها جيل ثانٍ طراز AV-8B هارير II الذي اعتمد جناحًا جديدًا من قطعة واحدة فوق حرجة لتحسين أداء الطيران المستقر عن طريق تأخير ارتفاع السحب وزيادة نسبة الرفع إلى السحب. ^{[ 17 ]}

أدى اعتماد تصميم الجناح فوق الحرج في الطائرات النفاثة الحديثة إلى تقليل استخدام بعض الطرق الأخرى لخفض مقاومة الأمواج. وكان الجسم المضاد للصدمات أحد هذه الطرق، والذي استُمدّ من أعمال ريتشارد ويتكومب، بالإضافة إلى أعمال عالم الديناميكا الهوائية الألماني ديتريش كوشمان . ^{[ 18 ]} ويُشار إليه أيضًا باسم "أجسام ويتكومب" أو "جزر كوشمان"، وهو مرتبط ارتباطًا وثيقًا بقاعدة المساحة ، وهي ابتكار حديث في هذا العصر لتقليل مقاومة الأمواج من خلال امتلاك مساحة مقطع عرضي تتغير بسلاسة على طول الطائرة. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

• قاعدة منطقة ويتكومب
• جناح NACA
• فوغت إف-8 كروسيدر (تي إف-8 إيه)

• الأجنحة الهوائية فوق الحرجة في موقع Aerospaceweb
• جناح فوق حرج في لجنة الاحتفال بالذكرى المئوية للطيران بالولايات المتحدة
• الجناح فوق الحرج في مركز أبحاث الطيران التابع لناسا درايدن