طائرة بدون ذيل

الجناح الطائر هو تصميم بدون ذيل يفتقر أيضًا إلى جسم طائرة مميز ، حيث يوجد الطيار والمحركات وما إلى ذلك كليًا أو جزئيًا في الجناح.

تحتوي الطائرة التقليدية ذات الجناح الثابت على سطح تثبيت أفقي منفصل عن جناحها الرئيسي. يتسبب هذا السطح الإضافي في زيادة مقاومة الهواء، مما يستلزم محركًا أقوى، خاصةً عند السرعات العالية. إذا أمكن تحقيق الاستقرار والتحكم الطولي (في زاوية الميل) بطريقة أخرى (انظر أدناه)، فيمكن إزالة سطح التثبيت وتقليل مقاومة الهواء.

الطائرة عديمة الذيل لا تحتوي على مثبت أفقي منفصل. ولهذا السبب، يقع المركز الديناميكي الهوائي للجناح العادي أمام مركز ثقل الطائرة، مما يُسبب عدم استقرار في الميل . لذا، يجب استخدام طريقة أخرى لتحريك المركز الديناميكي الهوائي للخلف وجعل الطائرة مستقرة . هناك طريقتان رئيسيتان أمام المصمم لتحقيق ذلك، وقد طوّر الأولى رائد الطيران جيه دبليو دان .

يُتيح ثني الحافة الأمامية للجناح للخلف، سواءً كان جناحًا مائلًا أو جناحًا دلتا ، وتقليل زاوية ميل الجزء الخارجي من الجناح، للجناح الخارجي العمل كمثبت ذيل تقليدي. يُطلق على هذه العملية، عند تطبيقها تدريجيًا على امتداد الجزء الخارجي، اسم " تخفيف قوة الرفع الطرفية ". وقد حقق دان ذلك بمنح السطح العلوي للجناح انحناءً مخروطيًا . في الطيران الأفقي، يجب ضبط الطائرة بحيث لا تُساهم الأطراف بأي قوة رفع، بل قد تحتاج إلى توفير قوة دفع سفلية طفيفة. يُقلل هذا من الكفاءة الإجمالية للجناح، ولكن بالنسبة للعديد من التصاميم - خاصةً للسرعات العالية - فإن هذا التأثير يُعوَّض بانخفاض السحب والوزن والتكلفة مقارنةً بالمثبت التقليدي. كما يُقلل امتداد الجناح الطويل من القدرة على المناورة، ولهذا السبب رفض الجيش البريطاني تصميم دان.  

يُعد استخدام الأجنحة ذات عزم الدوران المنخفض أو المعدوم بديلاً آخر ، كما هو الحال في سلسلة طائرات هورتن الشراعية والمقاتلة. تستخدم هذه الأجنحة مقطعًا غير عادي ذي تقوس عكسي أو انعكاسي في الجزء الخلفي أو على كامل الجناح. في حالة التقوس العكسي، يكون الجانب الأكثر استواءً من الجناح في الأعلى، والجانب شديد الانحناء في الأسفل، مما يجعل الجزء الأمامي يُظهر زاوية هجوم عالية، بينما يكون الجزء الخلفي أكثر أفقية ولا يُساهم في الرفع، فيعمل كذيل أو أطراف جناح مائل. يُمكن محاكاة التقوس العكسي بتركيب أسطح توجيه كبيرة على جناح تقليدي وتعديلها بشكل ملحوظ للأعلى؛ كما يجب تحريك مركز الثقل إلى الأمام عن موضعه المعتاد. وبسبب تأثير برنولي ، يميل التقوس العكسي إلى توليد قوة دفع هابطة صغيرة، لذا تزداد زاوية هجوم الجناح للتعويض. وهذا بدوره يُولّد مقاومة إضافية. تتيح هذه الطريقة خيارات أوسع لتصميم الأجنحة مقارنةً بالأجنحة المنحنية للخلف والأجنحة المائلة للخارج، وقد شملت التصاميم أجنحة مستقيمة وحتى دائرية (أروب). إلا أن مقاومة الهواء الناتجة عن زاوية الهجوم العالية تُعتبر عمومًا سببًا في عدم كفاءة التصميم، ولم تستخدمها سوى أنواع قليلة من الطائرات الإنتاجية، مثل سلسلة طائرات فوفيل ومارسكي الشراعية.

يتمثل أحد الأساليب الأبسط في التغلب على عدم الاستقرار عن طريق وضع الوزن الرئيسي للطائرة على مسافة كبيرة أسفل الجناح، بحيث تميل الجاذبية إلى الحفاظ على الطائرة في وضع أفقي، وبالتالي مقاومة أي عدم استقرار ديناميكي هوائي، كما هو الحال في الطائرة الشراعية . ومع ذلك، عمليًا، نادرًا ما يكون هذا كافيًا لتوفير الاستقرار بمفرده، وعادةً ما يتم تعزيزه بالتقنيات الديناميكية الهوائية المذكورة. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك طائرة روغالو الشراعية المعلقة، التي تستخدم نفس الانحناء الخلفي والسطح المخروطي والسطح المائل كما في طائرة دان.

يمكن أيضًا توفير الاستقرار بشكل مصطنع. ثمة مفاضلة بين الاستقرار والقدرة على المناورة، إذ تتطلب القدرة العالية على المناورة مستوى منخفضًا من الاستقرار. بعض الطائرات المقاتلة الحديثة عالية التقنية غير مستقرة ديناميكيًا هوائيًا في زاوية الميل، وتعتمد على نظام التحكم الإلكتروني (Fly-by-wire) لتوفير الاستقرار. طائرة نورثروب غرومان بي-2 سبيريت ذات الجناح الطائر مثال على ذلك.

فشلت العديد من التصاميم المبكرة في توفير تحكم فعال في زاوية ميل الأجنحة لتعويض غياب المثبت. بعض النماذج كانت مستقرة، لكن ارتفاعها لم يكن بالإمكان التحكم فيه إلا باستخدام قوة المحرك. بينما كانت نماذج أخرى تميل للأعلى أو للأسفل بشكل حاد وغير قابل للتحكم إذا لم يتم التعامل معها بحذر. وقد أكسبت هذه التصاميم عديمة الذيل سمعة سيئة بعدم الاستقرار. ولم يُعترف على نطاق واسع بأن هذه السمعة غير مستحقة إلا بعد النجاح اللاحق لتصميم دلتا عديم الذيل في عصر الطائرات النفاثة.

الحل المعتاد هو تزويد الحافة الخلفية للجناح بأسطح كبيرة للمصعد و/أو الجنيحات . ما لم يكن الجناح شديد الانحناء، يجب أن تولد هذه الأسطح قوى تحكم كبيرة، نظرًا لصغر المسافة بينها وبين المركز الديناميكي الهوائي وقلة العزوم . وبالتالي، قد يواجه الجناح عديم الذيل مقاومة هواء أعلى أثناء مناورات الميلان مقارنةً بنظيره التقليدي. في الجناح المثلثي شديد الانحناء، تكون المسافة بين الحافة الخلفية والمركز الديناميكي الهوائي أكبر، لذا لا حاجة لأسطح أكبر. كانت سلسلة طائرات داسو ميراج المثلثية عديمة الذيل ومشتقاتها من بين أكثر الطائرات المقاتلة استخدامًا. مع ذلك، حتى في طائرة ميراج، كان التحكم في الميلان عند زوايا الهجوم العالية أثناء الإقلاع والهبوط يمثل مشكلة، ولذا احتوت بعض المشتقات اللاحقة على أسطح كانارد إضافية.

الطائرة التقليدية غير مستقرة في اتجاه الانعراج، وتحتاج إلى زعنفة ذيلية للحفاظ على استقامتها. حركة الجنيحات تُحدث انحرافًا معاكسًا يُخرجها من مسار الدوران، وهو ما يتطلب أيضًا تعويضًا بواسطة الدفة . بينما يكون الجناح المائل مستقرًا في الطيران المستقيم، إلا أنه لا يزال يُعاني من انحراف معاكس أثناء الدوران. أحد الحلول هو منح الجناح التواءً كافيًا لكي يميل الجزء الخارجي منه إلى الأسفل، مما يُولّد قوة رفع سالبة. هذا يُعكس تأثير الانحراف المعاكس للجنيحات، مما يُساعد الطائرة على الدخول في الدوران ويُغني عن الحاجة إلى دفة رأسية أو مُثبِّطات السحب التفاضلية.

وقد ثبت أيضاً أن توزيع الرفع على شكل جرس يقلل من السحب المستحث لوزن معين (مقارنة بالتوزيع الإهليلجي الذي يقلله لامتداد معين). ^{[ 5 ]}

بين عامي 1905 و1913، طوّر الضابط البريطاني في الجيش البريطاني ورائد الطيران جيه دبليو دان سلسلة من الطائرات عديمة الذيل، مصممة لتكون مستقرة بطبيعتها وغير قابلة للتوقف. استوحى دان تصميمها من دراساته لطيور النورس أثناء الطيران، وتميزت بأجنحة مائلة ذات سطح علوي مخروطي. رُتّب المخروط بحيث يلتف الجناح تدريجيًا نحو الخارج باتجاه الأطراف، مما يُولّد زاوية ميل سالبة، وبالتالي قوة رفع سالبة، في الأجزاء الخارجية، ما يُحقق استقرارًا عامًا في كلٍ من الميل والانعراج. يعمل سطح تحكم واحد على الحافة الخلفية لكل طرف جناح كجنيح ومصعد في آنٍ واحد. كان لدى دان فهمٌ نوعي متقدم للمبادئ الديناميكية الهوائية ذات الصلة، حتى أنه كان يُدرك كيف تُعزز قوة الرفع السالبة عند أطراف الجناح، بالإضافة إلى زاوية الانحناء السالبة الحادة نحو الأسفل، الاستقرار الاتجاهي. ^{[ 6 ]}

على الرغم من أنها صُممت في الأصل كطائرة أحادية السطح ، إلا أن التصاميم الأولية لدون للجيش كانت تتطلب أن تكون طائرات ثنائية السطح ، وتتميز عادةً بوجود غطاء محرك بين الأجنحة مع مروحة دافعة مثبتة في الخلف وزعانف طرفية ثابتة بين كل زوج من أطراف الأجنحة.

بعد انتهاء خدمته العسكرية، في عام ١٩١٠، شاهد أورفيل رايت وغريفيث بروير طائرة D.5 ذات السطحين وهي تحلق بثبات ، وقدما تقريرًا رسميًا بذلك إلى الجمعية الملكية للملاحة الجوية . ^{[ ٧ ]} وبذلك أصبحت أول طائرة تحقق استقرارًا طبيعيًا في الطيران، بالإضافة إلى كونها أول طائرة عملية بدون ذيل. أما طائرة D.8 اللاحقة، فقد تم تصنيعها بموجب ترخيص وبيعها تجاريًا في أمريكا من قبل دبليو. ستارلينغ بورغيس تحت اسم بورغيس-دان.

كما عاد إلى طائرته أحادية السطح. كانت طائرة D.6 لعام 1911 طائرة أحادية السطح ذات جناح علوي ومحرك دافع، وتتميز بانحناء واضح في أطراف الجناح. وأصبحت أسطح التحكم تعمل أيضاً كدفات توجيه.

لا تزال العديد من أفكار دان حول الاستقرار صالحة، ومن المعروف أنه أثر على المصممين اللاحقين مثل جون ك. نورثروب (والد قاذفة القنابل الشبحية نورثروب غرومان بي-2 سبيريت ).

جي تي آر هيل والتيروداكتيل

بعد الحرب العالمية الأولى، سعى الطيار جيفري تي آر هيل أيضًا إلى تصميم مستقر لا يمكن إيقافه. وقدّم دان بعض المساعدة في البداية، ثم واصل هيل إنتاج سلسلة طائرات بتيروداكتيل عديمة الذيل بدءًا من عشرينيات القرن العشرين. كما بدأ هيل بتطوير نظرية الجناح المستقر ذاتيًا وأدمجها في تصاميمه.

دلتا ليبيش وMesserschmitt Me 163 Komet

قام المنظرون الألمان بتطوير نظرية الجناح المستقر. أنتج المصمم ألكسندر ليبش أول تصميم له بدون ذيل، وهو دلتا 1، في عام 1931. وواصل بناء سلسلة من التصاميم الأكثر تطوراً، وفي نهاية الحرب العالمية الثانية نُقل إلى أمريكا لمواصلة عمله .

خلال الحرب العالمية الثانية ، عمل ليبش مع المصمم الألماني ويلي ميسرشميت على أول طائرة بدون ذيل تدخل حيز الإنتاج، وهي طائرة Me 163 Komet . وكانت الطائرة الاعتراضية الوحيدة التي تعمل بالصواريخ والتي تم وضعها في الخدمة على الخطوط الأمامية، وكانت أسرع طائرة تصل إلى الخدمة العملياتية خلال الحرب.

الأخوان هورتن

في ثلاثينيات القرن العشرين، بدأ والتر وريمار هورتن في بناء طائرات شراعية بسيطة بدون ذيل، حلقت أولها في عام 1933. صمم آل هورتن أول جناح طائر يعمل بمحرك نفاث في العالم ، وهو طائرة هورتن هو 229.

نورثروب

بالتوازي مع ليبش، كان جاك نورثروب في الولايات المتحدة يطور أفكاره الخاصة حول تصميمات الطائرات بدون ذيل. حلقت طائرة N-1M لأول مرة عام 1941، وتلتها سلسلة من الطائرات بدون ذيل، بعضها كان أجنحة طائرة حقيقية.

دي هافيلاند دي إتش 108 سوالو

في أربعينيات القرن العشرين، طوّر مصمم الطائرات البريطاني جون كارفر ميدوز فروست طائرة بحثية نفاثة بدون ذيل تُدعى دي هافيلاند دي إتش 108 سوالو ، بُنيت باستخدام الجزء الأمامي من جسم طائرة دي هافيلاند فامباير النفاثة المقاتلة . وربما كانت إحدى هذه الطائرات من أوائل الطائرات التي كسرت حاجز الصوت ، حيث فعلت ذلك أثناء غطسة ضحلة، وسمع دويّ اختراق حاجز الصوت العديد من الشهود. وقد فُقدت الطائرات الثلاث التي بُنيت في حوادث تحطم مميتة. 

FMA I.Ae 38

كانت طائرة DINFIA IA 38 طائرة نقل تجريبية أرجنتينية بأربعة محركات بدون ذيل ، تم تصميمها في الستينيات من القرن الماضي تحت إشراف ريمار هورتن واستندت إلى مشروع Horten H.VIII الألماني وتم بناؤها بواسطة DINFIA .

نورثروب إكس-4 بانتام

على غرار طائرة دي إتش 108، كانت طائرة نورثروب إكس-4 ذات المحركين النفاثين، والتي يعود تاريخ صنعها إلى عام 1948، إحدى طائرات إكس التجريبية التي طُوّرت في الولايات المتحدة بعد الحرب العالمية الثانية للمشاركة في برامج بحثية لاستكشاف تحديات الطيران فوق الصوتي عالي السرعة وما بعده. وقد عانت من مشاكل ديناميكية هوائية مشابهة لتلك التي واجهتها طائرة دي إتش 108، إلا أن كلا النموذجين من طائرة إكس-4 نجحا في اجتياز برامج اختبار الطيران دون حوادث خطيرة خلال حوالي 80 رحلة بحثية بين عامي 1950 و1953، حيث لم تتجاوز سرعتهما القصوى 1035  كيلومترًا في الساعة (640  ميلًا في الساعة).

داسو ميراج

كانت سلسلة طائرات ميراج الفرنسية المقاتلة الأسرع من الصوت مثالاً على تصميم الجناح المثلثي بدون ذيل، وأصبحت من أكثر الطائرات النفاثة الغربية إنتاجاً. في المقابل، فإن طائرة ميكويان-غوريفيتش ميغ-21 السوفيتية المكافئة ذات الجناح المثلثي، والتي أنتجت على نطاق واسع، مزودة بمثبت ذيل.

كونفير إف 2 واي سي دارت

في خمسينيات القرن العشرين، أصبح النموذج الأولي لطائرة كونفير إف 2 واي سي دارت الطائرة المائية الوحيدة التي تجاوزت سرعة الصوت. وقد قامت شركة كونفير ببناء العديد من الطائرات الأخرى الناجحة من طراز دلتا بدون ذيل.

الطائرات الأسرع من الصوت

كانت طائرة النقل الأنجلو-فرنسية كونكورد الأسرع من الصوت ، ونظيرتها السوفيتية توبوليف تو-144 ، طائرات ركاب نفاثة أسرع من الصوت بدون ذيل، ذات أجنحة دلتا مدببة . وكثيراً ما تم الإشادة برشاقة وجمال هذه الطائرات أثناء الطيران. ^{[ 8 ]}

لوكهيد إس آر-71 بلاكبيرد

تُعد طائرة الاستطلاع الاستراتيجية الأمريكية لوكهيد SR-71 بلاك بيرد أسرع طائرة نفاثة مأهولة، حيث تصل سرعتها إلى ما يزيد عن 3 ماخ.

ناسا براندتل-دي

طُوِّر جناح "PRANDTL-D" (التصميم الديناميكي الهوائي الأولي لأبحاث ناسا لتقليل السحب) على يد آل باورز في مركز أبحاث الطيران التابع لناسا في أرمسترونغ . استلهم باورز فكرته من أعمال لودفيج براندتل ، ومثل دان، من مراقبة طيران الطيور. وكما هو الحال في تصميم دان، يتميز هذا الجناح بانحناء كافٍ لضبط أطرافه بزاوية سالبة، مما يُنتج نفس اقتران الدوران والانعراج الموجب. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} أجرى باورز تحليلًا كميًا لخصائص الرفع، مما أدى إلى اكتشافه لتوزيع الرفع على شكل جرس، والذي يُقلل السحب المُستحث لوزن الطائرة. وقد طبّق هذا التوزيع في سلسلة تصاميم "Prandtl-D". ^{[ 5 ]} وبحلول نهاية عام 2017، كان قد حلّق بثلاثة نماذج بحثية من هذا النوع. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

• بولسن، سي إم "تجارب بدون ذيل، تكريمًا لرائد بريطاني: طائرات دان ذات السطحين والسطح الأحادي." ، "ص 557." ، "ص 558." فلايت ، 27 مايو 1943، ص 556-558.