مثبت رأسي

يتكون الذيل العمودي للطائرة عادةً من مثبت عمودي ثابت أو زعنفة مثبت عليها دفة متحركة. وقد يُركب لوح ضبط مماثل على الدفة. ويتمثل دورهما معًا في تمكين ضبط الطائرة في اتجاه الانعراج (تعويض العزوم في الانعراج الناتجة عن أي عدم تناسق في الدفع أو السحب )، وتمكين التحكم في الطائرة في اتجاه الانعراج (على سبيل المثال، لبدء الانزلاق الجانبي أثناء الهبوط في وجود رياح جانبية )، بالإضافة إلى توفير الاستقرار في اتجاه الانعراج (استقرار اتجاهي). ^{[ 4 ]}

كلما ابتعد الذيل العمودي عن مركز الثقل، زادت فعاليته. ولذلك، تتميز الطائرات الأقصر عادةً بذيل عمودي أكبر؛ فعلى سبيل المثال، يكون الذيل العمودي لطائرة إيرباص A318 القصيرة أكبر من نظيره في طائرات عائلة A320 الأطول .

تعتمد فعالية الذيل العمودي على كفاءته ومعامل حجم الذيل العمودي ^{[ 5 ]} (يسمى أيضًا نسبة الحجم ^{[ 6 ]} )، والذي يُضفي بُعدًا غير بُعدي على مساحته وذراعه بأبعاد الجناح الرئيسي:

${\displaystyle V_{\text{v}}={\frac {S_{\text{v}}L_{\text{tail-CG}}}{S_{\text{w}}L_{\text{w}}}}}$

(حيث المؤشرات${\displaystyle V}$و${\displaystyle W}$يرمزان إلى الذيل العمودي والجناح على التوالي،${\displaystyle S}$يرمز إلى المساحة، و${\displaystyle L_{\text{w}}}$يمثل عادةً متوسط ​​الوتر الديناميكي الهوائي . تختلف قيم معامل الذيل الرأسي اختلافًا طفيفًا فقط من نوع طائرة إلى آخر، حيث تتراوح القيم القصوى من 0.02 (طائرة شراعية) إلى 0.09 (طائرة نقل نفاثة). ^{[ 5 ]}

كفاءة الذيل هي نسبة الضغط الديناميكي عند الذيل إلى الضغط الديناميكي في التيار الحر. ويبلغ الذيل أقصى قدرة له عند غمره في التيار الحر بكفاءة تساوي واحدًا. وعند غمره جزئيًا في منطقة اضطراب، تقل فعاليته لأن الضغط الديناميكي في منطقة الاضطراب أقل من الضغط الديناميكي في التيار الحر. وقد يلزم زيادة ارتفاع الزعنفة لاستعادة فعاليته المطلوبة في ظروف طيران معينة. وقد زُوِّدت طائرة بانافيا تورنادو بزعنفة عالية لتحقيق استقرار اتجاهي عند زوايا سقوط عالية. ^{[ 7 ]}

الدفة هي سطح التحكم الاتجاهي ، وعادةً ما تكون مثبتة بمفصل على الزعنفة أو المثبت الرأسي. يسمح تحريكها للطيار بالتحكم في الانعراج حول المحور الرأسي، أي تغيير الاتجاه الأفقي الذي تشير إليه مقدمة الطائرة.

عادةً ما يتم التحكم في أقصى انحراف للدفة بواسطة محدد حركة الدفة . تُسمى أكبر زاوية يمكن أن تصل إليها الدفة في ظروف طيران معينة بحدّ التفريغ . وهو يمثل توازناً بين القوى الديناميكية الهوائية المؤثرة على الدفة والقوى الميكانيكية الناتجة عن آلية التشغيل. ^{[ 8 ]}

تتميز الطائرات متعددة المحركات، وخاصة تلك المزودة بمحركات مثبتة على الأجنحة، بدفات توجيه كبيرة وقوية. ويُشترط أن توفر هذه الدفات تحكمًا كافيًا بعد تعطل أحد المحركات أثناء الإقلاع بأقصى وزن وفي ظل حدود الرياح الجانبية ^{[ 9 ]} ، بالإضافة إلى قدرتها على العمل في ظل الرياح الجانبية أثناء الإقلاع والهبوط العاديين. ^{[ 10 ]}

أثناء السير على المدرج وبداية الإقلاع، تُوجَّه الطائرات باستخدام مزيج من دفة التوجيه وتدوير العجلة الأمامية أو الخلفية. عند السرعات المنخفضة، تكون للعجلة الأمامية أو الخلفية التأثير الأكبر في التحكم، ولكن مع ازدياد السرعة، يزداد تأثير دفة التوجيه الديناميكي الهوائي، مما يجعلها أكثر أهمية للتحكم في الانعراج. في بعض الطائرات (وخاصةً الصغيرة منها)، تُتحكَّم كلتا الآليتين بواسطة دواسات دفة التوجيه ، فلا يشعر الطيار بأي فرق. أما في طائرات أخرى، فيوجد ذراع توجيه خاص يتحكم في توجيه العجلات، بينما تتحكم الدواسات في دفة التوجيه، مع نطاق محدود لتوجيه العجلات (عادةً 5 درجات لتوجيه العجلة الأمامية). في هذه الطائرات، يتوقف الطيارون عن استخدام ذراع التوجيه بعد محاذاة الطائرة مع المدرج قبل الإقلاع، ويبدأون باستخدامه بعد الهبوط وقبل الانعطاف، وذلك لتجنب التصحيح المفرط باستخدام ذراع التوجيه الحساس عند السرعات العالية. يمكن أيضًا استخدام الدواسات لإجراء تصحيحات طفيفة أثناء السير في خط مستقيم، أو عند الدخول أو الخروج من منعطف، قبل استخدام المقود، للحفاظ على سلاسة الانعطاف.

مع وضع أدوات التحكم في الوضع المحايد، قد تنحرف الطائرة قليلاً إلى أحد الجانبين. ويتم تصحيح ذلك من خلال ضبط سطح التوازن، والذي غالبًا ما يكون عبارة عن لوحة توازن منفصلة مثبتة على الدفة، ولكن في بعض الأحيان تكون الدفة نفسها، وذلك لموازنة الانحراف وضمان طيران الطائرة في خط مستقيم.

يؤدي تغيير إعداد لوحة التوازن إلى تعديل الوضع المحايد أو وضع الراحة لسطح التحكم (مثل المصعد أو الدفة). ومع تغير الوضع المطلوب لسطح التحكم (والذي يتوافق أساسًا مع اختلاف السرعات)، تسمح لوحة التوازن القابلة للتعديل للمشغل بتقليل القوة اليدوية اللازمة للحفاظ على هذا الوضع، وصولًا إلى الصفر عند استخدامها بشكل صحيح. وبالتالي، تعمل لوحة التوازن كلوح مؤازر . ولأن مركز ضغط لوحة التوازن أبعد عن محور دوران سطح التحكم من مركز ضغط سطح التحكم نفسه، فإن الحركة الناتجة عن اللوحة يمكن أن تتطابق مع الحركة الناتجة عن سطح التحكم. وسيتغير موضع سطح التحكم على محوره حتى يتوازن عزم الدوران الناتج عن سطح التحكم مع عزم الدوران الناتج عن لوحة التوازن.

• 
  الحركة الناتجة عن استخدام الدفة
• 
  يتم التحكم في الدفة من خلال دواسات الدفة الموجودة في الجزء الخلفي السفلي من عصا التحكم في هذه الصورة لقمرة قيادة طائرة بوينغ 727.
• 
  الدفة وجهاز ضبط التوازن في الطائرات الخفيفة
• 
  تُعدّ الدفات المائية في طائرة سيسنا 208 كارافان المائية عبارة عن أسطح عمودية صغيرة في الجزء الخلفي من كل عوامة. ويتم التحكم في ضبطها من قمرة القيادة.

يلعب الذيل العمودي دورًا حاسمًا في استقرار الطائرة حول محور الانعراج، إذ يوفر معظم عزم الاستعادة المطلوب حول مركز الثقل عند انزلاق الطائرة. ويُقاس استقرار الطائرة حول محور الانعراج عادةً باستخدام مشتق معامل العزم بالنسبة لزاوية الانعراج. ^{[ 6 ]}

يتأثر تدفق الهواء فوق الذيل العمودي غالبًا بجسم الطائرة وأجنحتها ومحركاتها، سواءً من حيث المقدار أو الاتجاه. ^{[ 6 ]} يمكن للجناح الرئيسي والمثبت الأفقي، إذا كانا مائلين بزاوية كبيرة ، أن يُسهما بشكل كبير في استقرار الطائرة عند الانعراج؛ فالأجنحة المائلة للخلف تميل إلى زيادة هذا الاستقرار. مع ذلك، فإن ميل الجناح والذيل الأفقي للطائرة التقليدية لا يؤثر على توازنها عند الانعراج. ^{[ 6 ]}

قد يكون للزاوية الثنائية في الجناح الرئيسي والذيل الأفقي تأثير طفيف على استقرار الانعراج الساكن. هذا التأثير معقد ومرتبط بتأثير انحناء الجناح وتدفق الهواء حول جسم الطائرة. ^{[ 6 ]}

يمكن للمراوح ، وخاصة عندما تتقدم بحيث يشكل محورها زاوية مع سرعة التدفق الحر ، أن تؤثر على الاستقرار الساكن للطائرة في الانعراج. ^{[ 6 ]}

يؤثر الذيل العمودي على سلوك الطائرة أثناء الدوران ، إذ يقع مركزه الديناميكي الهوائي عادةً أعلى بكثير من مركز ثقل الطائرة. ^{[ 1 ]} عندما تنزلق الطائرة إلى اليمين، تتحول قوة الرياح النسبية والقوة الجانبية المؤثرة على الذيل العمودي إلى عزم دوران عكس اتجاه عقارب الساعة أثناء الدوران. ^{[ 6 ]}

في الطيران الأسرع من الصوت، يقل تأثير الذيل العمودي تدريجيًا مع ازدياد رقم ماخ، حتى يصبح فقدان الاستقرار غير مقبول. ^{[ 11 ]} ويقل الاستقرار لأن قوة الرفع، أو القوة الجانبية، التي يولدها الذيل تتناقص مع السرعة لكل درجة من زاوية الانزلاق الجانبي (ميل منحنى الرفع). وينتج هذا عن اختلاف توزيع الضغط اختلافًا كبيرًا، مع وجود موجات صدمية وموجات تمدد، مقارنةً بالطيران دون سرعة الصوت. ^{[ 12 ]} ولتحقيق الاستقرار المطلوب عند أقصى سرعة تشغيل للطائرة، يمكن تكبير الذيل العمودي، كما هو الحال في طائرة نورث أمريكان إف-100 سوبر سيبر (حيث تم التقليل من تقدير مساحة الزعنفة الأولية). ويمكن إضافة مساحة إضافية عن طريق تركيب زعانف بطنية (كما هو الحال في الإصدارات الأحدث والأسرع من طائرة فوت إف-8 كروسيدر )، أو أطراف أجنحة قابلة للطي (كما هو الحال في طائرة نورث أمريكان إكس بي-70 فالكيري ). وإذا لم يكن الذيل الأكبر حجمًا مقبولًا، فيمكن استخدام انحرافات الدفة التلقائية لزيادة القوة الجانبية للذيل واستعادة الاستقرار الاتجاهي. وقد استُخدمت هذه الطريقة في طائرة أفرو آرو . ^{[ 13 ]}

يحتوي الذيل العمودي أحيانًا على زعنفة ظهرية أو حافة مشطوفة عند قاعدته الأمامية، مما يساعد على زيادة زاوية التوقف للسطح العمودي (مما يؤدي إلى توليد قوة رفع دوامية)، وبالتالي يمنع ظاهرة تُعرف باسم انغلاق الدفة أو انعكاسها. يحدث انغلاق الدفة عندما تنعكس القوة المؤثرة على الدفة المنحرفة (كما في حالة الانزلاق الجانبي المستمر ) فجأةً مع توقف الذيل العمودي. قد يؤدي ذلك إلى بقاء الدفة عالقة عند أقصى انحراف، مع عجز الطيار عن إعادة توسيطها. ^{[ 14 ]} تم إدخال الزعنفة الظهرية في أربعينيات القرن العشرين، على سبيل المثال في طائرة دوغلاس دي سي-4 عام 1942 ، قبل ظهور الزعانف الجناحية في الطائرات المقاتلة التي طُوّرت في سبعينيات القرن العشرين، مثل طائرة إف-16 . ^{[ 15 ]}

يتعرض كل من الدفة والزعنفة في الطائرات الكبيرة أو السريعة لقوة كبيرة تزداد مع انحراف الدفة. وتحدث حالة قصوى عند الخروج عن السيطرة على الطيران، والمعروفة بالاضطراب، والذي يُمثل في سياق الزعنفة والدفة انزلاقًا جانبيًا مفرطًا. بالنسبة لطائرات النقل الكبيرة، يأتي عزم الاستقرار اللازم لاستعادة السيطرة من الزعنفة مع حاجة ضئيلة لانحراف الدفة. لا يُشترط على هذه الطائرات تحمل انحرافات الدفة شبه الكاملة في هذه الظروف ^{[ 16 ]} لأن الوزن الهيكلي المطلوب لمنع الانهيار الهيكلي سيجعلها غير مجدية تجاريًا. وقد حدث فقدان كامل لمجموعة الزعنفة والدفة في رحلة الخطوط الجوية الأمريكية رقم 587 عندما استخدم الطيار انحرافات الدفة الكاملة أثناء تتبعه لطائرة نفاثة كبيرة جدًا. ^{[ 17 ]}

تسببت اضطرابات الهواء الصافي في تعطل مجموعة الزعنفة والدفة بالكامل في قاذفة بوينغ بي-52 ستراتوفورتريس، وبعد ذلك هبط الطيارون بنجاح. سجلت قاذفات بي-52 المجهزة بأجهزة قياس هبات الرياح وأحمال المناورة هبات رياح ناتجة عن اضطرابات الهواء الصافي تتجاوز بكثير الحد التصميمي، مع أعلى الأحمال عند ارتفاع 34000 قدم. ^{[ 18 ]}

كان سبب عطل الزعنفة في النموذج الأولي لطائرة إنجلش إلكتريك لايتنينج T4 هو اقتران الدوران بالقصور الذاتي أثناء الدوران السريع. تم تكبير الزعنفة وتقويتها وفرض قيود على معدل الدوران. ومع ذلك، فقد تعرضت أول طائرة T5 أيضًا لعطل في الزعنفة أثناء تجارب الدوران السريع مع تمديد حزمة الصواريخ. ^{[ 19 ]}

فقدت طائرة لايتنينغ زعنفتها نتيجة احتكاك بين طائرتين متقاربتين على ارتفاع منخفض أثناء تحليقهما في تشكيل جوي بسرعة 0.97 ماخ، وذلك ضمن عرض جوي استعراضي. وقد فُرضت قيودٌ، من بينها الفصل بين الطائرتين أثناء التحليق في التشكيل. ^{[ 19 ]}

يُعدّ اهتزاز الزعانف مشكلةً حرجةً للطائرات المقاتلة ذات الزعانف المزدوجة أو المفردة، إذ يُقلّل من عمر هيكل الزعنفة بفعل الأحمال المتذبذبة الناتجة عن الدوامات المتفجرة التي تصطدم بها. وتتعرض الزعنفة المفردة في طائرة يوروفايتر تايفون لأحمال اهتزاز ناتجة عن دوامات متفجرة تنشأ من الكانارد والحواف الأمامية للجناح عند زوايا هجوم عالية. كما تُطلق جوانب المكابح الهوائية العلوية، عند انحرافها، دوامات تصطدم بالزعنفة بعد انفجارها. ويبلغ الاهتزاز الناتج عن المكابح الهوائية الممتدة ذروته عندما تكون زاوية الهجوم الفعّالة للمكابح الهوائية في أقصى حدّ لها، والتي تكون في أقصى حدّ لها عند زاوية هجوم منخفضة للطائرة، وفي أدنى حدّ لها أثناء المناورة. ^{[ 20 ]} وتتعرض الزعانف المزدوجة لطائرة ماكدونيل دوغلاس إف/إيه-18 هورنت للاهتزاز الناتج عن انهيار أو انفجار دوامة امتداد الحافة الأمامية (LEX) أمام الذيل. ^{[ 21 ]} إن إضافة حاجز LEX يقلل بشكل كبير من الاهتزازات ويزيد من عمر الزعانف. ^{[ 22 ]}

• 
  طائرة B-52H (رقم التسلسل 61-0023 التابع للقوات الجوية)، المجهزة بأجهزة قياس أحمال الرياح العاتية للتحقيق في الأعطال الهيكلية، كانت لا تزال تحلق بعد فقدان مثبتها الرأسي في اضطراب جوي شديد في 10 يناير 1964. هبطت الطائرة بسلام. ^{[ 23 ]}
• 
  طائرة F/A-18C مزودة بحاجز LEX الذي يقلل من اهتزاز الزعانف
• 
  إعصار يُظهر فرامل هوائية ممتدة تُسبب اهتزازًا كبيرًا للزعانف

الطائرات ذات الزعانف المتحركة بالكامل، ولكنها لم تدخل الخدمة، كانت طائرات نورث أمريكان إف-107 ^{[ 24 ]} وباك تي إس آر-2 . ^{[ 25 ]}

استخدمت طائرتا لوكهيد إس آر-71 بلاكبيرد ونورث أمريكان إكس-15 أطرافًا ثابتة للزعانف ودفات توجيه لبقية الارتفاع. كانت دفات التوجيه التقليدية غير كافية لطائرة إس آر-71 نظرًا للحاجة إلى انحرافات مفرطة في حالة تعطل المحرك، مما كان سيؤدي إلى مقاومة هواء غير مقبولة. ^{[ 26 ]} أظهرت التصاميم الأولية المقترحة لطائرة إكس-15 زعنفة ثابتة تقليدية ودفة توجيه خلفية، بالإضافة إلى زعنفة بطنية. تم تغيير هذا التصميم لاحقًا إلى زعنفتين، ظهرية وبطنية، حيث يعمل النصف الخارجي لكل منهما كدفة توجيه. ^{[ 27 ]}

• 
  طائرة نورث أمريكان إكس-15 تُظهر دفات توجيه كاملة الوتر على مثبتات ظهرية وبطنية ثابتة
• 
  استخدمت طائرة نورث أمريكان إيه-5 فيجيلانتي زعنفة عمودية متحركة بالكامل

تحتوي الطائرات ذات الذيل المزدوج على مثبتين رأسيين. وتستخدم العديد من الطائرات المقاتلة الحديثة هذا التصميم. ويمكن استخدام الدفاتين المزدوجتين في وضعية الهبوط مع عجلات الهبوط لتوفير تحكم طولي إضافي عن طريق تقريب أو توسيع مقدمة الطائرة (كما في طائرة ماكدونيل دوغلاس إف/إيه-18 هورنت ^{[ 28 ]} ). كما تُستخدم الدفاتان المزدوجتان كمكابح هوائية، كما هو الحال في طائرة لوكهيد مارتن إف-22 رابتور التي تستخدم دفة تفاضلية، بالإضافة إلى انحرافات أسطح التحكم الأخرى، للتحكم في السرعة لعدم وجود مكابح هوائية مخصصة لها. ^{[ 29 ]}

قد يكون الذيل المزدوج إما ذيلًا على شكل حرف H، وهو عبارة عن هيكل زعنفة/دفة مزدوج متصل بجسم طائرة واحد، مثل قاذفة القنابل المتوسطة نورث أمريكان بي-25 ميتشل أو أفرو لانكستر ، أو ذيلًا مزدوجًا حيث يتكون الهيكل الخلفي من هيكلين منفصلين لكل منهما زعنفة ودفة واحدة متصلة بمثبت أفقي، مثل طائرة نورث أمريكان روكويل أو في-10 برونكو أو طائرة النقل أرمسترونج ويتوورث إيه دبليو.660 أرجوسي .

يُعدّ الذيل الثلاثي نوعًا مُعدّلًا من الذيل المزدوج، إذ يحتوي على ثلاثة مُثبّتات رأسية. وقد زُوّدت طائرة أفرو مانشستر، التي تعود إلى حقبة الحرب العالمية الثانية، بزعنفة ثالثة عندما تبيّن عدم كفاية الزعنفة المزدوجة الأصلية. واستخدمت طائرة لوكهيد كونستليشن ثلاث زعانف لتوفير مساحة التثبيت الرأسي المطلوبة، مع الحفاظ في الوقت نفسه على ارتفاعها الإجمالي منخفضًا بما يكفي لدخولها حظائر الطائرات للصيانة.

لا يحتوي الذيل على شكل حرف V على مثبتات رأسية أو أفقية منفصلة، ​​بل يتم دمجها في أسطح تحكم تُعرف باسم الدفة، والتي تتحكم في كل من الميل والانعراج. يشبه هذا التصميم حرف V، ويُعرف أيضًا باسم "ذيل الفراشة". تستخدم طائرة بيتشكرافت بونانزا موديل 35 هذا التصميم، وكذلك طائرة لوكهيد إف-117 نايت هوك .

تُستخدم الجنيحات الصغيرة في تصميم الجناح الأمامي الدافع لطائرتي روتان فاري إيز وروتان لونغ إي زد ، حيث تعمل كجهاز طرفي للجناح ومثبت رأسي. وتستخدم العديد من الطائرات المشتقة الأخرى من هاتين الطائرتين، بالإضافة إلى طائرات أخرى مماثلة، عنصر التصميم هذا.

• 
  طائرة لوكهيد كونستليشن ذات ذيل ثلاثي
• 
  الذيل على شكل حرف V لطائرة فوغا CM.170 ماجيستر التابعة لسلاح الجو البلجيكي
• 
  الذيل على شكل حرف V للطائرة YF-23
• 
  كانت طائرة كابروني Ca.3 مزودة بذراعين مزدوجين وذيل ثلاثي.
• 
  روتان لونج-إي زد
• 
  طائرة بوينغ 707-420 مزودة بزعنفة ذيل بطنية إضافية
• 
  تصميم الذيل المزدوج لطائرة غرومان إف-14 تومكات

ينثني الجزء العلوي من الزعنفة العمودية في طائرة نورث أمريكان A-5 فيجيلانتي إلى الجانب بسبب قيود ارتفاع سطح حظيرة الطائرات.

• 
  طائرات نورث أمريكان إيه-5 فيجيلانت ، إحداها بزعنفة مطوية