مثبت عمودي

المثبت الرأسي أو زعنفة الذيل ^{[1] [2]} هو الجزء الثابت من الذيل الرأسي للطائرة . [ ^1] يُطبق المصطلح عادةً على مجموعة كل من هذا السطح الثابت ودفة واحدة أو أكثر متحركة متصلة به. يتمثل دورها في توفير التحكم والاستقرار والضبط في الانحراف (المعروف أيضًا باسم الاستقرار الاتجاهي أو استقرار دوارة الطقس). إنه جزء من ذيل الطائرة ، وتحديدًا مثبتاتها .

يتم تثبيت الذيل العمودي ^[3] عادةً أعلى الجزء الخلفي من جسم الطائرة، مع تثبيت المثبتات الأفقية على جانب جسم الطائرة (تكوين يُطلق عليه "الذيل التقليدي"). تُستخدم أحيانًا تكوينات أخرى، مثل الذيل على شكل حرف T أو الذيل المزدوج ، بدلاً من ذلك.

وقد تم استخدام المثبتات الرأسية أحيانًا في رياضة السيارات ، على سبيل المثال في سباقات لومان النموذجية .

يتكون الذيل الرأسي للطائرة عادةً من مثبت رأسي ثابت أو زعنفة مثبت عليها دفة متحركة. وبالمثل، يمكن تثبيت علامة تبويب الضبط على الدفة. معًا، يتمثل دورهما في تمكين الضبط في اتجاه الانحراف (تعويض اللحظات في الانحراف الناتجة عن أي عدم تناسق في الدفع أو السحب )، وتمكين التحكم في الطائرة في الانحراف (على سبيل المثال، لبدء الانزلاق الجانبي أثناء الهبوط في الرياح المتقاطعة )، بالإضافة إلى توفير الاستقرار في الانحراف (مقياس الطقس أو الاستقرار الاتجاهي). ^[4]

كلما كان موضعها بعيدًا عن مركز الثقل أكبر، كلما كان الذيل العمودي أكثر فعالية. وبالتالي، تتميز الطائرات الأقصر عادةً بذيول عمودية أكبر؛ على سبيل المثال، الذيل العمودي لطائرة إيرباص A318 القصيرة أكبر من نظيرها الأطول في عائلة A320 .

تعتمد فعالية الذيل العمودي على كفاءته ومعامل حجم الذيل العمودي ^[5] (يسمى أيضًا نسبة الحجم ^[6] )، والذي يجعل مساحته وذراعه غير أبعادية مع أبعاد الجناح الرئيسي:

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

(حيث تمثل المؤشرات و الذيل الرأسي والجناح على التوالي، وتمثل المساحة، و هو عادة متوسط ​​الوتر الديناميكي الهوائي ). تختلف قيم معامل الذيل الرأسي بشكل طفيف فقط من طائرة إلى أخرى، مع قيم متطرفة تتراوح من 0.02 (طائرة شراعية) إلى 0.09 (طائرة نفاثة للنقل). ^[5]${\displaystyle V}$${\displaystyle W}$${\displaystyle S}$${\displaystyle L_{\text{w}}}$

كفاءة الذيل هي نسبة الضغط الديناميكي عند الذيل إلى الضغط في التيار الحر. يتمتع الذيل بقدرته القصوى عندما يكون مغمورًا في التيار الحر بكفاءة تساوي واحدًا. عندما يكون مغمورًا جزئيًا في أعقاب الطائرة، تقل فعاليته لأن أعقاب الطائرة لها ضغط ديناميكي أقل من التيار الحر. قد يلزم زيادة ارتفاع الزعنفة لاستعادة فعاليتها المطلوبة في ظروف طيران معينة. كانت طائرة بانافيا تورنادو مزودة بزعانفة طويلة لتحقيق الاستقرار الاتجاهي عند زوايا سقوط عالية. ^[7]

الدفة هي سطح التحكم في الاتجاه وعادة ما تكون متصلة بالزعانف أو المثبت الرأسي. ويسمح تحريكها للطيار بالتحكم في الانحراف حول المحور الرأسي، أي تغيير الاتجاه الأفقي الذي يشير إليه الأنف.

يتم التحكم في أقصى انحراف للدفة عادةً بواسطة محدد حركة الدفة . تُسمى أكبر زاوية يمكن تحقيقها للدفة في حالة طيران معينة بحد النفخ. وهو يمثل التوازن بين القوى الديناميكية الهوائية على الدفة والقوى الميكانيكية من آلية التشغيل. ^[8]

تتمتع الطائرات متعددة المحركات، وخاصة تلك التي تحتوي على محركات مثبتة على الأجنحة، بدفات قوية وكبيرة. وهي مطلوبة لتوفير التحكم الكافي بعد فشل المحرك عند الإقلاع عند أقصى وزن وحد أقصى للرياح المتقاطعة ^[9] والقدرة على مواجهة الرياح المتقاطعة عند الإقلاع والهبوط العاديين. ^[10]

بالنسبة للتحرك على المدرج وأثناء بداية الإقلاع، يتم توجيه الطائرات من خلال مزيج من مدخلات الدفة بالإضافة إلى تدوير عجلة الأنف أو عجلة الذيل. عند السرعات البطيئة، تتمتع عجلة الأنف أو عجلة الذيل بأكبر قدر من سلطة التحكم، ولكن مع زيادة السرعة تزداد التأثيرات الديناميكية الهوائية للدفة، مما يجعل الدفة أكثر وأكثر أهمية للتحكم في الانحراف. في بعض الطائرات (الطائرات الصغيرة بشكل أساسي) يتم التحكم في كلتا هاتين الآليتين بواسطة دواسات الدفة ، لذلك لا يوجد فرق بالنسبة للطيار. في طائرات أخرى، يوجد دفة خاصة تتحكم في توجيه العجلة وتتحكم الدواسات في الدفة، وكمية محدودة من توجيه العجلة (عادة 5 درجات من توجيه عجلة الأنف). بالنسبة لهذه الطائرات، يتوقف الطيارون عن استخدام الدفة بعد الاصطفاف مع المدرج قبل الإقلاع، ويبدأون في استخدامها بعد الهبوط قبل الخروج من المدرج، لمنع التصحيح الزائد مع الدفة الحساسة بسرعات عالية. يمكن أيضًا استخدام الدواسات لإجراء تصحيحات صغيرة أثناء السير في خط مستقيم، أو أثناء الدخول إلى منعطف أو الخروج منه، قبل تطبيق الدفة، للحفاظ على سلاسة المنعطف. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

مع وجود أدوات التحكم في الوضع المحايد، قد تنحرف الطائرة برفق إلى أحد الجانبين. يتم تصحيح ذلك من خلال ضبط سطح التشذيب، غالبًا ما يكون عبارة عن لسان تقليم منفصل مثبت على الدفة ولكن في بعض الأحيان يكون مثبتًا على الدفة نفسها، لمقاومة الانحراف وضمان طيران الطائرة في خط مستقيم. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يؤدي تغيير إعداد لسان الضبط إلى ضبط الوضع المحايد أو وضع السكون لسطح التحكم (مثل المصعد أو الدفة). ومع تغير الوضع المطلوب لسطح التحكم (بما يتوافق بشكل أساسي مع السرعات المختلفة)، فإن لسان الضبط القابل للتعديل سيسمح للمشغل بتقليل القوة اليدوية المطلوبة للحفاظ على هذا الوضع - إلى الصفر، إذا تم استخدامه بشكل صحيح. وبالتالي يعمل لسان الضبط كلسان سيرفو . ولأن مركز ضغط لسان الضبط أبعد عن محور دوران سطح التحكم من مركز ضغط سطح التحكم، فإن الحركة الناتجة عن اللسان يمكن أن تتطابق مع الحركة الناتجة عن سطح التحكم. سيتغير موضع سطح التحكم على محوره حتى يتوازن عزم الدوران من سطح التحكم وسطح الضبط مع بعضهما البعض. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

• 
  الحركة الناتجة عن استخدام الدفة
• 
  يتم التحكم في الدفة من خلال دواسات الدفة الموجودة في الجزء الخلفي السفلي من نير الطائرة في هذه الصورة لمقصورة القيادة لطائرة بوينج 727.
• 
  دفة وعلامة الزخرفة في طائرة خفيفة
• 
  دفات المياه في طائرة سيسنا 208 كارافان العائمة هي الأسطح الرأسية الصغيرة في الطرف الخلفي لكل عوامة. يتم التحكم في إعدادها من قمرة القيادة.

يلعب الذيل الرأسي دورًا حاسمًا في استقرار الانحراف، حيث يوفر معظم عزم الاستعادة المطلوب حول مركز الثقل عندما تنزلق الطائرة. يتم عادةً تحديد استقرار الانحراف باستخدام مشتق معامل العزم بالنسبة لزاوية الانحراف. ^[6]

غالبًا ما يتأثر تدفق الهواء فوق الذيل الرأسي بجسم الطائرة وأجنحتها ومحركاتها، سواء من حيث المقدار أو الاتجاه. ^[6] يمكن للجناح الرئيسي والمثبت الأفقي، إذا كانا مائلين للغاية ، أن يساهما بشكل كبير في استقرار الانحراف؛ تميل الأجنحة المائلة للخلف إلى زيادة استقرار الانحراف. ومع ذلك، لا يؤثر الانحراف في الجناح والذيل الأفقي للطائرة التقليدية على تقليم الطائرة في الانحراف. ^[6]

يمكن أن يكون للانحناء ثنائي السطوح في الجناح الرئيسي والذيل الأفقي أيضًا تأثيرًا صغيرًا على استقرار الانحراف الثابت. هذا التأثير معقد ومقترن بتأثير اكتساح الجناح وتدفقه حول جسم الطائرة. ^[6]

يمكن للمراوح ، وخاصة عندما تتقدم بحيث يشكل محورها زاوية مع سرعة التيار الحر ، أن تؤثر على الاستقرار الثابت للطائرة في حالة الانحراف. ^[6]

يؤثر الذيل العمودي على سلوك الطائرة أثناء التدحرج ، حيث يقع مركزه الديناميكي الهوائي عادةً بعيدًا عن مركز ثقل الطائرة. ^[1] عندما تنزلق الطائرة إلى اليمين، تترجم الرياح النسبية والقوة الجانبية على الذيل العمودي إلى عزم عكس اتجاه عقارب الساعة أثناء التدحرج. ^[6]

في الطيران الأسرع من الصوت، يصبح الذيل العمودي أقل فعالية تدريجيًا مع زيادة رقم ماخ حتى يصبح فقدان الاستقرار غير مقبول بعد الآن. ^[11] ينخفض ​​الاستقرار لأن الرفع، أو القوة الجانبية، التي يولدها الذيل تقل مع السرعة لكل درجة من زاوية الانزلاق الجانبي (ميل منحنى الرفع). ينتج هذا عن توزيع الضغط المختلف تمامًا، مع موجات الصدمة وموجات التمدد، مقارنةً بالطيران دون الصوتي. ^[12] لتحقيق الاستقرار المطلوب عند أقصى سرعة تشغيل للطائرة، يمكن تكبير الذيل العمودي، كما هو الحال في North American F-100 Super Sabre (تم التقليل من تقدير متطلبات مساحة الزعنفة الأولية). يمكن إضافة مساحة إضافية عن طريق تركيب زعانف بطنية (مثل الإصدارات الأحدث ذات السرعة الأعلى من Vought F-8 Crusader )، أو أطراف الأجنحة القابلة للطي (مثل North American XB-70 Valkyrie ). إذا لم يكن الذيل الأكبر مقبولاً، فيمكن استخدام انحرافات الدفة التلقائية لزيادة قوة جانب الذيل واستعادة الاستقرار الاتجاهي. تم استخدام هذه الطريقة في Avro Arrow . ^[13]

يتميز الذيل الرأسي أحيانًا بزعنفة ظهرية أو زعنفة جانبية عند قاعدته الأمامية، مما يساعد على زيادة زاوية توقف السطح الرأسي (مما يؤدي إلى رفع الدوامة)، وبهذه الطريقة يمنع ظاهرة تسمى قفل الدفة أو عكس الدفة. يحدث قفل الدفة عندما تنعكس القوة على الدفة المنحرفة (على سبيل المثال في انزلاق جانبي ثابت ) فجأة مع توقف الذيل الرأسي. قد يؤدي هذا إلى توقف الدفة عند الانحراف الكامل مع عدم قدرة الطيار على إعادة مركزها. ^[14] تم تقديم الزعنفة الظهرية في الأربعينيات من القرن الماضي، على سبيل المثال في طائرة دوغلاس دي سي-4 عام 1942 ، والتي سبقت أجنحة الطائرات المقاتلة التي تم تطويرها في السبعينيات، مثل إف -16 . ^[15]

إن الدفة والزعانف في الطائرات الكبيرة أو السريعة تخضع كل منهما لقوة كبيرة تزداد مع انحراف الدفة. وتحدث حالة متطرفة عند الانحراف عن مسار الطيران المتحكم فيه، والمعروف باسم الانزعاج، والذي في سياق الزعنفة والدفة هو انزلاق جانبي مفرط. بالنسبة لطائرات النقل الكبيرة، تأتي لحظة الاستقرار اللازمة للتعافي من الزعنفة مع القليل من المتطلبات لانحراف الدفة. لا تتطلب هذه الطائرات تحمل انحرافات الدفة شبه الكاملة في هذه الظروف ^[16] لأن الوزن الهيكلي المطلوب لمنع الفشل الهيكلي من شأنه أن يجعلها غير قابلة للتطبيق تجاريًا. حدث فقدان مجموعة الزعنفة والدفة بالكامل في رحلة الخطوط الجوية الأمريكية رقم 587 عندما استخدم الطيار انحرافات الدفة الكاملة أثناء ملاحقة طائرة نفاثة كبيرة جدًا. ^[17]

تسببت الاضطرابات الجوية الصافية في فشل مجموعة الزعنفة والدفة بالكامل في طائرة بوينج بي-52 ستراتوفورتريس، وبعدها هبط الطيارون بنجاح. سجلت قاذفات بي-52 المجهزة بأحمال هبات من الاضطرابات الجوية الصافية أكثر بكثير من الحد الأقصى للتصميم مع أعلى الأحمال عند 34000 قدم. ^[18]

كان سبب فشل زعنفة النموذج الأولي لـ English Electric Lightning T4 هو اقتران اللفة بالقصور الذاتي أثناء القيام بلفات عالية السرعة. تم تكبير الزعنفة وتقويتها وفرض قيود على معدل اللفة. ومع ذلك، عانت زعنفة T5 الأولى أيضًا من فشل أثناء القيام بتجارب اللفة السريعة مع تمديد حزمة الصاروخ. ^[19]

فقدت طائرة لايتنينج زعنفتها بسبب التفاعل بين الطائرات القريبة على مستوى منخفض أثناء الطيران في تشكيل عند M 0.97، وهو روتين عرض بهلواني. تم فرض قيود بما في ذلك الفصل بين الطائرات أثناء التشكيل. ^[19]

يعد اهتزاز الزعنفة مشكلة بالغة الأهمية بالنسبة للطائرات المقاتلة ذات الزعنفة المزدوجة أو المفردة لأن عمر التعب لهيكل الزعنفة ينخفض ​​بسبب الأحمال المتقلبة الناجمة عن الدوامات المتفجرة التي تصطدم بالزعنفة. تتعرض الزعنفة المفردة في طائرة يوروفايتر تايفون لأحمال اهتزازية ناجمة عن الدوامات المتفجرة التي تنشأ من حواف الجناح الأمامية عند زوايا هجوم عالية. كما تتخلص جوانب مكابح الهواء المثبتة في الأعلى، عند انحرافها، من الدوامات التي تصطدم بالزعنفة بعد الانفجار. يكون الاهتزاز الناتج عن مكابح الهواء الممتدة أعلى ما يمكن عندما تكون زاوية هجوم مكابح الهواء الفعالة هي الأكبر، والتي تكون أعظم بالنسبة لمكابح الهواء الممتدة بالكامل عند زاوية هجوم منخفضة للطائرة وأقل ما يمكن عند المناورة. ^[20] تتعرض زعانف ماكدونيل دوغلاس إف/إيه-18 هورنت المزدوجة للاهتزاز الناتج عن انهيار أو انفجار دوامة امتداد الحافة الأمامية (LEX) أمام الذيل. ^[21] تعمل إضافة سياج LEX على تقليل الاهتزاز بشكل كبير وزيادة عمر إجهاد الزعنفة. ^[22]

• 
  طائرة B-52H (رقم سلسلة القوات الجوية 61-0023)، مجهزة بأجهزة لقياس أحمال هبات الرياح للتحقيق في الأعطال الهيكلية، ولا تزال تحلق بعد فقدان مثبتها الرأسي في اضطرابات شديدة في 10 يناير 1964. هبطت الطائرة بسلام. ^[23]
• 
  F/A-18C يظهر سياج LEX الذي يقلل من اهتزاز الزعانف
• 
  إعصار يظهر فرملة هوائية ممتدة مما يتسبب في اهتزاز الزعانف بشكل كبير

كانت الطائرات ذات الزعانف المتحركة بالكامل، والتي لم تدخل الخدمة، هي طائرات نورث أميركان إف-107 ^[24] و BAC TSR-2 . ^[25]

استخدمت طائرات Lockheed SR-71 Blackbird و North American X-15 أطرافًا ثابتة للزعانف والدفات للارتفاع المتبقي. كانت الدفات التقليدية غير مناسبة لطائرة SR-71 لأن الانحرافات المفرطة كانت مطلوبة لحالة خروج المحرك مما تسبب في سحب تقليم غير مقبول. ^[26] تُظهر التكوينات المبكرة التي تم طرحها لطائرة X-15 زعنفة ثابتة تقليدية ودفة خلفية وزعنفة بطنية. تم تغيير هذا إلى زعانف ظهرية وبطنية كل منها مع النصف الخارجي يعمل كدفة. ^[27]

• 
  طائرة X-15 من أمريكا الشمالية تظهر دفات التوجيه كاملة الوتر على مثبتات ظهرية وبطنية ثابتة
• 
  استخدمت الطائرة North American A-5 Vigilante زعنفة عمودية متحركة بالكامل

تحتوي الطائرات ذات الذيل المزدوج على مثبتين رأسيين. تستخدم العديد من الطائرات المقاتلة الحديثة هذا التكوين. يمكن استخدام الدفات المزدوجة في تكوين التروس السفلية للتحكم الطولي الإضافي مع إمالة الطائرة للداخل أو للخارج ( McDonnell Douglas F/A-18 Hornet ^[28] ). تُستخدم الدفات المزدوجة أيضًا كمكابح هوائية كما في حالة Lockheed Martin F-22 Raptor التي تستخدم دفة تفاضلية، جنبًا إلى جنب مع انحرافات سطح التحكم الأخرى، للتحكم في السرعة حيث لا تحتوي على مكابح هوائية مخصصة. ^[29]

قد يكون الذيل المزدوج إما ذيلًا على شكل حرف H، أو هيكل زعنفة/دفة مزدوجة متصل بجسم واحد، مثل قاذفة القنابل المتوسطة North American B-25 Mitchell أو Avro Lancaster ، أو ذراع مزدوج حيث يتكون هيكل الطائرة الخلفي من هيكلين منفصلين للذراع، كل منهما بزعانفة واحدة ودفة متصلة بمثبت أفقي، مثل North American Rockwell OV-10 Bronco أو نقل Armstrong Whitworth AW.660 Argosy .

يعد الذيل الثلاثي أحد أشكال الذيل المزدوج، ويحتوي على ثلاثة مثبتات رأسية. تم تزويد طائرة أفرو مانشستر في حقبة الحرب العالمية الثانية بزعنفة ثالثة عندما ثبت أن الزعنفة المزدوجة الأصلية غير كافية. استخدمت طائرة لوكهيد كونستليشن ثلاث زعانف لمنح الطائرة مساحة المثبت الرأسي المطلوبة مع الحفاظ في نفس الوقت على الارتفاع الإجمالي منخفضًا بما يكفي بحيث يمكن وضعها في حظائر للصيانة.

لا يحتوي الذيل على شكل حرف V على مثبتات رأسية أو أفقية مميزة. بل يتم دمجها في أسطح تحكم تُعرف باسم مراوح الدفة التي تتحكم في كل من الميل والانحراف. يبدو الترتيب مثل الحرف V، ويُعرف أيضًا باسم "ذيل الفراشة". تستخدم طائرة Beechcraft Bonanza Model 35 هذا التكوين، كما تفعل Lockheed F-117 Nighthawk .

أجنحة صغيرة على تكوين دافع الجناح Rutan VariEze و Rutan Long-EZ ، تعمل كجهاز طرف الجناح ومثبت رأسي. تستخدم العديد من المشتقات الأخرى من هذه الطائرات وغيرها من الطائرات المماثلة هذا العنصر التصميمي.

• 
  طائرة لوكهيد كونستليشن ذات الذيل الثلاثي
• 
  الذيل على شكل حرف V لطائرة Fouga CM.170 Magister التابعة للقوات الجوية البلجيكية
• 
  الذيل على شكل حرف V للطائرة YF-23
• 
  كان Caproni Ca.3 عبارة عن ذراع مزدوج وذيل ثلاثي
• 
  روتان لونج-إي زد
• 
  طائرة بوينج 707-420 مع زعنفة ذيل بطنية إضافية
• 
  تصميم الذيل المزدوج للطائرة Grumman F-14 Tomcat

ينطوي الجزء العلوي من الزعنفة الرأسية في طائرة North American A-5 Vigilante إلى الجانب بسبب قيود ارتفاع سطح الحظيرة.

• 
  طائرة نورث أميركان أ-5 فيجيلانتيس ، واحدة بزعانفة مطوية

تم استخدام أجهزة مشابهة للذيول العمودية في سيارات مثل جاكوار دي تايب 1955 أو لامبورجيني فينينو 2013. في سيارات السباق، الغرض الأساسي منها هو تقليل الاندفاعات المفاجئة الناتجة عن الانحراف بسرعة عالية والتي من شأنها أن تتسبب في انقلاب السيارات بسبب الرفع عند التعرض لزوايا انحراف شديدة أثناء المنعطفات أو في الدوران. ^{[ بحاجة لمصدر ]} منذ عام 2011، أصبح المثبت العمودي إلزاميًا لجميع نماذج لومان الأولية المعتمدة حديثًا . ^[30]

استخدمت بعض فرق الفورمولا 1 مثبتًا رأسيًا كوسيلة لتعطيل تدفق الهواء إلى الجناح الخلفي لتقليل السحب، وكان النظام الأكثر تطرفًا هو "قناة F" الموجودة في سيارة مكلارين MP4-25 لعام 2010 وفيراري F10 . بناءً على طلب السائق، قام هذا النظام بتحويل الهواء من قناة في مقدمة السيارة عبر نفق في الزعنفة الرأسية إلى الجناح الخلفي لإيقافه وتقليل السحب على الخطوط المستقيمة التي لا تكون هناك حاجة فيها إلى قوة سفلية . ^{[ بحاجة لمصدر ]} تم حظر النظام لموسم الفورمولا 1 لعام 2011. [ ^{بحاجة لمصدر ]}

• 
  فيراري F10 مع زعنفة عمودية بين مدخل الهواء والجناح

• رحلة الخطوط الجوية اليابانية رقم 123 ، التي تحطمت بعد أن فقدت تقريبًا مثبتها الرأسي بالكامل
• رحلة الخطوط الجوية الأمريكية رقم 587 ، والتي تمزق مثبتها الرأسي بعد الاستخدام العنيف أثناء الاضطرابات الجوية
• مشاكل دفة طائرة بوينج 737 – سلسلة من الحوادث والوقائع التي تتضمن تشويش دفة طائرة بوينج 737 وتسببها في انقلاب الطائرة بشكل لا يمكن السيطرة عليه