محرك دوار

ظهر نظام المروحة الدائرية في مجال الطيران الروسي. ^{[ 7 ]} تُعدّ مركبة "ساموليوت" (سانت بطرسبرغ، 1909) أو "المروحة ذات العجلات" التي صممها سفيرتشكوف، أول مركبة يُعتقد أنها استخدمت هذا النظام. كان تصميمها قريبًا من تصميم المروحة الدائرية، لكن يصعب تصنيفها بدقة. احتوت على ثلاثة أسطح مستوية ودفة توجيه؛ وكان بالإمكان ثني الحافة الخلفية لأحد الأسطح، ليحل محل وظيفة المصعد . وكان لا بد من توليد قوة الرفع والدفع بواسطة عجلات مجدافية تتكون من 12 شفرة، مثبتة في أزواج بزاوية 120 درجة. كانت الشفرات مقعرة. وتم التحكم في زاوية السقوط بواسطة محاور لا مركزية ونوابض.

 وُضِعَ في أسفل المركبة محركٌ بقوة 10 أحصنة. وكان نظام النقل يعمل بواسطة سير. وبلغ وزنها فارغةً حوالي 200  كيلوغرام. وقد صممها المهندس العسكري إي بي سفيرتشكوف تحت إشراف وكالة الهندسة الرئيسية. عُرِضَت في معرض أحدث الاختراعات وفازت بميدالية. إلا أنها لم تجتاز اختبارات الطيران الأولية.

في عام 1914، اقترح المخترع والعالم الروسي أ.ن. لوديجين طائرة تشبه طائرة سيكلوجيرو، على غرار ساموليوت، لكن المشروع لم يتم تنفيذه.

في عام 1933، أجرى أدولف روهرباخ تجارب في ألمانيا على تصميم جناح ذي عجلة مجدافية. ^{[ 8 ]} كانت الجنيحات المتذبذبة تنتقل من زوايا هجوم موجبة إلى سالبة خلال كل دورة، وكان تركيبها اللامركزي، نظريًا، قادرًا على توليد أي توليفة تقريبًا من القوى الأفقية والرأسية. قيّمت شركة DVL تصميم روهرباخ، لكن مجلات الطيران في ذلك الوقت شككت في جدوى التصميم، مما حال دون تمويله، حتى مع اقتراح استخدامه كطائرة نقل تابعة لسلاح الجو الألماني ( لوفتفافه). لا يوجد دليل يشير إلى أن هذا التصميم قد بُني بالفعل. في الولايات المتحدة، صمم بلات بحلول عام 1933 طائرته المستقلة "سايكلوجيرو"، استنادًا إلى عمل روهرباخ. حصل تصميمه على براءة اختراع أمريكية (واحدة من براءات اختراع عديدة مماثلة)، وخضع لاختبارات مكثفة في نفق الرياح في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عام 1927. على الرغم من ذلك، لم تُبنَ طائرة بلات قط.

طُوّر أول تصميم عملي في شركة فويت خلال ثلاثينيات القرن العشرين. ويعود أصله إلى قرار الشركة بالتركيز على مجموعات تروس نقل الحركة التوربينية. اخترع إرنست شنايدر مروحة فويت، ثم طورتها فويت. أُطلقت المروحة تحت اسم مروحة فويت-شنايدر (VSP) للسفن التجارية. وقد حسّنت بشكل ملحوظ قدرة السفن على المناورة، كما تجلى ذلك في التجارب البحرية على متن قارب الاختبار توركيو عام ١٩٣٧. بدأ تشغيل أولى مراوح فويت-شنايدر في قنوات البندقية بإيطاليا. وخلال معرض باريس العالمي عام ١٩٣٧، فازت فويت بالجائزة الكبرى ثلاث مرات عن مراوحها وناقلات الحركة التوربينية. وبعد عام، بدأ اثنان من قوارب الإطفاء في باريس العمل بهذا النظام.

في عام 2025، أعلنت شركة ABB عن نظام Dynafin cyclorotor، الذي يعد بكفاءة تصل إلى 85% ومناورة دقيقة. ويأتي Dynafin امتدادًا لنظام Azipod الذي طُرح في التسعينيات. يستخدم Dynafin محركًا كهربائيًا لتدوير قرص أسفل السفينة أو القارب، يدور بسرعة تتراوح بين 40 و80 دورة في الدقيقة. تُثبّت خمس شفرات قابلة للتحكم بشكل مستقل على القرص على مسافات متساوية. تُتيح هذه الكفاءة القياسية استخدام أنظمة دفع أكثر إحكامًا. تُقلل نبضات الضغط المنخفضة نسبيًا وسرعات أطراف الشفرات من الاضطرابات مقارنةً بالمراوح التقليدية. أفادت اختبارات مستقلة أن Dynafin حقق وفورات في الطاقة بنسبة 22% مقارنةً بالتكوينات التقليدية. تم تقييم هذا المفهوم على متن اليخت السياحي Carlton Ilma، مما ساهم في توفير الطاقة والوزن والمساحة. ^{[ 9 ]}

توفر المراوح الدائرية درجة عالية من التحكم. تُنتج المراوح التقليدية والدوارات والمحركات النفاثة قوة دفع على طول محور دورانها فقط، ويتطلب تغيير اتجاه الدفع إعادة توجيه الجهاز بأكمله. تتطلب هذه العملية قوى كبيرة وفترات زمنية طويلة نسبيًا نظرًا لقصور المروحة الذاتي الكبير، ومقاومة قوى الدوران الجيروسكوبية للدوار . في العديد من التطبيقات العملية (المروحيات، والطائرات، والسفن)، يتطلب ذلك تدوير المركبة بأكملها. في المقابل، لا تحتاج المراوح الدائرية إلا إلى تغيير زاوية ميل الشفرات. نظرًا لقلة القصور الذاتي المرتبط بتغيير زاوية ميل الشفرات، فإن توجيه الدفع في المستوى العمودي على محور الدوران يكون سريعًا وفعالًا. ^{[ 10 ]}

يمكن للطائرات الدوارة الدائرية أن تنتج قوة الرفع والدفع بنسب تقدم عالية ، مما يسمح نظرياً للطائرة الدوارة الدائرية بالطيران بسرعات دون سرعة الصوت أسرع بكثير من طائرات الهليكوبتر ذات الدوار الواحد .

تُحدَّد سرعة تقدم المروحيات ذات الدوار الواحد بمزيج من توقف الشفرة المتراجعة وقيود طرف الشفرة الصوتية. ^{[ 11 ]} أثناء تحليق المروحيات للأمام، يتعرض طرف الشفرة المتقدمة لسرعة رياح تساوي مجموع سرعة تقدم المروحية وسرعتها الدورانية. لا يمكن أن تتجاوز هذه القيمة سرعة الصوت لضمان كفاءة الدوار وهدوئه.

يؤدي خفض سرعة الدوران إلى تجنب هذه المشكلة، ولكنه يطرح مشكلة أخرى. في الطريقة التقليدية لحساب سرعة الرياح، تكون سرعة الرياح التي تواجهها الشفرة المتراجعة هي المحصلة المتجهة لسرعة دوران الشفرة وسرعة التيار الحر. في هذه الحالة، ومع وجود نسبة تقدم عالية بما يكفي، تكون سرعة الهواء على الشفرة المتراجعة منخفضة. يؤدي رفرفة الشفرة إلى تغيير زاوية الهجوم، مما قد يؤدي إلى وصول الشفرة إلى حالة التوقف. ^{[ 12 ]} في هذه الحالة، يجب على الشفرة المتوقفة زيادة زاوية الميل للحفاظ على قوة الرفع. هذا يُقيّد شكل الجناح ويتطلب تحديدًا دقيقًا لنصف قطر الدوار لنطاق السرعة المحدد. ^{[ 13 ]}

تتجنب المروحيات ذات الدوارات البطيئة هذه المشكلة بتحويل محور الدوران إلى الوضع الأفقي والعمل بسرعة طرف شفرة أقل. أما عند السرعات العالية، فيلزم اعتماد استراتيجيات أكثر تطورًا. يتمثل أحد هذه الأساليب في تشغيل الشفرات بشكل مستقل ^{[ 14 ]} عبر نظام هيدروليكي. يؤدي محور الدوران الأفقي دائمًا إلى تقدم الشفرات العلوية التي تُنتج دائمًا قوة رفع موجبة بواسطة الدوار بالكامل. ^{[ 15 ]} قد تُساعد هذه الخصائص في التغلب على انخفاض كفاءة الطاقة في المروحيات وقيد نسبة التقدم. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

تُعدّ الشفرات الدوارة والمتذبذبة العمليتين الديناميكيتين للمحرك الحلقي، مما يُولّد ظواهر ديناميكية هوائية معقدة:

• تأخير توقف الشفرة؛
• زيادة معامل رفع الشفرة الأقصى عند أرقام رينولدز المنخفضة .

يرتبط هذان التأثيران بزيادة قوة الدفع. فمقارنةً بالمروحية أو أي مروحة أخرى، ينتج المقطع العرضي نفسه لشفرة المروحة الدائرية قوة دفع أكبر بكثير عند نفس رقم رينولدز. ويمكن تفسير هذا التأثير بالنظر إلى سلوك المراوح التقليدية.

عند أرقام رينولدز المنخفضة، يكون الاضطراب ضئيلاً ، ويمكن تحقيق ظروف التدفق الصفائحي. يقلل تصميم الجناح التقليدي من فرق السرعة بين السطحين العلوي والسفلي للجناح، مما يقلل من كلٍّ من قوة الرفع وسرعة التوقف. وينتج عن ذلك انخفاض في زاوية الهجوم اللازمة لحدوث التوقف.

في هذا النظام، يجب أن تستخدم المراوح والدوارات التقليدية مساحات شفرات أكبر وتدور بسرعة أكبر لتحقيق نفس قوى الدفع، مع فقدان المزيد من الطاقة بسبب مقاومة الشفرات. وبالتالي، فإن المروحة الدوارة الحلقية أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة من أي مروحة أخرى.

تُغيّر المراوح الحلقية زاوية هجوم شفراتها بسرعة، مما يؤخر التوقف ويولد قوة رفع. هذه القوة غير المستقرة تجعل المراوح الحلقية أكثر كفاءة من المراوح التقليدية على نطاقات صغيرة وسرعات منخفضة وارتفاعات عالية. مع ذلك، تظل الطيور وبعض الحشرات أكثر كفاءة، لقدرتها على تغيير كل من زاوية ميل أجنحتها وشكلها، ^{[ 19 ] [ 20 ]} أو طبقة الهواء الحدية (كما في جلد القرش ). ^{[ 21 ]}

تهدف الأبحاث إلى تحقيق نفس مستوى كفاءة الأجنحة أو الأسطح. ^{[ 22 ]} أحد هذه الاتجاهات هو الأجنحة المتغيرة الشكل. ^{[ 23 ] [ 24 ]} ويتعلق اتجاه آخر بإدخال آليات للتحكم في الطبقة الحدية، مثل تفريغ الحاجز العازل. ^{[ 25 ]}

أثناء التقييم التجريبي، أنتجت المحركات الحلقية الدوارة ضوضاء ديناميكية هوائية قليلة، ويعزى ذلك إلى انخفاض سرعات أطراف الشفرات، مما ينتج عنه اضطراب أقل شدة. ^{[ 26 ]}

في الاختبارات، حققت المراوح الدائرية قدرة تحميل أعلى من المراوح التقليدية المماثلة عند نفس حمل القرص . يُعزى ذلك إلى استخدام الرفع غير المستقر وظروف الديناميكا الهوائية الثابتة للشفرة. تزداد مركبة السرعة الدورانية على المراوح من الجذر إلى الطرف، مما يتطلب تغيير وتر الشفرة، والالتواء، والشكل الانسيابي، وما إلى ذلك، على طول الشفرة. ولأن امتداد شفرة المروحة الدائرية موازٍ لمحور الدوران، فإن كل قسم من أقسام الشفرة على امتدادها يعمل بسرعات متقاربة، ويمكن تحسين الشفرة بأكملها. ^{[ 10 ] [ 27 ]}

تتطلب شفرات الدوارات الحلقية هيكلًا داعمًا. يُشار إلى هذا الهيكل أحيانًا باسم "الأضلاع"، وهو يزيد من مقاومة الهواء ووزن الدوار. ^{[ 28 ]} تتعرض شفرات الدوارات الحلقية لحمل طرد مركزي ناتج عن الانحناء (على عكس الحمل المحوري على المراوح)، مما يتطلب شفرات ذات نسبة قوة إلى وزن عالية أو أضلاع دعم وسيطة. تميزت الدوارات الحلقية في أوائل القرن العشرين بامتدادات شفرات قصيرة، أو بدعم إضافي. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

تتطلب المراوح الدوارة تغييرًا مستمرًا في زاوية ميل الشفرات. تتغير زاوية التدفق النسبية التي تتعرض لها الشفرات أثناء دورانها بتغير نسبة التقدم وقوة دفع الدوار. ولضمان كفاءة التشغيل، يجب أن تتكيف آلية تغيير زاوية ميل الشفرات مع زوايا التدفق المتنوعة هذه. تجعل السرعات الدورانية العالية من الصعب تطبيق آلية تعتمد على مشغل. يمكن لمسار ثابت أو متغير الشكل توفير التحكم في زاوية الميل عند تركيبه بالتوازي مع مسار الشفرة. يحدد شكل مسار التحكم في زاوية الميل زاوية ميل الشفرة بدقة على طول المدار بغض النظر عن عدد دورات المحرك في الدقيقة. على الرغم من أن حركات الميل المستخدمة في التحليق ليست مُحسَّنة للطيران الأمامي، فقد أشارت التقييمات التجريبية إلى أنها توفر طيرانًا فعالًا حتى نسبة تقدم تقارب الواحد. ^{[ 28 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

تُعدّ توربينات الرياح تطبيقًا محتملاً. ^{[ 35 ]} وتُعرف هذه التوربينات باسم توربينات الرياح ذات المحور الرأسي متغيرة الميل ، وهي تُقدّم مزايا مقارنةً بتوربينات الرياح التقليدية ذات المحور الرأسي. ^{[ 36 ]} ويُقال إن هذا النوع من التوربينات يتغلب على معظم القيود التقليدية لتوربينات داريوس التقليدية ذات المحور الرأسي . ^{[ 37 ]}

يُعدّ دفع السفن والتحكم بها أكبر التطبيقات المحتملة للمراوح الدائرية. تُركّب هذه المراوح بمحور دوران رأسي، ما يسمح بتوجيه قوة الدفع في أي اتجاه موازٍ لسطح الماء. في عام ١٩٢٢، قام فريدريك كيرستن بتركيب زوج من هذه المراوح على  قارب طوله ٣٢ قدمًا، ما ألغى الحاجة إلى الدفة ووفر قدرة أكبر على المناورة. ورغم فشل الفكرة في الولايات المتحدة بعد خسارة شركة كيرستن-بوينغ للمراوح منحة بحثية من البحرية الأمريكية، نجحت شركة فويت-شنايدر للمراوح في نشرها. وقد تم تركيب هذه المروحة على أكثر من ١٠٠ سفينة قبل اندلاع الحرب العالمية الثانية. ^{[ ٣٨ ]} واليوم، تبيع الشركة نفسها هذا النوع من المراوح، حيث تُستخدم في سفن الحفر البحرية، وقوارب القطر، والعبّارات. ^{[ ٣٩ ]}