تحميل الجناح

قوة الرفع L المؤثرة على جناح مساحته A ، يتحرك بسرعة جوية حقيقية v، تُعطى بالعلاقة التالية: $${\displaystyle L={\tfrac {1}{2}}\rho v^{2}AC_{L},}$$ حيث ρ هي كثافة الهواء، و _CL هو معامل الرفع . معامل الرفع هو رقم بلا أبعاد يعتمد على شكل المقطع العرضي للجناح وزاوية الهجوم . ^{[ 12 ]} في الطيران المستقر، لا صعودًا ولا هبوطًا، تتساوى قوة الرفع مع الوزن. باستخدام المعادلة L / A = Mg / A = WSg ، حيث M هي كتلة الطائرة، و WS ₌ M _/ A هو حمل الجناح (بوحدات الكتلة/المساحة، أي رطل/قدم² ^أو كجم/م² ^{، وليس القوة/المساحة)} ، و g هو تسارع الجاذبية الأرضية، تعطي هذه المعادلة السرعة v . ^{[ 13 ]}$${\displaystyle v^{2}={\frac {2gW_{S}}{\rho C_{L}}}.}$$ ونتيجة لذلك، فإن الطائرات التي لها نفس معامل _الرفع عند الإقلاع في ظل نفس الظروف الجوية ستكون سرعات إقلاعها متناسبة مع${\displaystyle {\sqrt {W_{S}}}}$لذا، إذا زادت مساحة جناح الطائرة بنسبة 10% دون تغيير أي شيء آخر، فإن سرعة الإقلاع ستنخفض بنحو 5%. وبالمثل، إذا  زاد وزن طائرة مصممة للإقلاع بسرعة 150 ميلاً في الساعة بنسبة 40% أثناء التطوير، فإن سرعة إقلاعها ستزداد إلى${\displaystyle 150{\sqrt {1.4}}}$≈ 177  ميلاً في الساعة.

تعتمد بعض الطيور على قوة عضلاتها لاكتساب السرعة اللازمة للإقلاع فوق اليابسة أو الماء. يجب أن تكون الطيور التي تعشش على الأرض والطيور المائية قادرة على الجري أو التجديف بسرعة الإقلاع قبل أن تتمكن من الانطلاق. وينطبق الأمر نفسه على طياري الطائرات الشراعية ، مع إمكانية حصولهم على مساعدة من الجري على منحدر. بالنسبة لجميع هذه الطيور، يُعد انخفاض حمولة الجناح _أمرًا بالغ الأهمية، بينما تستطيع الطيور المغردة والطيور التي تعيش على المنحدرات الطيران بحمولة جناح أعلى.

للانعطاف، يجب أن تميل الطائرة في اتجاه الانعطاف، مما يزيد من زاوية ميلها . يؤدي الانعطاف إلى خفض قوة الرفع للجناح في مواجهة الجاذبية، وبالتالي يتسبب في الهبوط. وللتعويض عن ذلك، يجب زيادة قوة الرفع عن طريق زيادة زاوية الهجوم باستخدام انحراف المصعد للأعلى ، مما يزيد من مقاومة الهواء. يمكن وصف الانعطاف بأنه "صعود حول دائرة" (حيث يتم توجيه قوة رفع الجناح لتوجيه الطائرة)، لذا فإن زيادة زاوية هجوم الجناح تُولّد مقاومة هواء أكبر. كلما كان نصف قطر الانعطاف أصغر ، زادت مقاومة الهواء؛ وهذا يتطلب إضافة قوة دفع للتغلب على مقاومة الهواء. يُحدَّد الحد الأقصى لمعدل الانعطاف الممكن لتصميم طائرة معين بحجم جناحها وقوة محركها المتاحة: أقصى انعطاف يمكن للطائرة تحقيقه والحفاظ عليه هو أداء الانعطاف المستدام . مع زيادة زاوية الميل، تزداد قوة التسارع المؤثرة على الطائرة، مما يؤدي إلى زيادة حمل الجناح وسرعة التوقف . ويُلاحظ هذا التأثير أيضًا أثناء مناورات الميل الأفقي . ^{[ 14 ]}

بما أن التوقف المفاجئ ناتج عن حمل الجناح ومعامل الرفع الأقصى عند ارتفاع وسرعة محددين، فإن هذا يحد من نصف قطر الدوران بسبب عامل الحمل الأقصى . عند سرعة 0.85 ماخ ومعامل رفع 0.7، يمكن لحمل جناح يبلغ 240 كجم/م² (50 رطل/قدم مربع ⁾ أن يصل إلى حد هيكلي قدره 7.33 جم حتى ارتفاع 4600 متر (15000 قدم) ، ثم ينخفض ​​إلى 2.3 جم عند ارتفاع 12000 متر (40000 قدم) . أما مع حمل جناح يبلغ 490 كجم/ ^م² (100 رطل/قدم مربع )، فإن عامل الحمل يكون أصغر إلى النصف، وبالكاد يصل إلى 1 جم عند ارتفاع 12000 متر (40000 قدم) . ^{[ 15 ]}          

Aircraft with low wing loadings tend to have superior sustained turn performance because they can generate more lift for a given quantity of engine thrust. The immediate bank angle an aircraft can achieve before drag seriously bleeds off airspeed is known as its instantaneous turn performance. An aircraft with a small, highly loaded wing may have superior instantaneous turn performance, but poor sustained turn performance: it reacts quickly to control input, but its ability to sustain a tight turn is limited. A classic example is the F-104 Starfighter, which has a very small wing and high 723 kg/m² (148 lb/sq ft) wing loading.

At the opposite end of the spectrum was the large Convair B-36: its large wings resulted in a low 269 kg/m² (55 lb/sq ft) wing loading that could make it sustain tighter turns at high altitude than contemporary jet fighters, while the slightly later Hawker Hunter had a similar wing loading of 344 kg/m² (70 lb/sq ft). The Boeing 367-80 airliner prototype could be rolled at low altitudes with a wing loading of 387 kg/m² (79 lb/sq ft) at maximum weight.

Like any body in circular motion, an aircraft that is fast and strong enough to maintain level flight at speed v in a circle of radius R accelerates towards the center at ${\displaystyle v^{2}/R}$. This acceleration is caused by the inward horizontal component of the lift, ${\displaystyle Lsin\theta }$, where ${\displaystyle \theta }$ is the banking angle. Then from Newton's second law, $${\displaystyle {\frac {Mv^{2}}{R}}=L\sin \theta ={\frac {1}{2}}v^{2}\rho C_{L}A\sin \theta .}$$ Solving for R gives $${\displaystyle R={\frac {2Ws}{\rho C_{L}\sin \theta }}.}$$ The lower the wing loading, the tighter the turn.

Gliders designed to exploit thermals need a small turning circle in order to stay within the rising air column, and the same is true for soaring birds. Other birds, for example, those that catch insects on the wing, also need high maneuverability. All need low wing loadings.

يؤثر حمل الجناح أيضًا على استجابة الطائرة للرياح العاصفة، أي مدى تأثرها بالاضطرابات الجوية وتغيرات كثافة الهواء. يتميز الجناح الصغير بمساحة أقل يمكن أن تؤثر عليها الرياح العاصفة، مما يُسهم في جعل الرحلة أكثر سلاسة. في الطيران عالي السرعة وعلى ارتفاعات منخفضة (مثل غارة قصف سريعة ومنخفضة الارتفاع بطائرة هجومية )، يُفضل استخدام جناح صغير ورقيق ذي حمل عالٍ: فالطائرات ذات حمل الجناح المنخفض غالبًا ما تتعرض لرحلة قاسية وغير مريحة في هذا النوع من الطيران. يبلغ حمل جناح طائرة إف-15 إي سترايك إيجل 650 كجم/م² ⁽ 130 رطل/ قدم مربع) (باستثناء مساهمة جسم الطائرة في المساحة الفعالة)، بينما تميل معظم الطائرات ذات الأجنحة المثلثية (مثل داسو ميراج 3 ، التي يبلغ _{حمل جناحها} 387 كجم /م² ⁾ إلى امتلاك أجنحة كبيرة وأحمال جناح منخفضة.    

كمياً، إذا أحدثت عاصفة ضغطاً صاعداً مقداره G (بوحدة نيوتن/م² ^، على سبيل المثال) على طائرة كتلتها M ، فإن التسارع الصاعد a ، وفقاً لقانون نيوتن الثاني، يُعطى بالعلاقة التالية: $${\displaystyle a={\frac {GA}{M}}={\frac {G}{W_{S}}},}$$ يتناقص مع زيادة حمولة الجناح.

من بين التعقيدات الأخرى المتعلقة بحمل الجناح صعوبة تغيير مساحة جناح تصميم طائرة قائم بشكل كبير (مع إمكانية إجراء تحسينات طفيفة). فمع تطور الطائرات، يزداد وزنها نتيجة إضافة معدات وميزات تزيد بشكل ملحوظ من كتلتها التشغيلية. وقد ينتهي الأمر بطائرة ذات حمل جناح متوسط ​​في تصميمها الأصلي إلى حمل جناح مرتفع للغاية عند إضافة معدات جديدة. ورغم إمكانية استبدال المحركات أو ترقيتها لزيادة قوة الدفع، إلا أن تأثيرات زيادة حمل الجناح على أداء الانعطاف والإقلاع يصعب التوفيق بينها.

تستخدم الطائرات الشراعية الحديثة غالبًا ثقلًا مائيًا محمولًا في الأجنحة لزيادة حمولة الجناح عند قوة التيارات الهوائية . بزيادة حمولة الجناح، يمكن زيادة متوسط ​​السرعة المحققة عبر البلاد للاستفادة من التيارات الحرارية القوية. مع حمولة جناح أعلى، يتم تحقيق نسبة رفع إلى سحب معينة عند سرعة جوية أعلى مقارنةً بحمولة جناح أقل، مما يسمح بمتوسط ​​سرعة أعلى عبر البلاد. يمكن التخلص من الثقل المائي في الخارج عند ضعف الأحوال الجوية أو قبل الهبوط.

يساعد تصميم الجناح والهيكل المدمج، مثل ذلك الموجود في طائرة جنرال دايناميكس إف-16 فايتينغ فالكون أو ميكويان ميغ-29 فولكروم، على تقليل حمل الجناح؛ في مثل هذا التصميم، يولد الهيكل قوة رفع ديناميكية هوائية، مما يحسن حمل الجناح مع الحفاظ على الأداء العالي.

تستخدم طائرات مثل غرومان إف-14 تومكات وبانافيا تورنادو أجنحة متغيرة الانحناء . ومع تغير مساحة الجناح أثناء الطيران، يتغير حمل الجناح (مع أن هذه ليست الميزة الوحيدة). عندما يكون الجناح في الوضع الأمامي، يتحسن أداء الإقلاع والهبوط بشكل كبير. ^{[ 16 ]}

كما هو الحال مع جميع رفارف الطائرات، تزيد رفارف فاولر من تقوس الجناح ، وبالتالي تزيد من قيمة معامل الرفع الأقصى ( CLmax ) _، مما يقلل من سرعة الهبوط. كما أنها تزيد من مساحة الجناح، مما يقلل من حمل الجناح، وبالتالي يقلل من سرعة الهبوط. ^{[ 17 ]}

تتيح أجهزة الرفع العالي، مثل بعض اللوحات، استخدام أجنحة أصغر في التصميم لتحقيق سرعات هبوط مماثلة لتلك التي يحققها تصميم بديل يستخدم جناحًا أكبر بدون جهاز رفع عالي. تسمح هذه الخيارات بزيادة حمولة الجناح في التصميم، مما قد ينتج عنه مزايا مفيدة، مثل سرعات طيران أعلى أو تقليل الاهتزازات أثناء الطيران بسرعات عالية على ارتفاعات منخفضة (وهذه الميزة الأخيرة بالغة الأهمية لطائرات الدعم الجوي القريب). على سبيل المثال، تستخدم طائرة ستارفايتر من لوكهيد لوحات داخلية قابلة للنفخ لتحقيق تصميم ذي حمولة جناح عالية (723 كجم/م² ⁾ ، مما يسمح لها بطيران أكثر سلاسة على ارتفاعات منخفضة بأقصى سرعة مقارنةً بتصاميم دلتا ذات حمولة جناح منخفضة مثل ميراج 2000 أو ميراج 3 (387 م² ⁾ . أما طائرة إف-16، التي تتميز بحمولة جناح عالية نسبيًا تبلغ 689 م² ^، فتستخدم امتدادات الحافة الأمامية لزيادة رفع الجناح عند زوايا الهجوم العالية.

• أندرسون، جون د. الابن (1999). أداء الطائرات وتصميمها . كامبريدج: دبليو سي بي/ماكجرو هيل. رقم ISBN 0-07-116010-8.
• سبيك، مايك (1986). أداء الطائرات المقاتلة النفاثة - من كوريا إلى فيتنام . أوسولا، ويسكونسن: موتوربوكس إنترناشونال. ISBN 0-7110-1582-1.