به همین خاطر بیایید به 2 مثال از بال های موفق که واضحا توضیح عامیانه پرواز را به زیر سوال میکشند نگاهی بندازیم. اولین مثال یک طرح قدیمی است. شکل 1 عکسی از Curtis 1911 model D type IV pusher نشان میدهد. کاملا مشخص است که هوا در دو طرف بال فاصله یکسانی را طی میکند. در حالی که این هواپیما به خوبی پرواز میکرد و دومین هواپیما خریداری شده توسط ارتش آمریکا در سال 1911 بود.
شکل 2 سطح مقطع Whitcomb Supercritical Airfoil (NASA/Langley SC(2)-0714) را نشان میدهد. این نوع بال تقریبا در بالا صاف است درحالیکه پایین بال دارای خمیدگی میباشد. اگرچه این شکل بال برخلاف نوع مرسوم است ، این ایرفویل پایه و اساس بال هواپیما های مدرن است.
قوانین نیوتن و لیفت
خوب بال چگونه لیفت تولید میکند؟! برای شروع به درک لیفت باید قانون اول و سوم نیوتن را بازبینی کنیم. (قانون دوم در ادامه معرفی خواهد شد.)
قانون اول : یک شیء در حال سکون به سکون و در حال حرکت به حرکت یکنواخت مستقیم خود ادامه میدهد تا زمانی که نیروی خارجی بر آن وارد نشود.
قانون سوم : برای هر عملی عکس العملی برابر در خلاف جهت وجود دارد.
برای ایجاد لیفت بال باید عملی بر هوا انجام دهد. کاری که بال بر هوا انجام داده را عمل و لیفت را عکس العمل می نامند.
بیایید دو شکل پایین را که مربوط به جریان هوا در اطراف بال هستند را مقایسه کنیم. در شکل 4 جریان هوا مستقیم به بال برخورد میکند و به آن چسبیده و انحنا آن را دنبال کرده و سرانجام مستقیم بال را در پشت ترک میکنند. همه ما تصاویر مشابه آن را حتی در منوال پرواز دیده ایم. اما در این تصویر هوا بال را دقیقا به همان صورت که به آن برخورد کرده بود ترک میکند که این هیچ عملی را بر هوا انجام نمیدهد پس لیفتی وجود نخواهد داشت.
شکل 5 جریان هوا را به آن صورت درستی که باید باشد نشان میدهد. هوا انحنا بال را طی میکند و به سمت پایین خم میگردد. قانون اول نیوتن میگوید باید نیرویی وجود داشته باشد تا هوا را به سمت پایین رانده است (عمل). قانون سوم میگوید باید نیرویی برابر و خلاف جهت (به سمت بالا) بر بال وارد شود (عکس العمل). پس برای ایجاد لیفت بال باید مقدار زیادی هوا را به سمت پایین براند.
بسیار ساده به نظر میرسد. برای لیفت بیشتر، بال هم میتواند جرم بیشتری از هوا را براند و یا سرعت عمودی آن را افزایش داده و یا هر دو. این سرعت عمودی پشت بال همان سرعت عمودی downwash میباشد.
شکل 6 نشان می دهد که خلبان و ناظر زمینی چطور downwash را مشاهده میکنند. برای خلبان هوا در راستا بال با همان زاویه حمله وبا همان سرعت هواپیما بال را ترک میکند. اما ناظر زمینی هوا را بصورت عمودی و با سرعت نسبی کم در پشت بال میبیند. زاویه حمله بیشتر منجر به سرعت عمودی بیشتر. برای یک زاویه حمله مشخص سرعت بیشتر بال منجر به سرعت عمودی بیشتر. افزایش در سرعت و زاویه حمله بال باعث افزایش سرعت عمودی میشود که این سرعت عمودی به بال لیفت می دهد.
انحراف هوا در راستای بال هواپیما
اکثر مواقع جمله های ساده منجر به سوالات بیشتری میشود. یکی از آنها این است که چرا هوا در راستا بال چرخش کرده و انحنا آن را طی میکند؟ این سوال احتمالا چالشی ترین سوال در درک پرواز میباشد.
اجازه بدهید با یک مثال این موضوع را مورد بررسی قرار دهیم. طبق شکل 9 لیوانی را بصورت افقی گرفته و آن را به جریان آب نزدیک کنید. مشاهده خواهید کرد که آب به سطح لیوان چسبیده و انحنا آن را دنبال میکند. از قانون اول نیوتن ما میدانیم که برای اینکه جریان آب منحرف شود باید بر آن نیرو وارد شود. نیرویی در راستا چرخش آّب. از قانون سوم نیوتن ما میدانیم که باید نیرویی برابر در خلاف جهت به لیوان وارد شود.آب نیرویی بر لیوان وارد میکند که سعی دارد لیوان را به داخل جریان آب بکشد.
نوع های مختلفی از بال وجود دارد : conventional , symmetric , conventional in inverted flight , the early biplane wings , barn door. در هر حال بال هوا را بسمت پایین میراند. چیزی که همه این بال ها دارند زاویه حمله است. زاویه حمله اصلی ترین پارامتر در اندازه گیری لیفت میباشد.
برای زاویه صفر درجه لیفت برابر صفر است. با افزایش زاویه به بالا یا پایین خواهید دید که لیفت نسبتا به زاویه حمله وابسته است. شکل 12 لیفت یک بال نمونه را به عنوان عملکرد زاویه حمله نشان میدهد. رابطه بین زاویه حمله و لیفت در همه بال ها قابل مشاهده است و به شکل و طراحی آنها بستگی ندارد. این برای بال 747 یا یک هواپیما معکوس و یا حتی برای دست شما خارج از پنجره ماشین در حال حرکت صادق است. بال معکوس با توجه به زاویه حمله قابل توجیه است در حالی که توضیح عامیانه در این مورد پارادوکس دارد. خلبان برای سرعت مناسب برای پرواز با بارهای مختلف و ایجاد لیفت مورد نظر زاویه حمله را تنظیم میکند. نقش زاویه حمله در درک ایجاد لیفت بسیار از شکل و طراحی بال مهمتر است. بال در مشخصه Stall و درگ در سرعت های بالا مورد توجه است.
بال به عنوان air virtual scoop
اکنون میخواهیم یه تصور ذهنی از بال را معرفی کنیم. این تصور جدید که میخواهیم آن را مورد توجه قرار دهید virtual scoop است. بال به عنوان یک اسکوپ مقدار مشخصی از هوا را از حالت افقی منحرف میکند و به زاویه حمله میراند. همانطور که در شکل 13 میبینید. طول اسکوپ برابرست با طول بال و ارتفاع آن به طول chord ( فاصله لبه بال تا انتها ) بستگی دارد. مقدار هوای منحرف شده توسط اسکوپ متناسب است با سرعت هواپیما و غلطت هوا و نه چیز دیگر.
لیفت به نیرو (توان) نیاز داد
وقتی هواپیما در هوا پرواز میکند هوا به پایین رانده میشود پس به هوا انرژی داده شده است. توان انرژی یا کار انجام شده در واحد زمان است. بنابراین لیفت توان نیاز دارد. این توان توسط موتور های هواپیما تأمین میگردد.
توان مورد نیاز برای پرواز چقدر است؟ اگر گلوله ای با وزن m و سرعت v شکلیک شود ، انرژی داده شده به آن براحتی با فرمول 1/2mv2 قابل محاسبه است. در این حال انرژی داده شده به هوا از طریق بال متناسب است با مقدار هوا رانده شده ضربدر سرعت عمودی به توان 2. همین طور ذکر شده است که لیفت متناسب است با مقدار هوای رانده شده ضربدر سرعت عمودی. بنابراین توان مورد نیاز برای لیفت متناسب است با وزن هواپیما ضربدر سرعت عمودی هوا. اگر سرعت هواپیما 2 برابر شود مقدار هوای رانده شده نیز 2 برابر میشود. بنابراین برای ثابت نگه داشتن لیفت ، زاویه حمله باید کم شود تا سرعت عمودی را به نصف کاهش دهد. در این صورت توان مورد نیاز نصف خواهد شد. این نشان میدهد که با افزایش سرعت هواپیما توان مورد نیاز کم میشود. در حقیقت نشان دادیم که توان متناسب است با معکوس سرعت هواپیما.
اما همه ما میدانیم که برای سرعت بیشتر توان یا انرژی بیشتری مورد نیاز است. پس توان بیشتر از آنچه که برای لیفت محاسبه میشود احتیاج است. توان مربوط به لیفت را توان "induced" مینامند. توان همچنین باید بر درگ "parasite" هم غلبه کند، درگی که مربوط به حرکت چرخها و تجهیزات دیگر در هواست.
در شکل 14 منحنی مربوط به توان "induced" ، توان "parasite" و توان کل (مجموع توان های induced و parasite ) نشان داده شده است. توان Induced متناسب است با معکوس سرعت هواپیما و توان parasite متناسب است با سرعت به توان 3.
درگ مقاومتی است که در برابر هواپیما وجود دارد. مانند توان درگ induced و درگ parasite وجود دارند که در شکل 15 قابل دیدن است. با این تفاوت که درگ induced متناسب است با توان 2 معکوس سرعت (1/speed2 ) و درگ parasite متناسب است با سرعت به توان 2. با نگاهی به این 2 شکل میتوان چیزهای کمی در مورد نحوه طراحی هواپیماها فهمید. هواپیما های کم سرعت مانند گلایدر طوری طراحی میشوند که توان induced را به حداقل برسانند در حالی که هواپیما های معمولی بیشتر نگران توان parasite هستند و در جت ها هم که توان parasite حاکم بر همه چیز است.
شاید سوالی برایتان پیش آید که چه عواملی بر بازدهی یک نوع بال تأثیر دارد؟ در اینجا یکی را بازگو میکنیم. دیدیم که توان induced متناسب است با سرعت عمودی هوا. اگر سطح بال افزایش یابد( بال پهن تر باشد) اندازه virtual scoop افزایش میابد که باعث انحراف میزان بیشتر هوا میشود. بنابراین برای لیفت ثابت زاویه حمله و در نتیجه سرعت عمودی باید کاهش می یابد. و چون توان induced هم به سرعت عمودی وابسته است کاهش می یابد. پس بازده بال با افزایش سطح آن زیاد میشود. گرچه بال بزرگتر باعث کاهش توان مورد نیاز میشود به هر حال باعث افزایش توان parasite هم میشود. هواپیما های کم سرعت بیشتر تحت تأثیر درگ induced میباشند بنابراین بال های بزرگی دارند. در مقابل هواپیما های پر سرعت مانند جنگنده ها تحت سلطه درگ parasite میباشند بنابراین بال های کوتاه و کوچک دارند تا بتوانند درگ parasite را کاهش دهند.
توان و باربری بال
آیا برای مسافران و بار بیشتر، توان بیشتری مورد نیاز است؟ و آیا وزن بر stall تأثیر دارد؟ در سرعت ثابت اگر وزن هواپیما زیاد شود برای جبران آن باید سرعت عمودی افزایش یابد. این کار با افزایش زاویه حمله قابل انجام است. اگر وزن هواپیما 2برابر شود برای جبران باید سرعت عمودی نیز 2برابر شود. توان induced که متناسب است با وزن هواپیما ضربدر سرعت عمودی در هر دو مورد بالا 2برابر میشود. پس توان induced 4برابر میشود. بنابراین توان induced متناسب است با وزن به توان 2.
یکی از راههای اندازه گیری توان کل بررسی مصرف سوخت است. شکل 16 میزان مصرف سوخت را بر اساس وزن برای یک هواپیما باربری بزرگ که در سرعت ثابت پرواز میکند را نشان میدهد. زمانی که سرعت ثابت است تغییر در مصرف سوخت نتیجه تغییر توان induced میباشد.
مقدار هوای رانده شده متناسب است با سرعت بال و غلضت هوا .
سرعت عمودی هوای رانده شده متناسب است با سرعت بال و زاویه حمله .
لیفت متناسب است با مقدار هوای رانده شده ضربدر سرعت عمودی آن .
توان مورد نیاز برای لیفت متناسب است با لیفت ضربدر سرعت عمودی هوا .
چشم اندازی بر وضعیت های موجود در پرواز بر اساس توضیح فیزیکی و عامیانه :
• سرعت هواپیما کم میشود. توضیح فیزیکال میگوید که مقدار هوای رانده شده کاهش یافته بنابراین زاویه حمله برای جبران زیاد میشود. توان مورد نیاز هم افزایش می یابد. توضیح عامیانه نمیتواند این را توضیح دهد.
• وزن هواپیما افزایش می یابد. توضیح فیزیکال می گوید مقدار هوای رانده شده ثابت است اما زاویه حمله باید افزایش یابد تا لیفت بیشتری ایجاد شود. توان مورد نیاز لیفت هم زیاد میشود. دوباره توضیح عامیانه عاجز از توضیح آن است.
• هواپیما معکوس پرواز میکند. توضیح فیزیکال با این مسئله مشکلی ندارد. خلبان زاویه حمله بال معکوس شده را تنظیم میکند تا لیفت مورد نظر ایجاد شود. در حالی که توضیح عامیانه اظهار دارد که پرواز معکوس امکانپذیر نیست.
برگرفته شده از کتاب "Understanding Flight" نوشته شده توسط David Anderson و Scott Eberhardt
سخن آخر
خوب امیدوارم که این مطلب کمکی در درک شما از پرواز کرده باشه. با توجه به این که متن ترجمه شده است ممکن است مطلب به صورت تمام و کمال به خواننده منتقل نشود که از این بابت عذرخواهی میکنم و اگر ابهامی بوجود آمده میتوانید آن را مطرح نمایید تا توضیحات تکمیلی ارائه گردد.
دانلود نسخه PDF
ارادتمند همه
محمد علی عمادی