ابتدا خلاصه وار انواع بال در هواپیما:
۱-بال متحرک:
این مدل از بال ها معمولا در بالگردها دیده میشود و نیرویی که باعث بالا رفتن پرنده میشود از چرخش این نوع بال در هوا ایجاد میشود.
۲-بال ثابت:
این مدل از بال ها نیز بیشتر در هواپیماهایی نظیر هواپیماهای مسافربری دیده می شود. هواپیماهایی که در آنها از بال های ثابت استفاده شده است،نیروی بالابر خود را تنها از سیستم پیشرانه خود تامین میکنند.
قسمت های مختلف بال:م
قسمت های مختلف بال هواپیما
۱.فلپ:
فلپ ها قسمتی از بال هواپیما هستند که توسط خلبان با استفاده از یک اهرم کنترل و در یک محدوده مشخص باز و بسته می شوند.
این قسمت از بال (فلپ) در هنگام نشستن یا برخاستن با قابلیت باز و شدن باعث افزایش نیروی بالابرنده شده و به هواپیما این امکان را می دهد تا ساده تر به سمت بالا و پایین مانور داده و آرام تر به پرواز خود ادامه دهد.
فلپ ها در بال هواپیما
اگر میزان باز و بسته شدن فلپ ها خارج از محدوده تعیین شده باشد میتواند منجر به کاهش شدید سرعت هواپیما شود.
از فلپ ها معمولا در زمان فرود و یا تیک آف هواپیما که سرعت پرواز کاهش می یابد استفاده می شود.
۲.شهپر:
شهپر یا اِیلران (Aileron ) بخشی از قسمت جلویی بال است که با استفاده از فرامین تحت کنترل خلبان حرکت میکند و باعث حرکت هواپیما به سمت چپ یا راست می شود.
1حرکت مخالف هم شهپرها
حرکت شهپرها در بال های یک هواپیما در خلاف جهت هم میباشد به اینگونه که اگر شهپر بال راست به سمت بالا حرکت کند؛ شهپر بال چپ به سمت پایین حرکت میکند.
۳.بالچه:
بالچه بخش دیگری از بال میباشد که به صورت یک زائده کوچک بر روی بال ها قرار دارد که در زمان ایجاد نیروی برآ به کمک هواپیما می آید.
علاوه بر ایجاد نیروی برآ، بالچه ها باعث میشوند تا انرژی کمتری از موتور هواپیما گرفته شود و در نتیجه آن نیز در مصرف سوخت صرفه جویی میشود.
بالچه
همچنین وجود این بالچه ها برای کاهش دِرَگ مربوط به ایجاد نیروی برآ نیز ضروری میباشد و کمک بسیار زیادی را هواپیما در طول پرواز میکند.$F_D = C_DA\frac{⍴V^2}{2} $
در همین مورد نیز شرکت هواپیمایی بوئینگ مدعی شده است که استفاده از بالچه های کار گذاشته شده این شرکت بر روی هواپیماهای خود، مصرف سوخت و تصاعدات کربنی این هواپیماها را تا ۵ درصد کاهش داده است.من می دانم که در نتیجه گرداب های نوک تولید می شود و هرچه نسبت ابعاد هواپیما بیشتر باشد ، نیروی کشش ناشی از آن کمتر است. اما وقتی که به معادله نیرو رسید ، برابر است ب$ D_i = \frac{1}{2}\rho V^2 S \frac{C_L^2}{\pi AR \epsilon}$ نسبت AR را می توان به صورت bc نوشت که برابر با b2S است.
قبل از شروع به تعویض ، توجه داشته باشید که CL به سطح بال بال S نیز بستگی دارد.$L = \frac{1}{2}\rho V^2 C_L S $و $C_L = \frac{L }{\frac{1}{2} \rho V^2 S} $لذا $D_i = \frac{1}{2}\rho V^2 S \frac{C_L^2}{\pi AR \epsilon} =
\frac{L^2}{\frac{1}{2}\rho V^2 S \pi AR \epsilon} = \frac{L^2}{\frac{1}{2}\rho V^2 \pi b^2 \epsilon} $ ضریب کشش القایی با نسبت ابعاد عکس عکس است.
$C_{di} = \frac{C_L^2}{\pi AR e} $
صفحه ناسا در مورد ضریب درگ القایی
ضریب کلی کشش فرم / پوست به همراه مقدار القا شده است.
$C_D = C_{d0} + C_{di} $
صفحه ناسا در فرمول کشیدن
نیروی واقعی کشیدن با فرض$ C_{d0} = 0$ برابر است
$D = \frac{1}{2}\rho V^2 S \frac{C_L^2}{\pi AR e} $
قابل کاهش به
$ D = \frac{1}{2}\rho V^2 c^2 \frac{C_L^2}{\pi e}$
جایی که c وتر متوسط است.با افزایش آکورد ، کشش ناشی از آن افزایش می یابد
با افزایش دهانه ، کشش ناشی از آن کاهش می یابد
به عبارت دیگر ، کشش ناشی از آن نسبت عکس با نسبت ابعاد دارد.
در این بخش می خواهیم درباره سطوحی در هواپیما بحث کنیم که هدایت هواپیما و تغییر سرعت و... را بر عهده دارند. یکسری از این سطوح در همه هواپیماها مشترک می باشند و یکسری دیگر برای هواپیماهای سنگین وزن تر مورد استفاده قرار می گیرند.
دسته اول: سطوح مشترک بین هواپیماهای سبک وزن و سنگین وزن: این سطوح شامل Flap، Elevator ،Rudder، Elevator tab (Trim) و Aileron می باشد که در ادامه به هر کدام از آنها می پردازیم.
1-Flap(فلپ یا برافزا): صفحه یا صفحاتی متحرک و مستقر در لبه فرار بال که به سمت پایین باز یا کج می شوند، یا به پایین می لغزند و گاهی انحنا یا مقطع و یا مساحت بال را تغییر می دهد تا در سرعت آهسته تأثیر قدرتمندی بر افزایش نیروی برآ (Lift) داشته باشد. این سکان گاهی برای تغییر نیروی پسا نیز مورد استفاده قرار می گیرد. فلپ ها معمولا تا زاویه 50 یا 60 درجه که به پایین کج می شوند، ب نیروی برآ می افزایند اما بیش از این مقدار، تا زاویه 90 درجه نسبت به باد روبرو، بر نیروی پسا (Drag) می افزایند. فلپ ها خود دسته بندی متفاوت و مختلفی دارند
2- Elevator(سکان متحرک افقی عقب): الویتور یک سطح کنترل متحرک افقی است که در قسمت انتهایی هواپیما واقع شده است و وظیفه آن این است که دماغه هواپیما را به سمت بالا یا پایین حرکت دهد یا اصطلاحا وضعیت Pitch را کنترل کند. اعمال نیروی به سمت عقب برکنترل های هواپیما (فرامین یا Youk) باعث حرکت الویتور به سمت بالا می شود. در این وضعیت فشار کمتری به سطح زیرین الویتور وارد می شود، بنابراین دم (Tail) هواپیما به سمت پایین حرکت می کند و در نتیجه دماغه هواپیما بالا می رود.
شکل آنچه را که هنگام حرکت فرامین کنترل به سمت جلو رخ میدهد، نشان می دهند. الویتور پایین م یرود، بنابراین فشار کمتری بر روی سطح فوقانی دم اعمال می شود که باعث بالا رفتن دم می شود و دماغه هواپیما حول محور عرضی چرخیده و به سمت پایین حرکت می کند.
3-Rudder(سکان متحرک عمودی عقب): یکی دیگر از سطوح متحرک اصلی کنترل پروازی در سکان عمودی هواپیماست که حرکت هواپیما حول محور عمودی یا نرمال را تامین و کنترل می نماید؛ که باعث می شود هواپیما و دماغه آن به سمت راست یا چپ، حرکت کند. در هواپیماهای کوچک از ساختار منفرد(Single Structure) با یک سیستم کنترل انفرادی تشکیل شده، کار می کند و در انواع هواپیماهای سنگین، ساختاری پیچیده و طراحی متفاوتی دارد. در این قبیل پرنده ها، ممکن است Rudder از دو یا چند بخش عملیاتی که هرکدام توسط سامانه های عملیاتی مختلفی کنترل می شوند، تشکیل شده باشد. به منظور افزایش خواسته خلبان از سامانه rudder، حرکت رادر و کنترل آن به وسیله پدال ها که با نیروی پای خلبان به حرکت در می آیند، کنترل می شوند.
4- Elevator tab (Trim)(تریم): تریم تب، قسمت کوچکی است بر روی الویتور برای کاهش فشار فرامین کنترل از روی دست خلبان تعبیه شده اند. همچنین بوسیله تریم می توان هواپیما را به راحتی در ارتفاع ثابت نگه داشت.
5-Aileron(شهپر): یکی از سطوح کنترل پرواز می باشد که معمولا در محل لبه فرار بال Trailing Edge قرار می گیرد. از سامانه های کنترل پرواز اولیه هستند که امکان کنترل هواپیما را حول محور طولی (Longitudinal) را فراهم می آورد که باعث می شود هواپیما به راست و یا چپ گردش کند. Aileron ها معمولا در لبه فرار، نزدیک نوک بال (Tip Wing) قرار می گیرند. در برخی از هواپیماهای پهن پیکر، بیشتر از یک مجموعه Ailerons به کار گرفته شده است که در تقسیم بندی ها Inboard و Outboard نامیده می شوند.
Inboard ==> High Speed Ailerons
Outboard ==> Low Speed Ailerons
از هر دومجموعه Inboard و Outboard در هنگام Takeoff و Landing استفاده می شود. Ailerons ها بوسیله یک فرمان (Stick) یا (Youk) به کار می افتند. با به حرکت در آمدن Stick به سمت چپ، Aileron بال راست پایین می آید و Aileron بال چپ بالا می رود، درنتیجه زاویه حمله بال راست بیشتر از بال چپ می شود و نیروی Lift تولید شده توسط بال راست بیشتر از بال چپ می شود؛ همین امر باعث بالا رفتن بال راست و پایین آمدن بال چپ و غلت زدن هواپیما حول محور طولی به سمت چپ می شود. با به حرکت در آمدن Stick به سمت راست، تمامی مراحل ذکر شده در بالا به صورت عکس انجام می شود.$ F={\dfrac{1}{2}}\rho v^{2} SC_{L}$
دسته دوم: سطوح متحرک برای هواپیماهای سنگین وزن تر: این سطوح شامل Slat و Spoiler می باشد که در ادامه به بررسی هرکدام می پردازیم.
6- Slat(اسلت یا پیش بال): اسلت ها صفحاتی هستند که بر روی لبه حمله بال قرار می گیرند و متناسب با میزان فلپ باز شده، آنها نیز باز می شوند و مانند فلپ ها پایین می روند. این صفحات برای افزایش نیروی برآ در هنگام پرواز خصوصا موقع Take off به کارمی روند.
7-Spoiler(ترمز هوایی یا براگیر): اسپویلرها صفحاتی بر روی بال هواپیما هستند که توسط اهرمی در کابین خلبان کنترل می شود. این صفحات هم در هنگام پرواز برای کم کردن سرعت مورد استفاده قرار می گیرند و هم هنگام لندینگ که باز هم برای کم کردن سرعت هواپیما اما بر روی زمین کاربرد دارند. خلبانان می توانند اسپویلرها را از درون کابین توسط اهرمی که تعبیه شده به هر میزانی که می خواهند، باز یا بسته نمایند.
در قسمت قبل به طور مختصر به بررسی هواپیما پرداختیم در این قسمت نیز به ادامه آن می پردازیم.
ساختمان هواپیما
هواپیماها همانند سایر ماشینها از اجزاء اصلی ، فرعی و کمکی مختلفی تشکیل شده اند که توسط اتصال دهنده های گوناگونی مانند پرچ، پیچ، جوش، چسب و ... به یکدیگر متصل می شوند.
در این مبحث به موارد کلی خواهیم پرداخت چرا که توضیح در مورد تک تک جزئیات از حوصله این بحث خارج است.
اجزاء اصلی ساختمان هواپیما:
1 - بدنه (Fuselage or Body)
2 - بال (Wing)
3 - مجموعه دم (Empennage or Tail)
4 - ارابه فرود (Landing gear)
5 - پیشرانه (Power plant or Engine)
بدنه
در اغلب هواپیماها بدنه نقش اساسی و مشترکی مبنی بر قرار دادن بال، مجموعه دم ، پیشرانه و ارابه فرود در موقعیت و وضعیت مناسب خود، ایفا می کند. در واقع بدنه، رابط بین بخشهای اصلی دیگر است. اما در برخی هواپیماها مانند بالهای پرنده، بدنه و بال یکپارچه بوده و مرزی بین آنها وجود ندارد.
از وظایف دیگر بدنه - که در هواپیماهای مختلف متفاوت است - می توان به موارد ذیل اشاره کرد:
- جای دادن کابین مسافر ، کاکپیت خلبان ، محفظه بار ، تانکهای سوخت ، محموله و ...
- جذب شوکهای وارده از طرف چرخها در هنگام فرود
انواع ساختمان بدنه هواپیما
بدنه اسکلتی خرپا (Truss)
این نوع بدنه در هواپیماهای اولیه تا جنگ جهانی اول بسیار استفاده شد. هم اکنون در هواپیماهای دست ساز و نیز هواپیماهای مدل از این نوع بدنه استفاده زیادی می شود. چرا که ساده ، سبک و مقاوم بوده و با تیر های چوبی قابل ساخت هستند.
در این نوع بدنه، اغلب نیروها و تنشهای وارده توسط سازه اصلی تحمل شده و از پوسته برای ایجاد شکل آیرودینامیکی و انتقال نیروهای آیرودینامیکی به سازه استفاده می شود.
سازه اصلی از تیرهای طولی (Longeron) ، تیرهای مورب (Strut) ، قابهای عرضی (Former or Frame @ Bulkhead) و کابلهای نگهدارنده (Cable) تشکیل شده است.
بدنه تخم مرغی (Monocoque)
در این نوع بدنه ، پوسته اغلب نیروهای وارده را تحمل نموده و از سازه داخلی مختصری برای ثُلب شدن پوسته استفاده می شود. معمولا پوسته این نوع بدنه از جنس مواد کامپوزیت بوده و بصورت دو تکه ساخته می شود.
بسیاری از هواپیماهای گلایدر ، فوق سبک و هواپیماهای دست ساز ، دارای این نوع بدنه می باشند. اخیراً بدنه برخی هواپیماهای شکاری فوق مدرن نیز به این روش تولید شده است. بسیاری از هواپیماهای مدل و بدون سرنشین کاربردی ، از این نوع بدنه سود می برند.
بدنه نیمه تخم مرغی (Semi Monocoque)
این نوع سازه دارای مشخصات و ویژگیهایی بین دو نوع فوق بوده که باعث شده اکثر هواپیماها از این نوع بدنه استفاده نمایند. تقریبا همه هواپیماهای مسافربری ، باربری و شکاری دارای این نوع سازه هستند. در بدنه semi monocoque نیروها و شوکهای وارده هم بواسطه سازه داخلی و هم توسط پوسته تحمل می شوند. این سازه از اجزاء طولی ، عرضی تشکیل شده که هرکدام دارای اعضای اصلی و کمکی می باشند.مرکز ثقل (CG) هواپیما با توجه به ثبات و کنترل از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. این جنبه از فرآیند طراحی در واقع با فرآیند برآورد وزن انجام می شود. داده های مرکز ثقل برای هر جز component که وزن آن تخمین زده می شود باید همزمان جمع شود.
یک روش برای ادامه کار با تعیین مرکز ثقل هواپیمای کامل شامل تقسیم هواپیما به دو گروه است: گروه بدنه ترکیبی شامل بدنه و سطوح دم و گروه ترکیبی بال شامل بال ، مخازن سوخت ، موتورها ، ناکل ها و تجهیزات فرود. نمای مفصلی از گروه بال در شکل 8.34 آورده شده است.مخازن سوخت را ممکن است در فضای بین اسپارهای جلو و عقب در نظر بگیرند. وزن کل سوخت مورد نیاز مشخص است و می تواند به حجم تبدیل شود. سپس حجم مخزن سوخت υf برای شکل منشوری مورد نیاز است
مقادیر S1 و S2 نواحی پایه های داخل و خارج مخزن هستند و از هندسه بال شناخته می شوند. بنابراین ممکن است طول لازم برای مخزن محاسبه شود. مکانهای مختلف CG از اجزای گروه بال ترکیبی ممکن است برای تولید وزنی از گروه بال ترکیبی و محل CG آن به عنوان اندازه گیری شده از لبه جلوی وتر متوسط آیرودینامیکی استفاده شود. نمای جانبی و پلان این دو گروه با ابعاد مناسب
اجزاء طولی:
1- Longeron (اصلی)
2- stringer or stiffner (کمکی)
اجزاء عرضی:
1- Former or Frame (اصلی)
2- Bulk head (اصلی)
3- Ring (کمکی)
بال
بال هواپیماها همانند بدنه دارای سازه داخلی و پوسته می باشد.
برخی مشابه بدنه truss دارای سازه داخلی مستحکم بوده که اغلب نیروها را تحمل می نماید و پوسته نازکی که تنها جهت ایجاد فرم ایرودینامیکی روی سازه داخلی کشیده شده و معمولا از جنس پارچه و نایلون است. این نوع بال بیشتر در هواپیماهای قبل از جنگ جهانی دوم استفاده می شد اما در حال حاضر در هواپیماهای دست ساز شخصی و مدلها کاربرد بسیاری دارد.
اما درصد بالایی از آنها مشابه بدنه Semi monocoque دارای سازه داخلی کامل و پوسته های نسبتا ضخیم آلومینیمی یا کامپوزیتی می باشند که پوسته نیز در تحمل نیروهای وارده به سازه داخلی کمک می کند. این نوع بال را در هواپیماهای مسافربری و باربری می توان مشاهده نمود.
اجزاء سازه داخلی بال به دو بخش طولی و عرضی تقسیم می شوند:
اجزاء طولی:
اسپار (Spar) به عنوان تیر اصلی نگهدارنده بال و استرینگر (Stringer) نیز جهت کمک به اسپار و پر کردن فضاهای خالی
اجزاء عرضی:
ریب (Rib) جهت ایجاد فرم ایرفویل در سراسر بال و نیم ریبهایی که در برخی جاها مانند لبه های حمله و فرار بال مابین ریبها قرار می گیرند.
