اصول پرواز هواپیمای مدل

اصول پرواز هواپیمای مدل چیست ؟ احتمالا تا به حال پرواز با هواپیمای مسافر بری را تجربه کرده اید. بی تردید هواپیما یکی از عجیب ترین و شگرفت آور ترین سازه های ساخت دست بشر است. اینکه یک هواپیمای مسافر بری بوئینگ ۷۴۷ با ۶۰۰ تا ۷۰۰ مسافر و با وزنی در حدود ۴۰۰ تن از زمین جدا شده و چیزی در حدود ۱۱۰۰۰ کیلومتر پرواز می کند بسیار حیرت آور و باور نکردنی است. اگر شما نیز همانند من از این موضوع حیرت می کنید و دلتان می خواهد که بدانید این هواپیما یا هر هواپیمای دیگری در جهان چگونه پرواز می کند در ابتدا باید بدانید نیروهای وارد بر ایرفویل بال هواپیما ( نیروی پیشران ، نیروی پسا یا درگ ، نیروی برا یا لیفت ، نیروی وزن ) چیست. پس با ما در این مقاله همراه باشید.

بررسی نیروهای وارد بر هواپیما

قبل از اینکه بخواهیم به اصول پرواز هواپیمای مدل بپردازیم می بایست نیروهای وارد بر هر هواپیما را بشناسیم. قبل از آنکه سراغ هر چیزی برویم در ابتدا باید بدانیم که چه چیزی هواپیما را برای مدت زمان طولانی مدت در آسمان نگه می دارد. بنابراین لازم است نیروهای وارده به هر هواپیما در حال پرواز را مورد بررسی قرار دهیم. به طور کلی ۴ نوع نیروی مختلف بر روی یک هواپیمای در حال پرواز اعمال می گردد که عبارتند از : پیشران (Thrust) ، پسا (Drag) ، وزن (Weight) و برا (Lift) که در شکل زیر تمامی این نیروهای وارده به هواپیما در حال پرواز به خوبی نشان داده شده است.

نیروی پیشران (Thrust)

نیروی پیشران همانطور که از نام آن پیداست نقش پیش بردن هواپیما به سمت جلو را بر عهده دارد. نیروی پیشران در هر هواپیما ممکن است توسط موتور ملخ دار یا موتور جت ایجاد گردد. در شکل بالا نیروی تراست یا پیشران به وسیله یک موتور ملخ دار ایجاد شده است. ملخ هواپیما با چرخش خود و با استفاده از شکافتن هوا این نیروی پیشران را ایجاد کرده و هواپیما را به جلو پیش می راند. ( اصول پرواز هواپیمای مدل )

نیروی پسا (Drag)

نیروی پسا یکی از نیروهای وارد بر هواپیما است. این نیرو در جهت خلاف نیروی پیشران است. نیرویی است که در برابر حرکت هر جسمی درون یک سیال (هوا یا آب یا …) مقاومت می نماید. اگر تا به حال در حین حرکت حرکت اتوموبیل دست خود را از پنجره بیرون آورده باشید قطعا نیروی drag را عینا لمس کرده اید. در این حالت نیروی درگ وارد شده به دست شما به عواملی چون سطح مقطع دست شما، سرعت حرکت اتوموبیل و چگالی هوای محیط بستگی دارد. برای مثال هر چه اتوموبیل آرام تر حرکت نماید نیروی پسا وارده بر دست شما کمتر خواهد بود. یا برای مثال دوچرخه سوارانی که در مسابقات المپیک شرکت می نمایند برای این که با سرعت بیشتری حرکت کنند خم می شوند تا جایی که سرشان را بر روی فرمان دوچرخه می گذارند.

در واقع با این کار سطح مقطع بدنشان را کوچک می کنند و نیروی پسا وارد شده بر بدنشان را کاهش می دهند و در نتیجه سرعت می گیرند. آیا تا به حال از خود پرسیده اید که چرا در هنگام برخواستن هواپیما چرخ ها جمع می شوند؟؟؟ بله درست است. زیرا چرخ ها نیروی پسا زیادی ایجاد کرده و از سرعت هواپیما می کاهد. بنابراین باید جمع شوند تا سطح مواجه هواپیما با جریان هوا کاهش یابد. دقیقا مشابه همان دوچرخه سواری که بدن خود را جمع  می کند تا سرعتش کاهش نیابد. در هرهواپیما برای اینکه بتواند  به سمت جلو حرکت نماید باید نیروی تراست بر نیروی پسا غلبه نماید. ( اصول پرواز هواپیمای مدل )

نیروی وزن (Weight)

یکی از قابل درک ترین نیروهای وارده بر هواپیما همین نیروی وزن است. زیرا همه ما کاملا با این نیرو آشنا هستیم. تمامی اجسام بر روی کره زمین دارای وزن هستند. این نیرو از طرف زمین به تمامی اجسام (چه در زمین و چه در آسمان) وارد می شود و گریز از آن امکان پذیر نیست. وزن یک هواپیمای بویینگ ۷۴۷ چیزی در حدود ۴۰۰ تن می باشد و باند فرود می بایست آن را تحمل نماید. جهت نیروی وزن همیشه عمود بر مرکز کره زمین و به سمت پایین است. ( اصول پرواز هواپیمای مدل )

نیروی برا (Lift)

از بین چهار نیروی وارده بر هواپیمای در حال پرواز نیروی لیفت یا برا یا لیفت پیچیده تر و درک آن اندکی مشکل تر است. در واقع این نیروی برا یا لیفت است که هواپیما را در آسمان نگه می دارد. نیروی لیفت توسط بال های هواپیما تولید شده و بر نیروی وزن هواپیما غلبه می نماید. در واقع وزن هر هواپیمایی در آسمان توسط بال های آن در حال تحمل است. نیروی برا نیروی عکس العملی است که جریان هوا به بال اعمال می کند و جهت آن رو به بالا می باشد. برای اینکه بتوان به درک درستی از نحوه ایجاد نیروی برا رسید بیایید یک بال هواپیما را بررسی نماییم. ( اصول پرواز هواپیمای مدل )

شکل بالا مقطعی از بال یک هواپیما را نشان می دهد. به شکل هندسی مقطع بال هواپیما اصطلاحا ایرفویل می گویند. همانطور که مشاهده می کنید سطح بالایی این مقطع به صورت خمیده و سطح پایینی آن مستقیم است. همانطور که در شکل مشاهده می کنید مسیر جریان هوا بر روی ایرفویل نشان داده شده است. هوا در ابتدا از لبه حمله مقطع بال هواپیما شروع به جریان می یابد و دو قسمت می شود. در واقع بال هوا پیما جریان هوا را می شکافد و آن را دو بخش می کند. بخشی از مقطع منحنی شکل بالایی و بخشی از مقطع مستقیم پایینی بال جریان می یابد.

نیروی لیفت

نکته قابل توجه این است که این دو جریان هوا الزاما می بایست در بخش انتهایی بال یا اصطلاحا لبه فرار در یک زمان به هم برسند و از آن جایی که طول مسیر منحنی شکل بالایی بیشتر از مسیر مستقیم پایینی است جریان هوا در قیمت بالایی بال اجبارا با سرعت بالاتری این مسیر را طی می نماید تا این دو جریان هوا در یک زمان به لبه فرار برسند و این مهمترین قانون دینامیک گاز ها همان شاره می باشد.

این قانون بیان می کند که هرگاه یک سیال سرعتش افزایش یابد فشارش کاهش می باشد. با کاهش فشار مقطع بالای بال فشار زیر بال بر آن غلبه کرده و نیرویی تحت عنوان لیفت (Lift) را ایجاد می نماید که هواپیما را رو به بالا می برد. و این کلید معمای پرواز است. تحلیلی که در بالا ارائه شد ممکن است از لحاظ علمی درست به نظر نرسد. مثلا اینکه طراحی بال همه هواپیما ها اینگونه نیست و ممکن است ایرفویل بال هواپیما دارای مقطعی قرینه باشد.

اما می بینیم که این هواپیماها نیز قادر به پرواز هستند. یا اینکه اگر تحلیل های بالا درست بود پس نباید هواپیما ها در حالت وارونه پرواز می کردند. در صورتی که ما می دانیم که اینطور نیست و هواپیماها قادر به پرواز در حالت وارونه نیز هستند. برای پی بردن به این تناقضات فکری می بایست نگاهی دقیقتر به یک ایرفویل بیاندازیم. در شکل زیر یک ایرفویل متقارن را در میان یک جریان هوا ملاحظه می کنید.

زاویه بال با جریان هوا

همانطور که در شکل مشاهده می کنید مقطع ایرفویل با جریان هوا زاویه ای می سازد که به آن زاویه حمله می گویند. زمانی که بال یک هواپیما با هر نوع طراحی ایرفویلی تحت یک زاویه ای با جریان هوا قرار گیرد سطح بال نیرویی به جریان هوا وارد می کند و بر اساس قانون سوم نیوتن جریان هوا نیرویی به همان مقدار و در جهت مخالف به بال وارد می نماید ک همان نیروی لیفت برای به پرواز درآورن هواپیما می باشد.

جهت درک بهتر فرض کنید درون اتوموبیل در حال حرکتی نشسته اید و انگشتان خود را هماند سطح بال یک هواپیما به صورت تیغه ای جمع کنید. دست خود را از شیشه پنجره بیرون آورده و دقیقا مانند یک بال هواپیما مقابل جریان هوا قرار دهید. حال اندکی به دست خود زاویه دهید. مشاهده خواهید کرد که جریان هوا دست شما را به سمت بالا می راند و این همان نیروی برا یا لیفت می باشد. در هواپیماها نیز اینگونه است و با اعمال اندکی زاویه حمله به بال، هواپیما اوج می گیرد و به بالا می رود.

در ویدیوی زیر با اصول پرواز هواپیمای مدل آشنا خواهید شد.

 

لایه مرزی چیست (Boundary layer)

با توجه به مفاهیم ارائه شده در بالا ممکن است اینگونه به نظر برسد که جریان هوا دقیقا بر روی سطح بال جریانی بدون اصطکاک است. در صورتی که اینطور نیست و به دلیل وجود اصطکاک بین سیال و جامد که در اینجا هوا و سطح بال است هوا در نقطه روی سطح بال کاملا به بال می چسبد و سرعت آن کاملا به صفر می رسد. برای اثبات عینی این موضوع آیا تا به حال به این موضوع فکر کرده اید که چرا لایه نازک غبار ایجاد شده بر روی سطح اتوموبیل شما در اثر حرکت اتوموبیل حتی با سرعت های بالا از بین نمی رود؟؟؟

دلیل آن وجود لایه مرزی بر روی سطح اتوموبیل شماست و در آن نقطه سرعت جریان هوا به صفر می رسد. در واقع لایه نازکی از جریان هوا بر روی سطح ایجاد می گردد که به آن لایه مرزی می گویند. سرعت جریان هوا در لایه مرزی از نقطه روی سطح که صفر است تا حد بالایی لایه مرزی که برابر سرعت جریان هواست زیاد می شود. در لایه مرزی هر چه از سطح دور شویم سرعت افزایش یافته تا در حد بالایی لایه مرزی این سرعت به ماکزیمم خود می رسد.

دوران یا سیکولاسیون (Circulation)

همیشه و در حین پرواز یک هواپیما دو نوع جریان هوا در مقطع بال هواپیما اتفاق می افتد. یکی جریان هوای آزاد که در قبل توضیح دادیم و دیگری جریان دورانی هوا در اطراف ایرفویل می باشد. در واقع زمانی که هوای بالای بال در اثر شکل خمیدگی بالای بال فشارش افت می کند این هوا به شدت شتاب گرفته و موجب کشیده شدن جریان هوا از جلوی بال به پشت آن می شود. لذا می بایست این حجم هوای جابه جا شده جایگزین شود بنابراین جریان هوا برای جایگزینی شروع به چرخش حول محور بال می کند و حجم هوای زیر بال جایگزین قسمت بالایی بال می شود و در نتیجه یک جریان دورانی حول بال به وجود می آید.

گردابه های بال هواپیما

هنگامی که دو جریان هوای بالایی و پایینی بال در لبه فرار به هم میرسند با هم زاویه می سازند که سبب یک جریان هوای مارپیچی و گردابه ای شکل می شود و خطی از مسیر گردابه ای در پشت بال به وجود می آورد که همان جریان گردابه ای است. این جریان های گدابی در نوک بال قوی تر و در میانه بال به صفر می رسد.

ساختار ایرفویل بال هواپیما

لبه حمله (Leading edge)

اولین نقطه از مقطع آیرودینامیکی بال که در حین پرواز هواپیما با مولکول های هوا برخورد می نماید.

لبه فرار (Trailing edge)

آخرین نقطه از مقطع آیرودینامیکی بال که با جریان هوا تماس دارد و در آن نقطه جریان هوا بال را ترک می کند.

خط وتر (Chord C)

خط راستی که لبه حمله را به لبه فرار متصل می کند خط وتر نامیده می شود. در حالت کلی هرگاه در مباحث علم آیرودینامیک از وتر صحبت شد مقصود همان خط وتر می باشد.

خط نیمساز (Mean Camber)

منحنی یا خطی است که از ابتدای خط وتر آغاز و به انتهای خط وتر منتهی می شود به گونه ای که مقطع آیرودینامیکی ایرفویل را به دو قسمت مساقی تقسیم نماید. در ایرفویل های متقارن خط نیمساز بر خط وتر منطبق است. خط نیمساز در تعیین ویژگی های آیرودینامیکی بال بسار اثر گذار می باشد.

کمان بالا (Upper Camber) و کمان پایین (Lower Camber)

این دو کمان بر روی شکل نشان داده شده است.

زاویه حمله (Angel of attack)

زاویه بین خط وتر و جهت نسبی جریان هوا

 

انواع ایرفویل در هواپیمای مدل

ایرفویل ها نقطه عطف بال هواپیما بوده در ویژگی های پرواز آن را تعیین می نماید. به طور کلی انواع ایرفویل در طراحی هواپیمای مدل استفاده می شود که ۳ نوع از آن بسیار پرکاربرد تر از بقیه می باشد که در ادامه به معرفی هر یک خواهیم پرداخت:

ایرفویل ته پهن : از بین سه ایرفویل معرفی شده این یکی دارای بالاتریت لیفت و پایداری می باشد. از آن جهت ساخت هواپیمای مدل آموزشی بال بالا با قدرت مانور پایین استفاده می شود. کنترل پرنده هایی که از این نوع ایرفویل پهره می برند ساده تر است.

ایرفویل نیمه متقارن : قدرت مانور پرنده هایی که از این نوع ایرفویل بهره می برند بالاتر از نوع ته پهن می باشد.

ایرفویل متقارن : معمولا در ساخت بال پرنده های آکروباتیک از این نوع ایرفویل استفاده می شود. قدرت لیفت این نوع ایرفویل پایین و مانور آن بالاست. کنترل این پرنده ها نیازمند مهارت بالایی است.