الديناميكا الهوائية

الديناميكا الهوائية – الجناح 2

تحدثنا في الدرس السابق (الديناميكا الهوائية – الجناح 1) عن اهمية دراسة الجناح ودرسنا تفاصيل مساحة الجناح وتحمل الجناح وكيف يؤثر على سرعة الطائرة وكيف يتم تصميمه الآن سننتقل للجزء الثاني الخاص بالجناح وهو نسبة العرض او الامتداد إلى المساحة والتي نسميها Aspect Ratio ونرمز لها AR.

نسبة العرض إلى المساحة Aspect Ratio

الآن وبعد أن قمنا بتغطية مساحة الجناح ، دعنا ننتقل إلى الخاصية المهمة الثانية نسبة العرض الى المساحة انها مقياس النسبة بين امتداد الجناح span of the wing إلى وتره chord كما ذكرنا سابقا. أن نسبة العرض إلى المساحة يتم حسابها بشكل شائع عن طريق قياس مربع(تربيع) امتداد الجناح على مساحة الجناح شاملا جسم الطائرة (الجزء بين الجناحين). يمكنك الرجوع إلى الدرس السابق حيث تظهر صياغة المعادلة لحساب النسبة.

دعنا ننظر إلى الجناحين de Havilland Dash  و Cessna 172. كلا الجناحين تقليديان إلى حد ما مع بعض الاختلافات وقليلا من الاكتساح sweep . يوفر هذا مثالًا واضحًا على تأثير نسبة العرض إلى المساحة على مظهر الجناح بشكل عام. تبلغ نسبة العرض إلى المساحة للجناح Cessna 172 قيمة 7.32 اما Dash لها نسبة اعلى وهي 12.78

لماذا يتم تصميم هاتين الطائرتين مع هذا التباين الكبير في نسبة العرض إلى الارتفاع؟ الفكرة الأولى هي إلقاء نظرة على سرعات التصميم الخاصة بكل منها. تتمتع Cessna بسرعة تصل إلى 122 عقدة (KTAS) ، في حين أن Dash 8 أسرع بكثير فهي سرعتها 360 عقدة. لشرح سبب ضرورة زيادة النسبة بسرعة أعلى نحتاج إلى تقديم معادلة قوى السحب الأساسية للجناح. نحن ندخل في مزيد من التفاصيل فيما يتعلق بسحب الجناح ولكن الآن سنقدم فقط صيغة السحب ونقدم مقدمة سريعة لمكوناته المختلفة ويمكننا القوم انه يمكن تقسيم السحب على الجناح على نطاق واسع إلى عنصرين zero-lift drag و lift induced drag.

  • السحب الصفري zero-lift drag – (يُطلق عليه أيضًا parasitic drag) هو السحب الموجود نتيجة لتحريك الجسم عبر وسط معين. في حالة وجود طائرة سوف يكون هذا الوسط هو الهواء. يشبه ذلك المقاومة التي تشعر بها على جسمك عند السباحة ، على الرغم من أن كثافة الماء تبلغ 1000 ضعف كثافة الهواء. الكثافة الأكبر بكثير تجعل تصور هذه الظاهرة في الماء أسهل من الهواء. يتكون السحب الصفري من عدد من المكونات المختلفة مثل form drag , سحب الاحتكاك (friction drag) و السحب المتداخل (interference drag) ولكن هذا خارج عن نطاق المناقشة هنا لذلك لا تقلق من كثرة التفاصيل سوف ندرس جميع التفاصيل لكن الآن نتحدث بشكل عام وسوف سندرسهم لاحقا , النقطة التي يجب ان تعرفها الآن هي انا الاسم المعطى لهذه المكونات التي ذكرناها هو السحب الصفري zero-lift drag حيث يتم تطوير قوة السحب هذه كنتيجة لشكل الطائرة اذا شكل الطائرة يؤثر مباشرة على قوة السحب.

 

  • المكون الرئيسي الثاني للسحب هو lift-induced drag هذه هي قوة السحب الناتجة كنتيجة لتوليد قوة الرفع. على نطاق واسع ، يصنع الجناح قوة رفع نتيجة لاختلاف الضغط الموجود بين السطح العلوي والسفلي للجناح كما درسنا في اول درس في دروس الديناميكة الهوائية . يؤدي الانحناء على السطح العلوي للجناح إلى انخفاض في الضغط بالنسبة للسطح السفلي الذي ينشئ تدرج ضغط بين الاثنين. ينتقل الهواء دائمًا من الضغط العالي نسبيًا إلى منطقة الضغط المنخفض (وهذا هو السبب في أننا نواجه الرياح حيث توجد اختلافات الضغط المحلي على منطقة جغرافية) ينتج عن اختلاف الضغط هذا بين سطحي الجناحين قوة تصاعدية نشير إليها بالرفع. عند طرف الجناح ، لا يزال هناك فرق ضغط بين السطحين ، ولكن لا يوجد الآن ما يعوق حركة الهواء من السطح السفلي إلى الأعلى. هذا يتسبب في تدحرج الهواء على السطح السفلي وفوق السطح العلوي وتشكيل دوامة قمة الجناح على طرف كل جناح ينتشر من خلال الغلاف الجوي مما ينتج عنه lift-induced resistance (drag force) لحركة الطائرة عبر الغلاف الجوي.

إجمالي قوة السحب التي يسببها الرفع (lift-induced drag) هي دالة (اقتران) من مربع معامل الرفع lift coefficient للجناح.  يمكن اعتبار معامل الرفع مؤشراً على مدى صعوبة عمل الجناح لإنتاج الرفع المطلوب للطائرة. يتم زيادة معامل الرفع عن طريق زيادة زاوية هجوم الجناح angle of attack أو تغيير انحناء الجناح من خلال نشر اللوحات flaps (تستخدم للتحليق في السرعات المنخفضة) التي تراها أثناء الهبوط. وستلاحظ أيضًا أن قيمة السحب الناتجة عن الرفع lift-induced drag تتناسب عكسًا مع نسبة العرض إلى المساحة. لذلك كلما زادت نسبة العرض إلى الارتفاع ، تنخفض قوة السحب الناتجة عن الرفع , الآن انظر الى هذه المعادلات التي نجد منها المعلومات الرائعة اعلاه:

CD = CD0 + CDI 

CD : Drag Coefficient (total drag) 

CD0 : Zero Lift Drag Coefficient (Parasitic drag)

CDI : Lift Induces Drag Coefficientc

استنادًا إلى المعادلات أعلاه ، قد تفترض بعد ذلك أن الإجابة على تقليل السحب إلى الحد الأدنى تكمن ببساطة في إنشاء جناح مع أكبر aspect ratio ممكنة.
لكن للأسف ليس هو الحال كما هو الحال مع كل الأشياء في الحياة هناك مفاضلات يجب مراعاتها. الأول هو أنه كلما ارتفعت نسبة العرض إلى المساحة، زاد امتداد الجناح لمساحة الجناح الثابتة. يتحمل الجناح مسؤولية توليد قوة الرفع التي تبقي الطائرة في الهواء ، وتؤدي نسبة الارتفاع إلى المساحة إلى زيادة الوزن في الجناح حيث يجب تعزيز الهيكل للاحمال الاضافية الذي يحدثه المدى الطويل.

يتضح ذلك بشكل أفضل من خلال مخطط حلقة مغلقة يُظهر اللغز الذي يواجهه مهندس الطيران عند تصميم جناح جديد. لكن هذا ليس كل شيء. هناك جانب آخر يجب فحصه أيضًا: ينتج عن الجناح ذي نسبة العرض إلى المساحة زيادة في السحب ذي الرفع الصفري zero-lift drag .

رسم تخطيطي يوضح المفاضلات المرتبطة بزيادة مساحة الجناح ونسبة العرض إلى الارتفاع:

من الواضح أن هناك مفاضلة ستؤدي إلى نسبة العرض إلى المساحة المثالية بحيث يكون السحب الإجمالي zero-lift + lift-induced بحد أدنى لسرعة تصميم الطائرة. عموما هذا يقودنا بشكل جيد إلى مفهوم منحنى السحب drag curve الذي يمثل مع السحب الكلي الذي تنتجه الطائرة كاقتران للسرعة. هنا يصبح من المفيد حقًا فصل السحب إلى مكونين: مكون السحب الصفر zero والسحب المستحث induced. وفي الوقت الحالي ، سنركز فقط على العلاقة بين السرعة ومكونات السحب كما ترون ، يزداد parasite drag أضعافا مضاعفة مع السرعة بالنظر إلى induced drag ستلاحظ انخفاضه أضعافا مضاعفة مع السرعة.

 

مع اقتراب الطائرة من سرعات transonic cruise (التي تتجاوز سرعاتها ماخ 0.75) ، يؤدي الانحناء على سطح الجناح العلوي إلى إنتاج مناطق من التدفق تعرف باسم sonic flow. ان ميلان الجناح للخلف Sweeping a wing backwards (مع الحفاظ على ثبات مساحة الجناح) سيؤدي إلى تناقص امتداد الجناح مما يقلل من نسبة العرض إلى المساحة. كلما زادت سرعة الطيران ، زادت مساحة ميلان الجناح المطلوبة وتقل نسبة العرض إلى المساحة الناتجة.

كلما كنا أسرع في الطيران ، يلزمنا تخفيض نسبة العرض الى المساحة الناتجة . تطير Dash 8 ببطءٍ , وهذا هو السبب في أنها تحتوي على عدد قليل جدًا من sweep وجناح ذي نسبة عرض إلى مساحة عالية. بينما لا تستخدم Cessna 172 جناح نسبة العرض إلى الارتفاع العالي لأن مساحة الجناح الإضافية تلغي تقليل السحب الناتج عن الرفع الذي توفره نسبة العرض إلى المساحة. نظرًا لأنك بلا شك قادر على التقدير ، فإن تصميم الجناح يمثل مهمة معقدة حيث يجب إجراء مقارنات لإحدث طائرة تحقق أفضل أداء للمهمة التي صممت للقيام بها. وسننظر عن كثب في تأثيرات مسح الجناح wing sweep وقابلية الانضغاط compressibility .

ربما تواجه صعوبة في تجميع التسميات التي ذكرناه سنجمع المكونات اعلاه على الجناح لتدرك اماكن ومعاير التصميم المهمة . انظر الصورة أدناه التي توضح عددًا من التعريفات الأساسية المرتبطة عادةً بتسمية الجناح:

يسمى الجزء الأمامي من الجنيح الحافة الأمامية leading edge والخلفية الحافة الخلفية trailing edge. تجتمع الأسطح العلوية والسفلية لجريان الهواء عند الحواف الأمامية والسفلية.
يُعرف طول الجناح من leading إلى الحافة الخلفية trailing edge باسم وتر الجنيح airfoil chord. هذا غالبًا ما يختلف أسفل الجناح حيث يتناقص الجناح من الجذر root إلى الحافة tip. و سماكة الجناح هي خاصية تصميم مهمة للغاية ويتم التعبير عنها دائمًا كنسبة مئوية من إجمالي الوتر. يحتوي الجنيح المرسوم أعلاه على نسبة سمك إلى وتر thickness-to-chord ratio بنسبة 12٪. هذا يعني أن القسم الأكثر سمكًا لديه ارتفاع يساوي 12٪ من إجمالي طول الوتر . والخاصية المهمة camber هو مقياس التماثل بين السطح العلوي والسفلي upper and lower surface يتم تقديم Camber بشكل عام إلى الجناح لزيادة معامل الرفع الأقصى. خط الحدبة camber هو خط مرسوم بشكل متساوٍ بين السطح العلوي والسفلي في جميع النقاط على طول الوتر.


اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق