الديناميكا الهوائية

الديناميكا الهوائية – الجناح 1

في هذا الدرس نقدم اساسيات تصميم الجناح ونبين لماذا هو مكان رائع للبدء عند تصميم طائرة افقية جديدة . ان جناح الطائرة هو العامل الرئيسي الذي يتمثل في قدرته على توليد قوة رفع أكبر من وزنه ، وبالتالي التحليق في الجو , إذا كنت قد قضيت أي وقت في النظر إلى صور الطائرات أو تمشيت حول مطار (موصى به للغاية) فقد تلاحظ وجود تباين كبير في حجم وشكل الأجنحة المرتبطة بكل طائرة. يتم ضبط حجم كل جناح بعناية لتحقيق أفضل أداء مخصص لهذه الطائرة المحددة . سوف نتعمق أكثر في اثنين من الخصائص الهندسية الهامة التي تحدد كيفية عمل الجناح ، وهي مساحة الجناح ونسبة العرض Wing span إلى المساحة Wing area وإدخال مكون ثالث سوف ندرسه لاحقا يسمى Sweep Angle.

ننصحك بالاطلاع على انواع الطائرات في القائمة التالية: 

  • Cessna 172.
  • Supermarine spitfire.
  • De havilland dash 8.
  • Boeing 747-400.
  • Dassault mirage 2000.

بعد القائك نظرة على مجموعة الطائرات الموضحة أعلاه سوف تلاحظ ان كل واحدة منهم مختلفة الحجم والشكل ، في الحقيقة انها مصممة لتحقيق مهمات مختلفة للغاية. يحتوي كل جناح على جناح فريد يتشكل بشكل مختلف عن الآخرين.
دعنا نبدأ مع طائرة التدريب Cessna 172 في الصورة أعلى اليسار , الجناح مستقيم ، مستطيل تقريبًا ويجلس الطيار فوق جسم الطائرة , هذه الطائرة مناسبة للمبتدئين لانها سهلة الهبوط نسبيًا نتيجة لسرعة السقوط المنخفضة stall speed. والنوع الثاني هي طائرة Supermarine Spitfire تشتهر هذه المقاتلة في الحرب العالمية الثانية بالدور الذي لعبته في هزيمة النظام النازي في نهاية المطاف. انها طائرة بهلوانية للغاية حققت مكانة وشعبية رائعة بسبب الجناح ذات البيضاوي الشكل المميز. اما الطائرة الثالثة هي De Havilland Dash 8 هي طائرة ركاب إقليمية تسع 80 مقعدًا مع محركين تربينين كبيرين ,إنها مصممة بجناح رفيع طويل يساعده في الوصول إلى سرعة طيران تصل إلى 350 عقدة. وبالتأكيد لا تحتاج طائرة بوينج 747-400 إلى شرح ؛ لقد كانت تنقل الركاب في رحلات طويلة عبر القارات المختلفة منذ عام 1970. يتمتع الجناح B747 بميزة رائدة ثلاثية الأجنحة وهي متحركة انها حقًا مذهلة!.

طائرة الأخيرة في دراستنا هي Dassault Mirage 2000. هذه مقاتلة من الجيل الرابع ذات محرك واحد قادرة للوصول الى سرعات أكبر من ضعف سرعة الصوت (Mach 2.2). الجناح هو لثلاثي الشكل أو يسمى الشكل دلتا.
دعنا الآن نحصل على قدر أكبر من العلم في المصطلحات التي نستخدمها لوصف كل جناح. يعتبر مساحة الجناح ونسبة العرض او الامتداد إلى المساحة والتي نسميها Aspect Ratio ونرمز لها AR اعتبارات أساسية عند تصميم طائرة دون سرعة الصوت (كل الطائرات من C172 إلى Dash 8 Q400 الموضح أعلاه). تصبح عملية اكتساح الجناح Sweeping ( زاوية للجناح ) مهمًا بمجرد أن تبدأ الطائرة في الاقتراب من السرعات فوق الصوتية والأسرع من الصوت هنا نقصد (B747 و Mirage 2000). مساحة الجناح هي سمة هندسية أساسية ويتم اعتبارها ببساطة مساحة سطح المخطط للجناح انظر الشكل التالي:

لاحظ أن قسم جسم الطائرة الذي يتم من خلاله تثبيت الجناح مدرج في حساب مساحة الجناح. عموما في الدينامكة الهوائية للطائرات نقوم بوصف المعادلة اعلاه كالتالي , ان نسبة العرض إلى الارتفاع Aspect ratio هي نفسها نسبة امتداد الجناح إلى وتره chord. اذا كانت الاجنحة ذات نسبة AR قليلة سوف تكون قصيرة وسميكة , في حين أن الأجنحة ذات نسبة AR مرتفعة تكون طويلة وقليلة السمك. معظم أجنحة الطائرات ليست مستطيلة تمامًا ، لذا يلزم إجراء القليل من المعالجة لصياغة معادلة ملائمة لحساب نسبة العرض إلى المساحة بسرعة وسهولة. لذلك يتم احتساب نسبة العرض إلى المساحة ببساطة عند تربيع امتداد الجناح ، مقسومًا على مساحة الجناح كالتالي:

ومن الخصائص الهامة في الجناح هي زاوية الاكتساح– الزاوية المائلة (sweep angle) هي الزاوية التي يتم بها انزلاق الجناح للخلف (أو أحيانًا للأمام) بالنسبة إلى جذر الوتر root chord  للجناح. زاوية الاكتساح الأكثر شيوعًا التي يقتبسها مصممو الطائرات هي زاوية تسمى quarter chord sweep angle ويتم حسابها من خلال إيجاد الزاوية بين جذر الجناح وترأس طرف الجناح wing root and wing tip quarter chord اي 25٪ من الوتر المعني تقاس من الحافة الأمامية leading edge. من الأسهل وصف كيفية تحديد زاوية المسح من خلال رسم تخطيطي وهو مبين في الشكل ادناه:

الآن وقد أصبحت على دراية بمفاهيم مساحة الجناح wing area ونسبة العرض إلى الارتفاع Aspect Ratio وزاوية الاكستاح sweep angle ، سوف يتيح لك تجميع هذه المعرفة الجديدة دراسة تأثير هذه المتغيرات على الأداء الكلي للجناح والطائرة.

يوجد أدناه جدول يحتوي على بعض الخيارات الخاصة بالكتلة mass والجناح لمجموعة واسعة من الطائرات التي تبدأ من طراز Cessna 172 وتنتهي بطائرة Airbus A380-800 . يوجد في الجدول الحد الأقصى لوزن الإقلاع maximum takeoff weight ، ومساحة الجناح ، ونسبة العرض إلى الارتفاع  وسرعة الرحلات النموذجية typical cruise velocity. ستلاحظ أيضًا إضافة على الأعمدة تسمى wing loading وهو ببساطة الوزن الأقصى للطائرة مقسومًا على مساحة الجناح. سندرس حمولة الجناح بمزيد من التفاصيل لاحقا ، ولكن في الوقت الحالي يمكنك التفكير في الأمر كقياس لكثافة الرفع للجناح أو مدى امكانية صعوبة عمل مساحة الجناح المتاحة للحفاظ على الطائرة في الهواء.

Aircraft

Maximum Takeoff Weight (MTOW)

Wing Area (A)

Wing Loading (MTOW/A)

Aspect Ratio

Cruise Velocity (Kts)

MTOW

 (kg)

MTOW

(lbs)

MTOW

(US ton)

ft²

kg/m²

lbs/ft²

C172S

1157

2551

1.2754

16.2

174.4

71.4

14.63

7.32

122

C210

1814

3999

1.9996

16.23

174.7

111.8

22.89

7.73

193

Beech Baron

2313

5099

2.5496

18.5

199.1

125.0

25.61

7.19

180

Piaggio Avanti II

5239

11550

5.7750

16

172.2

327.4

67.06

12.30

395

Kingair B200

5670

12500

6.2501

28.2

303.5

201.1

41.18

9.78

289

Do328

13990

30843

15.4213

40

430.6

349.8

71.63

11.00

335

Do328Jet

15660

34524

17.2622

40

430.6

391.5

80.19

11.00

405

ERJ 145

24100

53131

26.5657

51.2

551.1

470.7

96.41

7.84

470

Dash 8 Q400

29260

64507

32.2536

63.1

679.2

463.7

94.97

12.78

360

Superjet 100

49450

109018

54.5092

84

904.2

588.7

120.57

9.20

469

B737-400

68000

149914

74.9571

105.4

1134.5

645.2

132.14

7.91

440

B767-300

186880

411999

205.9997

283.3

3049.4

659.7

135.11

8.00

470

A330-300

240000

529109

264.5544

361.6

3892.2

663.7

135.94

10.06

470

B777-300ER

299370

659997

329.9985

427.8

4604.8

699.8

143.33

9.82

490

B747-400

396890

874992

437.4958

560

6027.8

708.7

145.16

7.40

493

Airbus A380-800

575000

1267657

633.8283

845

9095.5

680.5

139.37

7.5

490


مساحة الجناح Wing Area

تعلم من خلال قراءة القوى الأساسية التي تعمل على الطائرة أن الجناح مسؤول عن إنشاء قوة الرفع المصممة لمواجهة ثقل الطائرة. لذلك من المنطقي أنه كلما كانت الطائرة أثقل ، كلما كبر حجم الجناح المطلوب لإبقائها في السماء. في الواقع ، توجد علاقة خطية واضحة بين تصميم مساحة الجناح وأقصى وزن للإقلاع على طول الطريق من Cessna 172 إلى Airbus 380-800 .

هذه نتيجة مفيدة حقًا لأي شخص يحاول تصميم جناح لطائرة جديدة لأنه يوفر نقطة انطلاق ملائمة عند تغيير ابعاد الجناح ,  إذا كان لديك وزن الإقلاع الأقصى التقريبي ، فيمكنك تقدير مساحة الجناح التقريبية المطلوبة! (من هنا يجب ان تدرك مدى اهمية دراسة الديناميكة الهوائية للجناح ليس فقط للغازات). ولكن بالطبع ، يعد تغيير ابعاد الجناح بهذه الطريقة أمر قديم جدًا ويجب استخدامه فقط كنقطة انطلاق في تصميم الجناح الخاص بك. ستحتاج إلى أن تأخذ في الاعتبارات المهمة (مجموعة من المتطلبات) التي تم تصميم الطائرة بها وبناء جناحك بهدف إنجاز هذه المهمة. بشكل أحد متطلبات التصميم الشائعة جدًا المحددة هي سرعة رحلة الطائرة cruise speed . دعونا الآن ندرس كيف يؤثر هذا على تصميم الجناح. 

من البديهي تمامًا أنه كلما كبر الجناح كلما زاد السحب drag الذي ينتج عنه حيث يوجد عائق أكبر أمام تدفق الهواء حول الطائرة. نعلم الآن أيضًا أنه كلما كانت الطائرة أثقل ، كلما كبر حجم الجناح المطلوب لدعم الوزن أثناء الطيران. لذلك إذا أردنا أن ننظر في تأثير سرعة الرحلات على مساحة الجناح ، فإننا بحاجة إلى طريقة لمراقبة كل طائرة حتى نتمكن من مقارنتها مباشرة دون القلق بشأن تأثير وزن الطائرة على ابعاد الجناح. ويتم ذلك عن طريق قسمة وزن الطائرة على مساحة الجناح لإنتاج عامل يعرف باسم تحميل او تحمل الجناح Wing Loading . هذا يعطي إشارة لكثافة الرفع للجناح lift density of the wing ؛ اي مقدار الرفع الذي يجب إنتاجه بواسطة كل وحدة مساحة في الجناح حتى تبقى الطائرة محمولة جواً.

يقل وزن الطائرة أثناء طيرانها (نتيجة حرق الوقود) كما تختلف الحمولة في كل رحلة. من المريح إذن استخدام الحد الأقصى لوزن الإقلاع عند حساب تحميل الجناح لأن هذه قيمة ثابتة لكل طائرة. يوضح المخطط أدناه تباين في تحميل الجناح wing loading مع سرعة الحركة cruise speed (المحور ص). ومن الواضح أن الطائرات ذات السرعات العالية في الرحلات الجوية تتطلب جناحًا أكثر تحميلًا  highly loaded wing. هذا أمر منطقي عندما تفكر في الأمر: من أجل أن تنطلق بكفاءة عالية بسرعة تريد أن يكون جناحك صغيرًا قدر الإمكان للحفاظ على سحب الرحلة إلى أدنى حد ممكن. في الحقيقة ، سوف نظهر في درس لاحق أن السحب هو في الواقع مربع سرعة الهواء.

دعنا نقارن تحميل الجناح  wing loading  لعدد قليل من الطائرات في قائمتنا:

يعد كل من Beech Baron و Cessna 210 كلاهما من ستة طائرات طيران عالية الأداء. يحتوي Cessna 210 على محرك مكبس واحد بينما يكون Beech Baron مزدوجا . لديهم تحميل متطابق تقريبا للجناح ولكن تكوين المحرك المزدوج Beech Baron يعني أنه أثقل قليلاً ، ونتيجة لذلك لديه جناح أكبر قليلاً من أجل حمل هذا الوزن الزائد.

يعد كل من Boeing 767-300 و Airbus A330-300 مثالاً رائعًا على مدى سرعة تحديد سرعة الطائرة بالنسبة لمساحة الجناح المطلوبة. تم تصميم كلتا الطائرتين للطيران بسرعة 470 عقدة. تم تصميم A330-300 لنقل المزيد من الركاب من B767-300 ، ونتيجة لذلك ، يبلغ الحد الأقصى لوزن الإقلاع 28٪ أكبر من بوينغ. جناح A330-300 أكبر أيضًا – بنسبة 28٪ ، علاقة مثالية!

توضح الأمثلة القليلة الواردة أعلاه مدى فائدة خاصية تحميل جناح wing loading ؛ خاصة عندما تبدأ للتو في تصميم طائرة جديدة. الآن لنكمل درساتنا عن الجناح في الدرس التالي بعنوان (الديناميكا الهوائية – الجناح 2).


اترك تعليقاً

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

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق