گلایدرها؛هواپیماهای بی موتور(2)

عملکرد گلایدرها

همانطور که می دانیم چهار نیرو به یک هواپیمای معمولی وارد می شود:

1- نیروی برآ: که به وسیله ی بالها تامین می شود. بال ها با خنثی کردن اثر وزن، با عث بالا رفتن هواپیما و نگهداشتن آن در هوا می شوند

2- نیروی جلوبرنده: که به وسیله ی موتورها به وجود می آید. و با غلبه بر لختی هواپیما و سپس نیروی پسآ(درگ) حرکت رو به جلوی هواپیما را موجب می شود.

3- نیروی پسآ

4- نیروی وزن

اگر نیروی پسآ بیشتر از نیروی پیشرانش باشد، هواپیما شروع به کم کردن سرعت می نماید و اگر نیروی پیشرانش بیشتر از نیروی پسآ باشد، هواپیما شتاب گرفته و سرعت آن رو به افزایش می رود.

همچنین اگر نیروی برآ بیشتر از وزن باشد، هواپیما به سمت بالا حرکت می کند و در غیر این صورت شروع به کم کردن ارتفاع می نماید.

همانطور که در ابتدا نیز اشاره کردیم، گلایدر فاقد موتور می باشد و عملاً فاقد نیروی پیشرانش می باشد، پس چه عاملی باعث حرکت گلایدر به سمت جلو می شود؟

حقیقت این است که مولّفه ای از وزن گلایدر باعث حرکت آنها به سمت جلو می شود .

اگر خود را خلبان گلایدر فرض کنیم و از دید او حرکت را مدّ نظر قرار دهیم، نیروی پسآ را به سمت عقب ، برآ را به سمت بالا و وزن را به سمت پایین و متمایل به جلو خواهیم یافت.

بنابراین وزن دارای مولّفه ی رو به جلویی خواهد بود که همان باعث غلبه بر نیروی مقاومت هوا و حرکت گلایدر به سمت جلو می شود و مولفه ی دیگر وزن (مولّفه ی عمودی آن) توسط برآ خنثی می شود.

با توجّه به نیروی مقاومت هوا در گلایدر، مولّفه ی افقی نیروی وزن باید بیشتر از نیروی پسآ باشد تا علاوه بر غلبه کردن بر آن باعث حرکت گلایدر به سمت جلو شود.

باید توجّه داشت که اگر نیروی برآی کمی داشته باشیم، مولّفه ی عمودی وزن باعث سریعتر رسیدن گلایدر به زمین و در نتیجه کاهش مداومت پروازی می شود.

برای آنکه بتوانیم مداومت پروازی بالایی داشته باشیم، باید نیروی برآ را افزایش و نیروی پسآ را کاهش دهیم. در این صورت برآیند بردار پسآ و برآی ما به سمت بالا، باعث خنثی کردن اثر وزن و در نتیجه باقی ماندن گلایدر در هوا می شود. همچنین باید توجه داشت که زاویه ی پرواز گلایدر نسبت به زمین از حد نرمال خارج نشود زیرا برد پروازی را کاهش می دهد.

نیروی برآ باید به اندازه ای باشد که مولّفه ی عمودی وزن را خنثی کرده و در عین حال، مولّفه ی افقی وزن باید به قدری باشد که بر نیروی پسآ غلبه کند.

برآی بیشتر و پسآی کمتر باعث زاویه ی کمتر گلایدر نسبت به زمین می شودو در نتیجه برد پروازی آن را افزایش می دهد.

هرچه نسبت برآ به پسآ کمتر باشد گلایدر با سرعت بیشتری ارتفاع کم می کند و بالعکس هرچه نسبت برآ به پسآ بیشتر باشد، گلایدر افقی تر پرواز کرده و با سرعت کمتری ارتفاع کم خواهد کرد.

از این بحث استفاده کرده و نسبت گلاید را تعریف می کنیم: نسبت گلاید بیان می کند که در ازای هر فوت (یا متر) کاهش ارتفاع، گلایدر چند فوت (یا متر) به جلو پرواز می کند. یا به بیانی دیگر، نرخ کاهش ارتفاع را بیان می کند. همچنین نسبت گلاید با نسبت برآ به پسآ برابر می باشد. و همانطور که می دانیم زاویه ی گلاید برابر با آرکتانژانت برآ به پسآ می باشد.

یک گلایدر با طرّاحی مطلوب می بایست دارای نسبت گلاید بالای 30 باشد (یعنی نیروی برآ در آن 30 برابر نیروی پسآ باشد) و حتّی در انواع بهتر گلایدر، نسبت گلاید چیزی برابر با 60 می باشد.

مطالب مهمی که در بحث بالا دستگیرمان شد، در طرّاحی گلایدر (با توجّه به اینکه بالا بودن مداومت پروازی مدّ نظرمان است) باید حدّ اکثر برآ و حدّ اقل پسآ را داشته باشیم که در این صورت نسبت گلاید بالایی خواهیم داشت و در نتیجه گلایدر به صورت تقریباً افقی پرواز خواهد کرد که در نهایت برد پروازی بالایی را شامل می شود. باید توجه داشت که مداومت پروازی بالا، برد پروازی زیادی را نیز به همراه دارد. اما چگونه همچین گلایدری را طرّاحی کنیم؟

1- برای داشتن حدّ اکثر برآ: می توانیم از بالهای بزرگ و با مساحت زیاد استفاده کنیم. البتّه دوباله ساختن نیز در افزایش برآ تاثیر بسزایی دارد امّا چون سطح بادخور را زیاد می کند، پسا ی فشاری نیز افزایش می یابد. بنا بر این این روش چندان توصیه نمی شود. همچنین می توان با استفاده از فلپ و یا انحنا دادن سطح رویی بال، نیروی برآی بیشتری فراهم آورد.

2- برای داشتن حدّاقل پسآ: برآوردن این شرط کمی پیچیده تر است. زیرا عوامل متعدّدی بر پسآ تاثیر می گذارند. یکی از آنها پسای فشاری است که به سبب اصطکاک سازه ی گلایدر و جدایش جریان به وجود می آید. برای کاهش این نوع از پسآ دو راهکار وجود دارد:

1- مساحت تمام سطوح (به جز بالها) را کاهش دهیم

2- سطح بادخور را کاهش دهیم

یعنی گلایدر از نمای روبه رو مساحت کمتری داشته باشد.

و امّا بیشترین منشاء نیروی پسآ ، گردآبه های نوک بال می باشد. برای آنکه اثر این گردآبه ها را کاهش دهیم لازم است هواپیما را با نسبت منظری بالا بسازیم. بال با نسبت منظری بالا به طور مفهومی یعنی بال نازک و بلند.

چنین نیروی پسایی که در اثر این گردآبه ها به وجود می آید، نوع خاصی از پسآ می باشد که به آن پسای القایی می گویند. این گردآبه ها با منحرف کردن نیروی برآ به سمت عقب، علاوه بر کاهش برآ، بخشی از آن را به پسآ تبدیل می کنندو به همین جهت به آن درگ القایی می گویند. چون درگ القا شده از برآ می باشد.

هواپیماهای جنگنده چون دارای ماموریت متفاوتی می باشند و برای مانور پروازهای مافوق صوت طرّاحی شده اند، نمی توانند دارای نسبت منظری بالا باشند. بنا بر این وقتی با سرعتهای زیر صوت پرواز می کنند، به دلیل گردآبه های نوک بال ، دارای بیشترین پسآی القایی می باشند.

جالب لست بدانیم نسبت برآ به پسآ در F-15 و F-22 در حدود 1 الی 2 می باشدکه با نسبت برآ به پسآ در یک گلایدر خوب، که در حدود 20 الی 30 می باشد، بسیار فاصله دارد. بالهای با نسبت منظری پایین، باعث به وجود آوردن بیشترین پسآی القایی می شوند. از راهکارهایی که برای کم کردن پسآی القایی (علاوه بر افزایش نسبت منظری)، قرار دادن winglet در نوک بال و همچنین مخروطی ساختن بال می باشد.

مساله ی دیگری که دانستن آن بسیار حایز اهمیت می باشد، بحث تراز کردن نیروها در گلایدر در حال حرکت می باشد. نیروی برآ به همراه وزن باعث ایجاد گشتاور در گلایدر می شود.

بنا بر این اگر مرکز ثقل خیلی عقب بال (مرکز آیرودینامیکی) باشد، پس از پرتاب گلایدر کمی به جلو رفته و بعد stall می کند. و بر عکس، اگر مرکز ثقل خیلی جلوی بال باشد، کمی بعد از پرتاب، سر گلایدر به شدت پایین می آید و آن را مستقیم به سمت زمین هدایت می کند.و همچنین پر واضح است که اگر مرکز ثقل در یک سمت بدنه بیشتر اثر کند، باعث چرخش آن به همان سمت می شود. بنا بر این لازم است که مرکز ثقل در وسط بدنه و خیلی نزدیک به بالها قرار گیرد.

مساله ی مهم دیگر که بهینه کردن آن بسیار اهمیت دارد، مبحث پایداری می باشد. قطعاً ما از گلایدرمان انتظار داریم که به خط مستقیم پرواز کند. برای برآورده شدن این نیاز لازم است که برای گلایدر دم نیز طراحی کنیم.

جلو بودن بیشتر مرکز ثقل نیاز به نیروی اعمالی بیشتر از سوی دم برای خنثی کردن دارد و باید توجه داشت که چون در گلایدر با سرعتهای پایین سرو کار داریم، زیاد کردن این نیرو تنها از طریق افزایش سطح میسر خواهد بود که خود باعث افزایش نیروی پسآ می شود. پس این موضوع که مرکز ثقل تنها کمی جلوتر از بال قرار گیرد لز لهمیت زیادی برخوردار می باشد

یکی دیگر از روشهایی که باعث می شود گلایدر به راست یا چپ غلت نزند، استفاده از بال هفتی شکل(Dihedral) می باشد.

منبع:انجمن هوانوردی