بررسي ایرودینامیک هواپیما

[ریپورتر]

بررسي ایرودینامیک هواپیما
در اين پست علاوه بر آشنايي با اساس آيروديناميك هواپيما با برخي اصطلاحات هم آشنا مي شويم.اميد كه براي دوستان مفيد باشد.hamed_713

ابتدا اجزاي اصلي تشكيل دهنده يك هواپيما را بررسي ميكنيم :
1)Fuselage :
به بدنه اصلي هواپيما ميگوييم كه تمام قسمتهاي ديگر به آن متصل ميشوند و فضايي است كه مسافرين و بار در آن قرار ميگيرد .

2)Wing :
اين قسمت موظف به توليد نيروي بالا برنده يا همان Lift است كه بعدا در مورد آن بحث ميكنيم .

3)Empennage :
به مجموعه دم هواپيما ميگوييم كه باعث پايداري حركت مستقيم الخط هواپيما ميگردد .

4)Landing Gear :
شامل چرخها و كمك فنرها ( Shuck Strut ) و ترمزها است .

5)Power Plant :
در موتورهاي ملخبي به مجموعه ملخ و موتور ميگويند ولي در موتورهاي جت به خود موتور ميگويند .
در تمام مراحل پروازي 4 نيرو بر هواپيما تاثير ميگذارند كه Lift و Weight و Thrust و Drag نام دارند كه اكنون به تفكيك هركدام را بررسي ميكنيم .

Lift :
با توجه به قانون برنولي ( Bernoulli's Principle ) كه رابطه فشار و سرعت يك سيال را در دو سطح مقطع مختلف و در يك واحد زمان مشخص تعريف ميكند ميتوا گفت كه بر اساس اين قانون رابطه فشار و سرعت سيال عكس يكديگر ميباشد از اين قانون و حركت Air Stream هوا روي Airfoil در جهت توليد نيروي Lift استفاده ميشود . به طوري كه وقتي هوا به Airfoil ميرسد به دو مؤلفه تقسيم ميشود يك دسته از روي بال و دسته ديگر از زير بال حركت ميكنند با توجه به قانون پيوستگي مولكولي چون مولكولي كه از روي بال حركت كرده است با مولكولي كه از زير بال حركت كرده است بايد در يك زمان مشخص در نقطه اي به نام Trailing Edge به يكديگر برسند هوايي كه از روي بال عبور ميكند بايد سرعتش بيشتر باشد اين سرعت بيشتر باعث ميشود كه فشار روي بال كم شود و يك منطقه كم فشار يا Low Pressure روي بال بوجود آيد و چون هوايي كه از زير بال عبور كرده سرعتش كمتر است پس فشار زير بال زيد ميشود و يك High Pressure Area زير بال ايجاد ميشود چون با بوجود آمدن منطقه كم فشار روي بال فشاري از روي بال برداشته شده است و عملا با كمترين فشاري كه از زير بال وارد كنيم
Airfoil به سمت بالا حركت ميكند كه اصطلاحا اين نيرويي را كه در اثر اختلاف فشار دو منطقه رو و زير بال بوجود آمده است را Lift ميناميم . كه اين نيرو هميشه بر Relative Wind عمود است . نكته مهم اين است كه بيشاز 75% از Total Lift يك Airfoil توسط Suction روي بال انجام ميشود و 15% باقيمانده توسط قانون سوم نيوتون بر اثر برخورد هوا به زير بال بوجود مي آيد .

Relative Wind :
يا همان باد نسبي است كه عبارت است از حركت الياف هوا حول يك جسم كه در اثر حركت خود جسم در سيال بوجود مي آيد كه جهت آن هميشه موازي و مخالف جهت حركت جسم ميباشد و سرعت آن حدود سرعت جسم دلخل سيال است .

Airfoil :
هر جسمي كه در برخورد با الياف هوا بتواند نيروي آيروديناميكي توليد كند را Airfoilميگويند .

Airfoil Component :
1)Leading Edge :
اولين نقطه اي از بال است كه با الياف هوا برخورد ميكند .

2)Trailing Edge :
مولكولهاي هوا در اين قسمت به هم ميرسند و باعث كامل شدن اصل پيوستگي ميشوند .

3)Upper Camber & Lower Camber :
به انحناي رو و زير بال ميگويند كه عامل اصلي ايجاد اختلاف فشار است كه براي توليد Lift هميشه بايد انحناي روي بال از زير بال بيشتر باشد .

4)Chord Line :
خطي فرضي است كه Leading Edge را به Trailing Edge وصل ميكند و در دو جا به كمك ما مي آيد اول اينكه Angel Of Attack هواپيما را مشخص ميكند و دوم آنكه براي محاسبه Wing Surface يا همان سطح بال مورد نياز است .

فرمول محاسبه Lift :

L = 1/2 CL άS V²
CL : ضريب Lift است كه خود به دو مؤلفه A.O.A و Wing Design تقسيم ميشود .
ά : همان غلظت هوا است .
S : سطخ بال يا همان Wing Area است .
V² : همان توان دوم سرعت هواپيما است .


Airfoil Design Factor :
عواملي را كه در طراحي يك Airfoil موثرند به شرح زير است :

1)Plan Form :
به شكل بال و بدنه ميگوييم هنگامي كه از بالا به آن نگاه ميكنيم . بالهاي هواپيما كلا از نظر Wing Shape و Performance به پنج دسته تقسيم ميشوند كه استفاده از هر Airfoil به نسبت طراحي آن ميباشد كه براي آن هواپيما در نظر گرفته ميشود كه اين پنج نوع بال عبارتند از :
1 – Straight Wing ( Rectangular ) : معمولا در هواپيماهاي Low Speed از اين نوع بال استفاده ميكنيم برتري اين بال در اين است كه از نظر طراحي ساده است و از نظر Stall Stand Point بهترين بالي است كه Stall هواپيما را به خلبان نشان ميدهد و ضعف اين بال آن است كه وزن زيادي دارد.
2 – Tapered Wing :
3 – Elliptical Wing :
اين دو دسته بال در هواپيماهاي High Speed تر مورد استفاده قرار ميگيرند كه از نظر طراحي نسبت به بال Straight طراحي مشكلتري دارند و از نظر Stall Stand Point به خوبي بالهاي Straight عمل نميكنند ولي وزنشان نسبت به بالهاي Straight كمتر است .
4 – Sweptback Wing :
5 – Delta Wing :
اين دو دسته بال در هواپيماهاي High Performance استفاده ميشوند . هواپيماهايي كه از اين دسته بالها استفاده ميكنند داراي Landing Speed هاي بالايي هستند به همين جهت از نظر طول باند مورد نياز براي نشستن داراي محدوديت هستند . يكي از بزرگترين برتريهاي آنها Critical Mach Number بالاي آنها است يعني اينكه هواپيماهايي كه از اين نوع بالها استفاده ميكنند قادر هستند سرعت خود را تا درصدي نزديك به سرعت صوت افزايش دهند .

2)Camber :
به انحناي دو طرف بال ميگويند كه عامل اصلي توليد اختلاف فشار است كه معمولا انحناي روي بال بيشتر از انحناي زير بال است هرچه اين انحنا بيشتر باشد ميزان توليد Lift بيشتر ميشود ولي اين انحنا داراي محدوديت است .

3)Aspect Ratio :
اصطلاحا نسبت طول بال به عرض بال را كه همان نسبت Wing Span بال به Average Chord line بال يا همان Mean Aerodynamic Chord ( MAC )ميباشد را Aspect Ratio ميگويند . به تعبير ديگر بدين معنا است كه Airfoil در يك A.O.A ثابت به ازاي Lift توليد شده چه مقدار Drag توليد ميكند.
Wing Span

Aspect Ratio = -------------------------------
Average Chord Line
در كل Airfoil ها را از نظر Aspect Ratio به دودسته تقسيم ميكنيم :
1 – Low Aspect Ratio : بالهايي هستند كه طول و عرض زيادي دارند .
2 – High Aspect Ratio : بالهايي هستند كه داراي طول زياد و عرض كم هستند كه اين نوع بالها از نظر كارايي و توليد Lift از Low Aspect Ratio كارآمد تر ميباشند چون زماني كه Wing Vortex توسط بالها بوجود مي آيند با حركت هوا از پرفشار به كم فشار درصدي از Total Lift هواپيما كاهش مي يابد هرچه عرض بال در Wing Tip كمتر باشد درصدي از Lift ي كه از دست ميدهيم عدد كوچكتري خواهد شد . يعني در ازاي توليد يك واحد Lift هواپيما Drag كمتري توليد ميكند . Efficiency اين بالها در هنگام Engine Fail بالاتر است كه اين Efficiency را بر اساس Lift به مقدار Drag Ratio در POH هواپيما تعريف ميكنند

4)Wing Area :
به مساحت كل بال Wing Area ميگوييم كه همان S در فرمول Lift است . هرچه مساحت بال بيشتر شود Lift توليد شده بيشتر خواهد شد .

بر اساس فرمول Lift ميتوان گفت كه پنج عامل در بوجود آمدن Lift هواپيما موثرند كه عبارتند از :

1)Aircraft Speed
2)Wing Area
3)Air Density
4)Wing Design
5)Angel Of Attack
عوامل 4 و 5 دو آيتمي هستند كه تعيين كننده Coefficient Of Lift يا همان CL هستند . ولي خلبان عملا در پرواز با سه آيتم ميتواند Lift هواپيما را كنترل كتد :
1 – سرعت هواپيما
2 – تغيير A.O.A
3 – تغيير Wing Area و Wing Surface
چون Flap هايي كه روي هواپيما نصب شده است همه نميتوانند سطح بال را تغيير دهند به همين جهت تغيير سطح بال در بعضي از موارد مورد استفاده قرار ميگيرد . از اين رو مهمترين عوامل تغيير Lift تغيير سرعت و تغيير A.O.A مي باشد كه در اصل اين دو آيتم عكس يكديگر عمل ميكنند . با افزايش A.O.A چون حركت الياف هوا روي Airfoil كمتر ميشود در اصل سرعت هواپيما كم ميشود ولي هواي پرفشار زير بال در اثر Impact Air يا همان هواي برخوردي فشارش بيشتر ميشود و چون اختلاف فشار بين دو منطقه اطراف بال زياد ميشود عامل افزايش Lift ميشود . افزايش A.O.A باعث افزايش Lift هواپيما ميشود . در اصل با افزايش A.O.A مقدار CL افزايش پيدا ميكند كه اين افزايش باعث توليد Lift بيشتر ميگردد . افزايش A.O.A مقدار CL يا همان Center Of Lift يا همان مركز برآيند نيروي Lift توليد شده توسط Airfoil را به طرف جلو يعني به طرف Leading Edge حركت ميدهد يعني به طرف جايي كه بيشترين اختلاف فشار وجود دارد . افزايش A.O.Aتا يك حد ماكزيممي كه توسط سازنده هواپيما تعريف شدهاست ميتواند عامل افزايش Lift باشد ولي اگر اين زاويه از حد تعريف شده خود عبور كند افزايش A.O.A عامل كاهش Lift هواپيما خواهد شد كه در اين حالت هواي High Pressure زير بال از قسمت Trailing Edge به روي بال حركت ميكند و حالت Air Stream هوا را به هم ميزند كه اصطلاحا به اين حالت Stall ميگوييم . ماكزيمم A.O.A ي كه هواپيما هنوز Lift توليد ميكند را Critical A.O.A مينامند كه Critical A.O.A هر Airfoil عددي است ثابت كه با هيچ فاكتوري تغيير نميكند و هواپيما در هر شرايط و هر Attitude پروازي كه باشد اگر به اين زاويه برسد Stall Warning خواهد داشت . چون Lift Indicator هواپيما Air Speed هواپيما است اصطلاحا سرعتي را كه در آن سرعت به زاويه بحراني يا Critical A.O.A ميرسيم را Stall Speed ميگوييم .زماني كه هواپيما بهCritical A.O.A رسيد CL هواپيما به حداكثر خود رسيده است .

Air Stream :
عبارت است از جريان الياف هوا كه شكل Airfoil را Follow كند .
زماني كه هواي پر فشار زير بال به روي بال حركت ميكند عامل خراب شدن Lift هواپيما ميشود . هر چه كه A.O.A بيشتر مي شود و به Critical A.O.A نزديكتر ميشويم باعث ميشود كه جريانات Turbulence كل بال را در بر گيرد و بال نتواند Lift توليد كند در زماني كه اين جريانات كل بال هواپيما را در بر بگيرند اصطلاحا ميگوييم هواپيما Full Stall كرده است .
***نكته مهم :
زمان برابري چهار نيرو وقتي است كه هواپيما در حالت Level Flight و Un Accelerated باشد كه منظور از Level Flight همان Wings Level بودن هواپيما است و Un Accelerated وقتي است كه تغيير Power Setting نداشته باشيم .
منبع:http://forum.rayanet.com/showthread.php?p=93848