** آموزش شبیه ساز قسمت 6 (SPL - درس چهارم: برخاست و پرواز آرام) **
SPL- درس چهارم: برخاست و پرواز آرام- هواپیماها چگونه برخاسته و آرام پرواز می کنند؟
شاید از خود بپرسید که برخاست در یک هواپیما شاید از اهمیت بسیاری برخوردار باشد، اما پرواز با سرعت کم و آرام چه کاربردی می تواند داشته باشد؟ پاسخ این سوال را به سادگی می توان داد، فقط کمی فکر کنید. در کدام مانور پروازی کاهش سرعت داریم؟ قطعاً جواب این سوال تنها می تواند «فرود» یا لندیگ باشد که در طی آن خلبان سرعت را به شدت کاهش داده برای فرود آماده می شود. پس آموختن هدایت هواپیما در پرواز با سرعت پایین بسیار ضروری است. بدون یادگیری این درس، حتماً در پایان فرود هایتان باید ارابه های فرود هواپیمایتان را به کلی تعویض نمایید!
برای مشاهده کامل مطلب به ادامه مطلب بروید.
اجزای بال های یک هواپیما
به شکل 1 در زیر نگاه کنید. در این شکل اجزای یک بال نشان داده شده اند.
شکل 1- اجزای بال: Leading Edge یا لبه حمله، Trailing Edge یا لبه فرار، Upper Cambered Surface یا سطح انحنای بالا، Lower Cambered Surface یا سطح انحنای پایین و Chord Line یا وتر بال
1- Leading Edge یا لبه حمله: لبه حمله قسمت جلویی بال است که مستقیماً هوا را می شکافد و اولین قسمتی است که در آغاز پرواز، با هوا برخورد کرده و در فرآیند تولید برا شرکت دارد.
2- Trailing Edge یا لبه فرار: لبه فرار قسمت انتهایی بال و آخرین نقطه ای است که هوا پس از رد شدن از سطوح بالا و پایین بال از آن می گذرد. این نقطه، به نقطه ی ترک هوا نیز معروف است.
3- Upper Cambered Surface یا سطح انحنای بالا: سطح بالایی بال را که مقداری نیز به صورت منحنی و قوس دار ساخته شده است و نقش مهمی در ایجاد نیروی برا دارد، سطح انحنای بالای بال می گویند که همیشه مسافت طی شده توسط هوا از روی این سطح بیشتر یا مساوی سطح پایین است.
4- Lower Cambered Surface یا سطح انحنای پایین: سطح پایینی بال را که همانند سطح بالا گاه انحنا داده شده و یا گاه به صورت تخت و صاف است، سطح پایینی بال می گویند. این سطح نیز همانند سطح بالای بال نقش عمده ای در تولید برای کلی بال دارد.
5- Chord Line: تنها مفهومی که شاید تا به حال با آن آشنایی نداشته اید، «خط وتر بال» است. خط وتر بال خطی فرضی است که فاصله اش برابر کوتاهترین مسافت بین لبه حمله و لبه فرار است. لازم به ذکر است که خط وتر، عرض کلی بال را نیز مشخص می کند.
Airfoil -6 یا ایر فویل: به هر سطحی که حرکت آن در هوا باعث ایجاد نیروی برا شود و این سطح مخصوصاً برای تولید نیروی برا ساخته شده باشد، ایرفویل می گویند. بال های هواپیما هم یک نمونه ایرفویل است.
باد نسبی یا Relative Wind
شخصی را تصور کنید که در یک روز صاف و آفتابی بدون وجود هر گونه بادی، در حال دویدن است. با وجود اینکه بادی در حال وزیدن نیست، اما این شخص وجود باد را بر صورت و اعضای بدن خود حس می کند. در حقیقت این باد، یک باد نسبی است که در اثر حرکت شخص در هوا به وجود آمده است و در غیر اینصورت، هوا حرکتی ندارد. اگر شما در یک اتومبیل نشسته باشید، با شروع حرکت اتومبیل، شاید چنین به نظر آید که مثلاً درختان کنار خیابان در حال حرکت به عقب هستند در حالی که چنین نیست و این حرکت اتومبیل است که چنین احساسی را در شما پدید آورده است. مسئله باد نسبی نیز به همین ترتیب است. باد نسبی همیشه مخالف جهت حرکت هواپیما یا هر جسم دیگری در هواست.
زاویه حمله بال یا Angle of Attack یا زاویه آلفا (α)
می توان گفت که یکی از مهمترین عوامل ایجاد نیروی برا، دارابودن زاویه حمله است. این جاست که باید مفهوم Chord Line را خوب فراگرفته باشید. به زاویه ای که باد نسبی با خط وتر بال می سازد، زاویه حمله یا زاویه آلفا می گویند. به شکل 2 نگاه کنید.
شکل 2- بال و زاویه ی 18 درجه ای که خط وتر بال با باد نسبی می سازد
همانگونه که در شکل بالا مشاهده می کنید، باد نسبی زاویه ای را با خط وتر بال به وجود آورده است که این زاویه، از اهمیت بسیار زیادی برای اطلاع از میزان برای تولید شده برخوردار است. یک هواپیما برای آن که صعود کند، دماغه خود را بالا می دهد. اما در حقیقت صعود هواپیما ناشی از بالا رفتن دماغه نیست، بلکه با بالارفتن دماغه، زاویه حمله بال افزایش یافته که با زیاد شدن زوایه حمله، نیروی برا هم بیشتر شده و امکان صعود را برای هواپیما به وجود آورده است. همچنین، زاویه آلفا می تواند مبنایی برای تعیین کردن نرخ صعود هواپیما نیز باشد. حالا برای درک مسئله باد نسبی و همچنین تاثیر آن بر زاوبه حمله بال ها به شکل زیر نگاه کنید.
شکل 3- در تمامی این شکل ها، باد موافق که هم راستا اما مخالف جهت هواپیماست، نشان داده شده است
اگر تا به حال هنگامی که در یک اتومبیل که با سرعتی نسبتاً زیاد در حال حرکت باشد، دستتان را از شیشه بیرون آورده باشید و آن را به شکل یک بال در مقابل جریان هوا قرار داده باشید، به خوبی درک می کنید که منظور از نیروی برا و زاویه حمله بال چیست. در این حالت، اگر دستتان را مقداری مایل کنید، می بینید که با افزایش زاویه حمله دستتان، میزان نیروی بالابرنده نیز بیشتر و بیشتر می شود. برای درک بهتر موضوع به شکل 4 نگاه کنید.
شکل 4- کف دست که مقابل جریان هوا قرار داده شده و در نتیجه با افزایش زاویه حمله، نیروی برا تولید شده است
خوب، بال های یک هواپیما هم چیزی بیشتر از یک دست فرضی همانند دست شما نیستند اما دقت بیشتری ساخته شده و دارای سطح همسان و صافی هستند که به تولید مساوی نیروی برا در تمام نقاط بال و در نتیجه تعادل آن کمک بسیاری می کند. هرچه بال های هواپیما زاویه حمله بیشتری داشته باشند، برای بیشتری تولید می کنند. پس با افزایش زاویه حمله، هواپیما سریعتر نیز صعود می کند. به زاویه حمله در بال های یک هواپیمای نمونه در شکل 5 توجه کنید.
شکل 5- حرکت هواپیما به سمت چپ، باد نسبی در جهت مخالف و زاویه حمله بال که به رنگ ارغوانی مشخص شده است
همچنین در شکل زیر همین هواپیما را با زوایای حمله مختلف مشاهده می کنیم.
شکل 6- A: زاویه آلفای 5 درجه، B: زاویه آلفای 10 درجه، C: زاویه آلفای 30 درجه و D: زاویه آلفای 45 درجه
حال یک سوال ممکن است برای شما پیش بیاید: اگر با افزایش زاویه حمله، برا هم افزایش پیدا می کند، پس آیا هیچ محدودیتی برای نیروی برا نداریم و هر وقت که بخواهیم می توانیم نیروی برا را به میزان دلخواه افزایش دهیم؟ جواب آن است که نیروی برا تا حد مشخصی با افزایش زاویه آلفا افزایش می یابد. پس زاویه ی حمله ای را که در آن نیروی برا، شروع به کاهش یافتن می کند، حداکثر زاویه حمله یا زاویه حمله براصفر می گوییم که آن را Maximum Angle of Attack هم می نامند. با تمام این توضیحات، آیا ما هنوز راز اصلی تولید نیروی برا را برای شما فاش نکرده ایم؟
یک بال چگونه نیروی برا تولید می کند (اساسی ترین مبحث پرواز)
هنگامی که یک ایرفویل یا بال در حال حرکت در هواست، مولکول های هوا در لبه حمله از هم گسیخته شده و تعدادی به سمت بالای بال و تعدادی دیگر نیز به سمت پایین بال، مسیر خود را ادامه می دهند. پیش تر گفتیم که همیشه انحنای سطح بالایی بال، بیشتر از سطح پایینی آن است. به شکل 7 برای درک بهتر حرکت مولکول های هوا و انحنای بال هواپیما دقت کنید.
شکل 7- تعدادی از مولکولهای هوا از سطح بالایی بال، و تعدادی دیگر از سطح پایینی آن می گذرند، همچنین، انحنای سطح بالایی بال از سطح پایینی آن بیشتر است
فرض کنید مولکولی از زیر بال و مولکول نمونه ی دیگری از بالای بال می گذرند. بر اساس قانون زمان های انتقال مساوی، این دو مولکول باید همزمان به لبه فرار بال برسند. اما گفتیم که انحنای سطح بالایی بال بیشتر است، پس مولکولی که از بالای بال می گذرد، برای اینکه همزمان با مولکولی که از سطح پایینی بال گذر می کند به لبه فرار برسند، می بایست با سرعت بیشتری حرکت کند. بر اساس قانون برنولی، هر سیالی مانند هوا، در صورت افزایش سرعت، فشار آن کاهش کاهش پیدا می کند. در نتیجه، جریانی که از بالای بال می گذرد، دارای فشار کمتری نسبت به جریان هوایی است که از سطح پایینی بال می گذرد. حال به دلیل اینکه فشار در زیر بال بیشتر از فشار در بالای بال است، نیرویی موسوم به نیروی برا تولید شده و بال به هوا بر می خیزد.
زاویه حمله چگونه باعث افزایش برا می شود
هنگامی که زاویه بال با باد نسبی یا همان زاویه حمله افزایش یابد، مقدار بیشتری از هوا به سطح پایینی بال برخورد می کند. بر اساس قانون برنولی، در صورتی که سرعت یک گاز کاهش یابد، فشار آن افزایش می یابد. با برخورد جریان هوا به زیر بال در اثر افزایش زاویه حمله، سرعت هوا کاهش یافته و فشار آن افزایش پیدا می کند، پس اختلاف فشار بالا و پایین بال بیشتر شده و نتیجتاً برا نیز افزایش پیدا می کند. اگر توجه کرده باشید، هواپیمایی که می خواهد از زمین برخیزد، به دلیل اینکه سرعت بسیار پایین است، بال این هواپیما قادر به تولید نیروی برای کافی برای برخاست نیست. پس خلبان با بالا دادن دماغه، زاویه حمله را افزایش داده و بال ها نیز نیروی برای بیشتری تولید می کنند و هواپیما از زمین بر می خیزد. حال به شکل 8 نگاه کنید.
شکل 8- تولید نیروی برای مساوی در سرعت های مختلف با تغییر زاویه حمله
در شکل بالا، بال های هواپیما در تمامی شرایط نیروی برای یکسانی تولید می کند، با این تفاوت که در سرعت های بالاتر، برای تولید نیروی برای مورد نظر، زاویه حمله کمتری لازم است اما در سرعت های پایین تر، به دلیل کاهش سرعت، برای تولید همان میزان نیروی برا، اعمال زاویه آلفای بیشتری نیاز است. پس اگر می خواهید پس از کاهش سرعت در هواپیمایتان، ارتفاع خود را از دست ندهید، لازم است که دماغه هواپیما را چند درجه بیشتر بالا بدهید. با این کار، شما به جبران نیروی برای از دست رفته در اثر کاهش سرعت می پردازید و بدین ترتیب می توانید ارتفاع خود را حفظ نمایید. البته کاهش سرعت و جبران نیروی برای از دست رفته با افزایش زاویه آلفا، تا حدی امکانپذیر است و محدودیت هایی نیز دارد.
نیروی پسا یا Drag چیست
هنگامی که می خواهید با یک چاقو، شیئی را ببرید، متوجه می شوید که در ابتدا شی مورد نظر به دست شما نیروی وارد می کند و مانع انجام برش می شود. این مقاومت تا زمانی ادامه دارد که نیروی دست شما بر نیروی مقاومت جسم غلبه کند. به همین دلیل است که بعضی از اجسام که مقاومت کمتری دارند، با نیروی کمتر بریده می شوند و بعضی از اجسام به دلیل مقاومت بیشتر سخت تر برید می شوند و بعضی دیگر از اجسام، به دلیل عدم توانایی دست شما برای غلبه بر نیروی مقاومت، اصلاً بریده نمی شوند. ظاهراً هوا را می توان به دلیل مقاومت کم، به راحتی با چاقو برید، اما برای این کار، وسیله دیگر به نام بال اختراع شده است که به راحتی هوا را می برد و کاربرد زیادی هم دارد، پس مواظب باشید در حین بریدن هوا، هواپیمایتان را زخمی نکنید!
طبیعی است ایرفویل یا بال هواپیما هم که هوا را می شکافد، باید بر نیرویی که از طرف هوا بر آن به منظور مقاومت وارد می شود، غلبه کند. پس مقداری از نیروی کشش هواپیما، صرف غلبه بر نیروی مقاومت هواپیما یا همان پسا یا Drag می شود. امروزه دانشمندان هوافضا، همواره در پی یافتن روش هایی برای کاهش نیروی پسا و در نتیجه کاراتر شدن هواپیماها هستند. شاید نیروی لازم برای بریدن هوا در سرعت های پایین چندان مد نظر نباشد و به نظرتان اندک بیاید، اما در سرعت های بالاتر، این نیرو مقدار قابل توجهی از نیروی موتور را صرف غلبه بر خود می نماید.
برخاست یا Take-off
طبیعی است که اگر می خواهید پروازتان را شروع نمایید، ابتدا باید، از زمین بلند شوید. برای این کار، با به یاد داشتن تمام مفاهیمی که در این درس ذکر شد، هنگامی که در مسیر باند قرار گرفتید، دسته گاز هواپیما را تا آخر برده و ماکزیمم قدرت را اعمال نمایید. سپس ترمز ها را رها کرده و منتظر سرعت گرفتن هواپیمایتان باشید. یادتان باشد که هر هواپیمایی، بسته به خصوصیات و شرایط، دارای سرعت تیک آف مشخصی است که اکثراً سرعت تیک آف استاندارد، بر روی سرعت سنج هواپیما نشان داده می شود. همانطوری که در درس های قبل گفته شد، سرعت تیک آف هواپیمای Cessna 172 با خط سبزرنگی در درون سرعت سنج هوایی هواپیما مشخص شده است. با رسیدن عقربه سرعت سنج به این سرعت، می توانید زاویه حمله را با کشیدن جوی استیک به سمت خودتان افزایش داده و هواپیما را از زمین جدا کنید. تبریک می گوییم، شما در حال پرواز و در آسمان هستید!
پرواز آرام یا پرواز با سرعت کم یا Slow Flight
برای کاهش سرعت به هر میزان که می خواهید، با مراحل زیر را طی کنید:
1- قدرت موتور را به حالت Idle یا استراحت یا حداقل نیرو برسانید.
2- دماغه هواپیما را به اندازه ای بالا دهید (افزایش زاویه آلفا) که بتوانید ارتفاع هواپیما را حفظ کنید.
3- هنگامی که به سرعت مورد نظر دست پیدا کردید، حال قدرت را تا جایی افزایش دهید که سرعت هواپیما در محدوده مورد نظرتان حفظ شود. حال دوباره به حالت پرواز عادی در آمده و هواپیما را تریم کنید.
========================================================
همیشه به یاد داشته باشید که منظور از کاهش سرعت این نیست که به هر مقدار که بخواهید می توانید سرعت را کاهش دهید. سعی کنید هیچ گاه اجازه ندهید که سرعتتان کمتر از محدوده مشخص شده باشد. چرا که اگر سرعتتان بیش از حد کاهش یابد، دیگر بال ها حتی با افزایش زاویه حمله، قادر به تولید نیروی برای کافی نخواهند بود و نتیجه، وامانده شدن هواپیما و یا وضعیتی به نام Stall خواهد بود که در این حالت، هواپیما مستقیماً به پایین سقوط خواهد کرد.
