هواپیمای جدید ناسا: یک گام نزدیکتر به پرواز پرندگان

هواپیمای جدید ناسا: یک گام نزدیکتر به پرواز پرندگان

مهندسان ناسا با ابداع بال تطابق پذیر در طول دهانه (SAW=Spanwise Adaptive Wing) امید دارند به کارامدی پرواز یک پرنده دست یابند. با تغییر زاویه عمودی بخش بیرونی بالهای یک هواپیما موسوم به cant در حین پرواز، پژوهشگران ناسا توانسته اند بازدهی مصرف سوخت و پایداری جانبی (yaw) را افزایش دهند. ممکن است چندان برانگیزاننده بنظر نرسد لیکن گام بزرگی بسوی صرفه جویی بزرگی در انرژی و نزدیک شدن به شیوه پرواز خرامان و پرابهت پرندگان بشمار می آید.

این پروژه ممکن است تغییر سکل بال در حین پرواز را نهایتا عملی سازد. چیزی که در مورد پرندگان قابل توجه است نداشتن دم عمودی است که تقریبا تمامی هواپیماهای ساخته شده تاکنون برای حفظ پایداری و نیز ماور دادن حول محور عمودی (yaw axis) به آن وابسته هستند. دم های هواپیما برای غلبه بر بدترین شرایط مکن طراحی شده اند، لیکن بیشتر اوقات به بخش های اصلی دم نیازی نیست. بخصوص دم عمودی برای بیشتر زمان پرواز بیش از حد بزرگ است.

بدین ترتیب در بیشتر زمان پرواز دم یک وزن مرده بزرگ بشمار می آید که تنها بر مصرف سوخت می افزاید. اما هنوز راهی برای حذف دم عمودی و در عین حال حفظ پایداری پرواز کشف نشده بود. تیم پروژه SAW راه حلی برای این منظور یافته اند.

آنها به این نتیجه دست یافته اند که زاویه 45 درجه بالها به سمت بالا بر yaw افزوده لیکن از پایداری جانبی (lateral) می‌کاهد. از سوی دیگر، زاویه دادن بالها به سمت پایین پایداری جانبی زیادی فراهم کرده اما دوران حول محور عمودی را دشوارتر می سازد. بنابراین بالی که بتواند زاویه بالا و پایین شدن خود را هنگام پرواز تغییر دهد، خواهد توانست هرجا که لازم باشد به گشتاور حول محور عمودی یا پایداری جانبی دست یابد. کانون تمرکز تیم ناسا تلاش در جهت حذف کامل دم عمودی و جایگزین ساختن آن با بالهای متغیر است.

پروژه SAW بواسطه فناوری های نوین مانند آلیاژهای حافظه دار (shape-memory alloys) امکان پذیر شده است که در طی دوران طلایی پرواز در دسترس نبودند. انی آلیاژها وقتی در معرض حرارت بالا قرار می گیرند به شگونه ای قابل پیش بینی شکل خود را تغییر می دهند بنابراین از مکانیسسم های کنترلی بزرگ و سنگین امروزی بسیار ساده تر و سبکتر هستند.

بالهای مصنوعی هرگز ایده آل نبوده اند و در مقایسه با پرندگان، هواپیماها پرنده هایی ناجور و نامتوازن هستند. پرندگان براحتی و با دقت بالهای خود را حرکت داده و تغییر شکل می دهندو آسانی و انعطاف پذیری پرواز آنها موجبات حسادت مهندسین پرواز را فراهم ساخته است. از آنجایی که فلز و فیبر کربن قابلیت تغییر شکل ندارند، بالهای هواپیما نمی تواند تغییر شکل یابد در نتیجه این بالها تنها برای پرواز در ارتفاع بالا و سرعت زیاد مناسب هستند. یک بوئینگ 737 برای بلند شدن از زمین نیاز به صدها متر باند فرود بتنی دارد در حابلیکه یک پرنده می تواند در یک آن از جای خود به هوا خیزد.

Read more at https://www.airspacemag.com/daily-planet/one-step-closer-flying-birds-180970325/#YglD018J0grmtoH1.99

هندسه بال

ترجمه: اصغر ناصری

منبع:

http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/geom.html

یکی از عوامل اصلی تعیین کننده نیروی بالابرنده و پسا در هواپیما، هندسه بال می باشد. در تمامی صنایع هواپیمایی از واژگان فنی یکسانی برای توصیف هندسه بال استفاده می شود. بال واقعی یک شی پیچیده سه بعدی است اما با در نظر گرفتن شکل ساده مقطع دو بعدی می توان به اطلاعات مفیدی رسید.

شکل بالا سمت چپ نمایی را نشان می دهد که اگر از بالا به هواپیما نگاه کنیم، از بال آن خواهیم دید. این نمای فوقانی هندسه بسیار ساده ای از بال را نشان می دهد، بال مستقیمی که معمولا در هواپیماهای آزمایشی کوچک دیده می شود. لبه جلویی بال لبه حمله یا leading edge نامیده می شود. لبه عقبی نیز به لبه فرار یا trailing edge موسوم است.فاصله لبه حمله تا فرار به chord موسوم است که با علامت c نشان داده می شود. فاصله بین دو نوک بال به دهانه یا span موسوم بوده و با s نشان داده می شود. شکل بال وقتی از نمای فوقانی دیده می شود به planform موسوم است. در این شکل پلانفورم یک مستطیل است و طول کورد در هر موقعیت در طول دهانه بال ثابت است. در مورد سایر انواع پلانفورمها طول کورد در سراسر span متغیر است. مساحت بال یا A مساحت تصویر بال بین لبه های حمله و فرار و نوکهای بال است.

نسبت Aspect ratio نشان دهنده میزان طویل بودن و باریکی یک بال است. این نسبت عبارت است از مربع دهانه بال تقسیم بر مساحت بال و با نماد AR نمایش داده می شود. برای یک بال مستطیل شکل به صورت نسبت دهانه به طول کورد تعریف می شود.

نسبت  AR بزرگ به معنی بزرگ بودن دهانه است (مانند گلایدرهای با عملکرد بالا) در حالی که بالهایی با نسبت AR کوچک دهانه کوچکتر دارند (مانند جنگنده F-16) یا کوردهای ضخیم دارند (مانند شاتل). یکی از مولفه های نیروی پسای بال به معنی پسای القایی induced drag بطور معکوس با AR متناسب است. بال با AR بزرگ دارای پسای کمتر و نیروی بالابر بیشتری نسبت به بالی با AR کوچک است. از آنجایی که زاویه سریدن گلایدر به نسبت نیروی بالابر به نیروی پسا بستگی دارد، یک گلایدر معمولا با نسبت AR بزرگی طراحی می شود. شاتل فضایی دارای AR کوچکی است زیرا تحت اثر سرعتهای بسیار بالا قرار دارد بنابراین گلایدر بسیار ضعیفی است (قابلیت سریدن در هوا و باقی ماندن در حالت پرواز بدون موتور را ندارد). هواپیمای F-14 و F-111 هر دو خاصیت حرکت با سرعتهای بالا و پایین را به خوبی دارند. آنها با تغییر هندسه بال و نسبت AR از طریق تغییر زاویه برگشت بال می توانند خود را برای حرکت در سرعتهای مختلف مطابقت دهند.

نمای جلویی

نمای جلویی بال زاویه ای که بالها با خط افق می سازند را نشان می دهد. این زاویه به dihedral angle موسوم است. بالی که دارای زاویه مزبور است در برابر مقادیر کم غلطش به پهلو پایدار است و به موقعیت تعادل باز می گردد. هواپیماهای مسافربری از این زاویه بیشترین استفاده را می برند. زاویه dihedral منفی که به anhedral موسوم است باعث ناپایداری جانبی شده و قدرت مانور را افزایش می دهد. هواپیماهای جنگی اغلب با زاویه منفی dihedral طراحی می شوند.

نمای جانبی

نمای جانبی بال ایرفویل airfoil خوانده می شود. خط مستقیمی که لبه حمله را به لبه فرار وصل می کند خط کورد chord line نامیده می‌شود. خط کورد ایرفویل را به دو قسمت بالایی و پایینی تقسیم می کند. اگر نقاط واقع در میانه سطوح بالایی و پایینی ایرفویل را به هم وصل کنیم به منحنی به نام mean camber line می رسیم. بریا یک ایرفویل متقارن این خط بر خط کورد منطبق می شود اما در بیشتر ایرفویل ها این دو از هم جدا هستند. حداکثر فاصله بین دو خط کورد و mean camber line به camber موسوم است که نشان دهنده میزان انحنای ایرفویل است. بیشترین فاصله بین سطوح بالایی و پایینی بال ضخامت نامیده می شود. موسسه NACA که نیای NASA محسوب می شود، شکل ایرفویل ها را استاندارد کرده و با تست تونل باد ضرایب بالابر و پسا را برای انواع مختلف محاسبه کرده است.