پرواز انسان‌ها در زندگی مدرن امروزی موضوع چندان قابل توجهی نیست. همگی ما از نقطه‌ای از جهان به نقطه‌ای دیگر با هواپیما پرواز می کنیم ولی به ندرت پیش می‌آید که چگونگی این فرآیند فکر کنیم. در حالیکه یک قرن پیش این توانایی فوق العاده توسط برادران رایت به تازگی کشف شده بود و قطعاً باعث شگفت زدگی آن‌ها و تمامی جهان گردید. اختراع هواپیما به درستی یکی از بزرگ‌ترین اختراعات در تاریخ بشر لقب گرفته است. در این مقاله از مجله‌ی ایرپلین تیکت به بررسی نحوه‌ی کار هواپیماها می‌پردازیم.

نحوه‌ی کار هواپیماها

اگر هواپیمایی را در حال برخاستن از زمین و یا فرودآمدن تماشا کرده باشید احتمالاً بیشترین چیزی که توجهتان را جلب کرده صدای موتورهای آن بوده است. موتورهای جت که لوله‌های فلزی بلندی هستند و از مقادیر زیادی هوا و سوخت استفاده می‌کنند بسیار پرسر و صداتر و قدرتمندتر از موتورهای پره‌ای عمل می‌کنند.

ممکن است فکر کنید موتورها اجزای کلیدی برای به حرکت درآوردن هواپیما هستند ولی اشتباه می‌کنید. هواپیماها حتی بدون موتور هم می‌توانند پرواز کنند، همانطور که گلایدرها و حتی هواپیماهای کاغذی بدون موتور پرواز می‌کنند.

اگر نحوه‌ی پرواز هواپیماها برای شما جذاب است ابتدا باید تفاوت بین موتور و بال و وظایفی که هرکدام برعهده دارند را درک کنید. موتورهای هواپیما برای به جلو راندن آن در سرعت‌های بالا طراحی شده‌اند. این سرعت به هوا اجازه‌ی جریان پیدا کردن بر روی بال‌ها را می‌دهد و همین موضوع باعث راندن هوا به سمت پایین شده و نیروی بلند کننده‌ای به نام نیروی برآر یا لیفت (lift) تولید می‌کند. این نیرو بر وزن هواپیما غلبه کرده و آن را در آسمان نگه می‌دارد. بنابراین این موتور هواپیماست که آن را به جلو می‌راند در حالیکه بال‌ها آن را به بالا حرکت می‌دهند.

برای تحقق پرواز، هواپیماها باید از چهار نیروی اصلی آیرودینامیک^۱ یعنی نیروی برآر، وزن، تراست یا رانش و درگ یا نیروی پسار بهره بجویند. می‌توانید آن‌ها را مانند بازوان هواپیما در نظر بگیرید که هواپیما را در آسمان نگه می‌دارند و هر کدام آن را به جهت متفاوتی هل می‌دهند.

ابتدا دو نیروی رانش و پسار را بررسی می‌کنیم. نیروی رانش یا تراست (Thrust) چه توسط ملخ هواپیما و چه توسط موتور جت تولید شود نیروی آیرودینامیکی است که هواپیما را به جلو می‌کشد و یا هل می‌دهد. نیروی آیرودینامیکی مخالف آن نیروی پسار یا درگ (drag) است. اگر هنگامی که در اتومبیل در حال حرکت قرار دارید دست خود را از پنجره بیرون بگیرید می‌توانید تا حدودی نیروی پسار را درک کنید. میزان نیروی پساری که دست شما تولید می‌کند بستگی به اندازه‌ی دست، سرعت ماشین و چگالی هوا دارد. در واقع پسار به نیرویی گفته می‌شود که در جهت بازداشتن اجسام از حرکت در درون سیالات کار می‌کند. هواپیمای مسافربری همیشه به یک دلیل ارابه‌های فرودش را بعد از برخاستن از زمین جمع می کند و آن دلیل چیزی نیست جز کاهش نیروی پسار.

برای اینکه پرواز هواپیما محقق شود همیشه باید نیروی تراست یا رانش مساوی و یا بیشتر از نیروی پسار باشد. اگر به هر دلیل نیروی پسار بر نیروی رانش فزونی یابد سرعت هواپیما کاسته می‌شود. برعکس آن هم محقق است؛ اگر نیروی رانش زیادتر از نیروی پسار شود سرعت هواپیما افزایش پیدا می‌کند.

هر چیزی در جهان وزنی دارد و محصولی است ساخته شده از جرم و نیروی جاذبه. نیروی وزن که همان شتاب گرانشی اعمال شده به جرم هواپیما از جانب زمین است هواپیما را به پایین می‌کشاند. در واقع نیروی وزن همان نیرویی است که با بلندشدن هرچیزی از زمین مخالفت می‌کند. نیروی مخالف وزن نیروی است به نام برآر یا لیفت (lift) که هواپیما را مستقیماً به طرف بالا هل می‌دهد و در آسمان نگه می‌دارد. این نیرو از طریق استفاده از بال‌ها ایجاد می‌گردد.

چگونه بال‌ها نیروی برآر تولید می‌کنند؟

نیرو زمانی ایجاد می‌شود که جریان حرکت یک سیال توسط جسمی سخت و جامد شکسته شود. بال هواپیما جریان هوا را به دو جهت تقسیم می‌کند: بالا و روی بال – پایین و زیر بال. بیشتر بال‌های هواپیما از سطح بالایی منحنی شکل و سطح تحتانی صاف تری ساخته شده‌اند. زمانی که جریان سیال هوا در قسمت فوقانی شیئی با مانعی برخورد کند (مثل افزایش زاویه‌ی بال) مسیرش باریک تر شده و جریانش سرعت می‌گیرد. به محض اینکه مانع پشت سر گذاشته شود مسیر عریض‌تر شده و جریان دوباره کاهش پیدا می‌کند. اگر تابحال شلنگ آب را با دستتان فشار داده باشید این قانون ساده را در عمل دیده اید. با گرفتن شلنگ، مسیر جریان آب باریک شده و سرعت مولکول‌ها افزایش می‌یابد. وقتی فشار را از شلنگ بردارید متوجه می‌شوید که جریان آب به حالت قبلی اش باز می‌گردد.

 زمانی که هوا به طرف سطح فوقانی منحنی شکل بال هواپیما هجوم می‌برد مجبور است نسبت به جریان هوای قسمت تحتانی بیشتر جریان یابد پس لازم است سریع‌تر حرکت کند (تا بتواند فضای بیشتری را در زمان کمتری پوشش دهد). بر اساس قانونی از آیرودینامیک به نام “قانون برنولی”^۲ هوای با جریان سریع‌تر نسبت به هوا با جریان کندتر فشار کمتری دارد، بنابراین فشار قسمت فوقانی بال‌ها نسبت به قسمت تحتانی کمتر بوده و همین عامل باعث تولید نیروی برآر که هواپیما را به بالا حرکت می‌دهد می‌گردد.

ناوبری هوایی

بعد از آشنایی با چهار نیروی اصلی در فیزیک و چگونگی استفاده از آن‌ها در هواپیما، قطعاً نوبت به بررسی ناوبری هوایی است. هواپیماها چگونه در آسمان دور می‌زنند؟ چطور به ارتفاع بالاتری می‌روند؟ و در نهایت چطور بر زمین فرود می‌آیند؟

در ابتدا به مفهوم زاویه‌ی حمله می‌پردازیم. زاویه‌ی حمله یا تکاشیب (Angle of Attack) یا آلفا (α) یک اصطلاح هوانوردی است که زاویه‌ی بدنه‌ی هواپیما و بال‌های آن‌را با مسیر حرکت کنونی آن توصیف می‌کند. هر چقدر زاویه‌ی حمله بیشتر باشد نیروی برآر بیشتر می‌شود. جالب است بدانید برای یک هواپیما افزایش ارتفاع آسان‌تر از پرواز در یک ارتفاع ثابت است. بال معمولی هواپیما لازم است زاویه‌ی حمله‌ای منفی داشته باشد تا به نیروی برآر صفر برسد. این حالت بال‌ها نیروی پسار بیشتری را به دنبال دارد و لازم است نیروی رانش افزایش داده شود.

به طور کلی بال‌ها در بیشتر هواپیماها به نحوی طراحی می‌شوند که میزان مناسبی از نیروی برآر را در طول پرواز هواپیما تولید کنند (که با حداقل نیروی پسار همراهی کند). اگرچه زمانی که هواپیماها در حال برخاستن یا فرودآمدن هستند سرعت آن‌ها تا ۳۲۲ کیلومتر بر ساعت تقلیل می‌رود. این تغییر بزرگ در بال‌ها به این معنی‌ست که شکل متفاوتی از ایرفویل^۳ (airfoil) احتمالاً خدمت بهتری به هواپیما می‌رساند. اشکال ایرفویل بستگی به هواپیما متفاوت است، اما خلبان‌ها شکل ایرفویل را از طریق فلاپ و اسلات تغییر می‌دهند. قبل از اینکه به ادامه‌ی مراحل بپردازیم بهتر است با تعاریف این دو واژه آشنا شویم.

فلاپ (Flap): اگر هنگام پرواز با هواپیما کنار پنجره نشسته باشید و به بال هواپیما نگاه کنید قبل و در حین فرود سطحی از بال هواپیما خارج می‌شود و مساحت آن‌را افزایش می‌دهد. این سطح را فلاپ می‌خوانیم. همانطور که گفتیم فلاپ‌ها سطح بال را افزایش می‌دهند. این افزایش سطح باعث افزایش جریان هوا در زیر بال هواپیما شده و هواپیما را وادار به بالا رفتن می‌کند. معمولاً از فلاپ‌ها هنگام فرود استفاده می‌شود اما در شرایطی خاص ممکن است هنگام برخاستن هواپیما هم از آن‌ها استفاده  شود که البته بعد از برخاستن بسته می‌شوند. فلاپ‌ها غالباً با درجات متفاوتی نشان داده می‌شوند. این خلبان است که بر اساس شرایط، درجه‌ای مناسب را انتخاب می‌کند.

اسلات (salt) یا پیش بال: به سطح کوچک آیرودینامیکی در لبه‌ی حمله‌ی یک بال هواپیما گفته می‌شود. پیش بال صفحه‌ی متحرکی بر روی لبه‌ی حمله‌ی بال است که با بازشدن آن شکافی بین صفحه و لبه‌ی بال ایجاد شده و هوا از زیر بال به روی آن جریان می‌یابد. زمانی که پیش بال باز می‌شود زاویه‌ی حمله‌ی بال بیشتر است.

در طول برخاستن و نشستن هواپیما، فلاپ‌های عقب بال از لبه‌ی عقبی ایرفویل باز می‌شوند. این عمل سریعاً شکل بال را عوض کرده و باعث می‌شود هوای بیشتری به سمت بال‌ها حرکت کرده و در نتیجه نیروی برآر بیشتری تولید می‌شود. این تغییر همچنین نیروی پسار را افزایش می‌دهد که باعث کاهش سرعت هواپیمای در حال فرود می‌شود (ولی هنگام تیک آف لزوماً نیروی رانش بیشتری نیاز است).

اسلات یا پیش بال کاربردی مشابه فلاپ دارد (تغییر موقتی شکل بال برای افزایش نیروی برآر)، اما اسلات‌ها به جلوی بال متصل هستند نه قسمت عقب آن. همانطور که گفته شد خلبان‌ها هنگام برخاستن و فرودآمدن از اسلات استفاده می‌کنند.

نقش خلبان‌ها چیزی بیش از کنترل هواپیما هنگام برخاستن و فرودآمدن است. آن‌ها باید هواپیما را در آسمان هدایت کنند. بخش مهمی از کنترل هواپیما در آسمان به قسمت‌های مختلف دُم آن و وظایف آن‌ها برمی‌گردد. بنابراین در این قسمت به طور خلاصه آن‌ها را توضیح می‌دهیم.

 دم هواپیما

• دم عمودی (Vertical tail) : سکانی است عمود بر قسمت انتهایی هواپیما که شامل دو قسمت می‌شود:
• ثابت پایدار کننده‌ی عمودی (سکان عمودی) (Vertical stabilizer) : به طور عمودی در انتهای بدنه و بین دو سکان افقی قرار می‌گیرد. وظیفه‌ی آن ایجاد و حفظ تعادل عرضی هواپیما حین پرواز است.
• ثابت پایدار کننده‌ی متحرک (Rudder) : در پشت سکان عمودی قرار گرفته و خود به چپ و راست حرکت می‌کند و باعث می‌شود دماغه‌ی هواپیما به سمت چپ و راست برود. خلبان‌ها به وسیله‌ی پدال زیر پایشان آن‌را می‌گردانند. در حقیقت به فلاپ دم عمودی هواپیما پایدار کننده‌ی متحرک گفته می‌شود.
• دم افقی (Horizontal tail) : پایدار کننده‌ی افقی یا دم افقی سطحی برآست که در انتهای هواپیما قرار گرفته است. یک هواپیما برای پرواز ایمن از نظر طولی هم باید متعادل باشد. دم افقی یک نیروی متعادل کننده اعمال می‌کند که باعث می‌شود در صورت تغییر محل مرکز جرم و تغییر سرعت هواپیما همچنان بتواند تعادل خود را حفظ کند. دم افقی از دو بخش تشکیل شده است:
• سکان ایستاور یا سکان افقی (Horizontal stabilizer) : شکل ظاهری و ساخت درونی این سکان تقریباً شبیه ساختمان بال است با این تفاوت که بال همیشه ثابت است در حالیکه سکان افقی در بعضی هواپیماها ممکن است متحرک باشد و حول محور طولی خود بچرخد. سکان افقی که در حالت عادی یا خنثی تقریباً موازی سطح زمین است در حال پرواز از بالا و پایین رفتن غیر ضروری هواپیما جلوگیری کرده و آن‌را در ارتفاع مطلوب نگه می‌دارد.
• سطح متحرک یا سکان فرازبر (Elevator): سکان افقی در طرف چپ و راست خود دارای یک یا دو سطح متحرک به نام بالابر یا سکان فرازبر است که به سکان افقی لولا می‌شوند. در واقع این بالابرها فلاپ‌های دم افقی هستند. بالابرهای چپ و راست در جهت موافق هم عمل می‌کنند. اگر بالابرها به سمت بالا بیایند هوای عبوری از روی دم افقی به بالابرها برخورد کرده و به آن‌ها فشار وارد می‌کند. نتیجتاً قسمت عقب هواپیما را به سمت پایین می‌آورد و هواپیما حول محور عرضی از بال چرخیده و نوک هواپیما به سمت بالا حرکت می‌کند و هواپیما رفته رفته اوج می‌گیرد و بالعکس.

همانطور که گفته شد خلبان‌ها برای کنترل جهت هواپیما از هر دو سکان افقی و عمودی بهره می‌جویند. هر دو این سکان‌ها ایرفویل‌های متقارن هستند و هر دو فلاپ‌های بزرگی برای تغییر جریان هوا دارند. فلاپ‌های دم افقی یا همان سکان فرازبر هواپیما را قادر می‌کنند تا در هوا به سمت بالا و پایین حرکت کند. این در حالیست که فلاپ دم عمودی یا همان rudder باعث چرخیدن هواپیما به چپ و راست می‌شود.

در نهایت به ایلرون (aileron) می‌رسیم. ایلرون به فلاپ‌های افقی گفته می‌شود که نزدیک به انتهای بال هواپیما قرار دارند. این فلاپ‌ها باعث می‌شود یکی از بال‌ها بیش از آن یکی نیروی برآر تولید کرده و منجر به حرکت گردشی شود. این وضعیت به هواپیما اجازه می‌دهد به راست یا چپ بچرخد. ایلرون‌ها معمولاً در جهت عکس یکدیگر عمل می‌کنند. اگر ایلرون سمت راست به طرف بالا حرکت کند ایلرون سمت چپ به سمت پایین متمایل می‌شود و بالعکس.

خلبان با مهارت خود در استفاده‌ی بجا از تمامی این موارد هواپیما، این غول عظیم را در آسمان هدایت و کنترل می‌کند. البته بحث در مورد چگونگی کار هواپیما بسیار گسترده است ولی در این مطلب کوتاه سعی کردیم به اصلی ترین فاکتورها برای همه‌ی پروازها بپردازیم.

پاورقی‌ها

1. آیرودینامیک (Aerodynamics) شاخه‌ای از دینامیک سیالات است که به بررسی رفتار جریان هوا و اثر آن بر اجسام متحرک می‌پردازد.
2. قانون برنولی (Bernoulli’s principle) : اگر سرعت یک سیال افزایش پیدا کند فشاری که بر یک سطح وارد می‌کند کاهش می‌یابد و بالعکس. به عبارتی فشار و سرعت سیال نسبت عکس با یکدیگر دارند. این قانون نقش مهمی در آیرودینامیک دارد و پرواز اشیاء پرنده‌ی ساخته‌ی دست انسان به وسیله‌ی آن توجیه می‌شود.
3. ایرفویل (airfoil) یا ماهی واره نام شکل ویژه‌ای است در مقطع بال هواپیما. جسمی که این شکل را داشته باشد با حرکت در آب یا هوا نیروی برآ ایجاد می‌کند. عامل اصلی پرواز همین شکل ماهی واره است که با حرکت در هوا و ایجاد نیروی برآیی که بیشتر از نیروی وزن هواپیما است باعث پرواز می‌گردد.

مشاهده مطلب