هواپیما

هَواپیما (aeroplane)

41134500-7.jpg

اولين هواپيما، ساخت برادران رايت

اولين هواپيما، ساخت برادران رايت

اولين هواپيما، ساخت برادران رايت

اولين هواپيما، ساخت برادران رايت

اولين هواپيما، ساخت برادران رايت

اولين هواپيما، ساخت برادران رايت

وسیلۀ نقلیه‌ای موتوردار و سنگین‌تر از هوا که با بال‌های ثابت به پرواز درمی‌آید. نیروی رانش هواپیماها را فشار موتور جت، موتور موشک یا ملخ، و یا ترکیبی از آن‌ها، تأمین می‌کند. هنگام طراحی بدنۀ هواپیما، باید ملاحظات آیرودینامیک را در نظر گرفت، زیرا این کار بازدهی پرواز را به حداکثر می‌رساند. نخستین هواپیمای موتوردار دوباله را برادران رایت در ۱۹۰۳ در کیتی هاوک، واقع در کارولینای شمالی امریکا، به پرواز درآوردند. (‌← پرواز) با اعمال اصول آیرودینامیک می‌توان از ایجاد امواج ضربه‌ای روی سطح بدنه و بال‌ها، که باعث بی‌ثباتی و افت قدرت می‌شود، جلوگیری کرد. برش مقطعی بال هواپیما به شکل سطح هوابُر (برگۀ هوابُر) است؛ یعنی جلوی آن پهن و قوس‌دار، زیر آن مسطح و گاه با انحنایی جزئی به سمت بالا، و بالای آن خمیده است و انتهای آن رفته‌رفته باریک و به لبه‌ای تیز ختم می‌شود. علت این نحوۀ طراحی آن است که سرعت هوایی که از روی بال عبور می‌کند افزایش یابد و فشار آن از فشار جوّ کمتر شود و سرعت هوایی که از زیر آن عبور می‌کند کاهش یابد و در نتیجه، پرفشارتر شود. اثر این دو مکمل یکدیگر و تابع اصل برنولی است. حاصل این دو نیرویی است که به‌صورت عمودی رو به بالا اثر می‌کند و به نیروی بالابری ‌که در جهت عکس وزن هواپیما عمل می‌کند، معروف است. هنگام پرواز افقی، نیروی بالابر با وزن برابر است. بال‌ها در زمان حرکت سریع در هوا نیروی بالابر کافی برای نگهداری هواپیما را ایجاد می‌‌کنند. نیرویی که هواپیما را به پیش‌ می‌راند (نیروی رانش) ناشی از واکنش در برابر جریان هوایی است که ملخ آن را با فشار به عقب می‌راند یا گازهایی که با فشار از خروجی موتور جت خارج می‌شوند. هنگام پرواز، نیروی رانش موتور باید بر مقاومت هوا، معروف به نیروی بازدارنده، غلبه کند. نیروی بازدارنده بستگی به سطح پیشین، که مثلاً در مسافربری‌ها، بزرگ و در جنگنده‌ها، کوچک است، و ضریب نیروی بازدارنده دارد. هنگام پرواز افقی، نیروی بازدارنده با نیروی رانش برابر است. با آیرودینامیکی‌کردن هواپیما، نیروی بازدارنده کاهش و درنتیجه، سرعت پرواز افزایش می‌یابد و مصرف سوخت برای نیرویی فرضی کاهش می‌یابد. هنگامی که برای طی مسافتی مشخص نیاز به حمل سوخت کمتری باشد، ظرفیت بیشتری برای حمل بار یا مسافر وجود دارد. مهمترین عامل تعیین‌کنندۀ شکل هواپیما سرعتی است که با آن پرواز می‌کند (← هوانوردی). آیرودینامیکی‌کردن شکل هواپیمایی که قرار است با سرعتی بسیار کمتر از سرعت صوت، حدود ۹۶۵ کیلومتر در ساعت، حرکت ‌کند، چندان الزامی نیست و برای این هواپیما، می‌توان بال‌هایی پهن عمود بر بدنه طراحی کرد. شکل هواپیمایی که نزدیک به سرعت صوت حرکت می‌کند، باید تا حد ممکن آیرودینامیک باشد و بال‌هایی روبه عقب داشته باشد تا از ایجاد امواج ضربه‌ای روی سطح بدنه و بال‌ها، و درنتیجه ناپایداری و افت شدید قدرت جلوگیری کند. شکل هواپیماهای مافوق صوت باید کاملاً آیرودینامیکی و دارای مشخصات زیر باشد: دماغۀ سوزنی‌شکل، بال‌هایی کاملاً روبه عقب، و بدنه‌ای کمرباریک، مشهور به بدنۀ بطری کوکا. این شکل به هواپیما امکان می‌دهد که بدون آن‌که دستخوش اغتشاش‌های نامطلوب شود، از دیوار صوتی عبور کند. شکل هندسی برخی از هواپیماهای مافوق صوت را برای افزایش انعطاف‌پذیری آن‌ها در سرعت‌های متفاوت با بال‌های متحرک طراحی می‌کنند. بال‌ها در سرعت‌های کم باز، و در سرعت‌های زیاد در کنار بدنه جمع می‌شوند و شکل بسیار کارآمد بال مثلثی را به خود می‌گیرند. طراحان هواپیما طرح‌های گوناگون خود را در تونل باد آزمایش می‌کنند و با این کار کنش طرح‌های خود را در عمل مشاهده می‌کنند. در دهۀ ۱۹۹۰، جت‌های جنگنده را به‌منظور دستیابی به سرعت عمل بیشتر به لحاظ آیرودینامیکی به عمد بی‌ثبات طراحی می‌کردند. هواپیمای جنگندۀ اروپایی، محصول مشترک انگلستان، آلمان، ایتالیا، و اسپانیا، از آن جمله بود. به این منظور، بال اصلی را با شکلی دائماً متغیر طراحی می‌کنند که جریان هوای روی آن را قطعه‌ای کوچک‌تر از بال تنظیم می‌کند که سطح آن با سطح بال زاویه تشکیل می‌دهد. با به‌کارگیری مصالح مقاوم در برابر گرما، که برخی از آن‌ها با جذب امواج رادار، هواپیما را از دید سامانه دفاعی دشمن نیز دور نگه می‌دارند، هواپیماهای جدید را سبک‌تر و سریع‌تر ساخته‌اند. برخی از این هواپیماها با سرعت سه ماخ یعنی سه برابر سرعت صوت، حرکت می‌کنند. هواپیماها را با آلیاژهای سبک ولی مقاوم آلومینیوم، مانند دورآلومین می‌سازند. در هواپیماهای مافوق صوت، ممکن است در مناطقی که در معرض افزایش شدید دماست، از فولاد ضد زنگ مخصوص و تیتانیوم ‌استفاده می‌کنند. روکش اسکلت هواپیما، شامل بال‌ها و بدنه، را ورقه‌های آلیاژ تشکیل می‌دهد که در فواصل معین با ستون‌های طولی و عرضی (دنده و کش) تقویت می‌شوند. بدنه هواپیما را با پَرچ یا چسب‌های قوی، مثل رزین‌های اپوکسی، به هم متصل می‌کنند. در برخی از نقاط حساس و مهم، که فشارهای بسیاری را تحمل می‌کنند، مانند محل اتصال بال به بدنه، قطعات بدنه را برای مقاومت بیشتر از فلز یک تکه قالب‌گیری می‌کنند. هنگامی که هواپیما روی زمین است، روی چرخ‌هایش قرار می‌گیرد که شامل چرخ‌های متعدد زیر بال‌ها و یک یا چند چرخ زیر دماغه است .در همۀ هواپیماها، غیر از برخی هواپیماهای سبک، ارابۀ فرود یا چرخ‌های هواپیما ‌هنگام پرواز بسته می‌شوند تا نیروی بازدارنده کاهش یابد. هواپیماهای دریانشین، که فرود و بلندشدن آن‌ها از روی آب صورت می‌گیرد، با هیدروفویل‌های بسته‌شدنی سازگار‌ می‌شوند. براي تعادل بال‌ها به‌تنهایی کافي نيستند و هواپیما برای ایجاد ثبات به دُم احتیاج دارد. دُم از یک بالک افقی و یک بالک عمودی تشکیل می‌شود که سکان افقی و عمودی نام دارند. در انتهای بالک افقی، باله‌هایی لولایی و متحرک قرار گرفته‌اند که بالابر نام دارند و میزان شیب را تنظیم می‌کنند. بالا آوردن این بالابرها دم را به پایین می‌راند و بال‌ها را به سمت بالا متمایل می‌کند و در نتیجه، زاویۀ یورش را افزایش می‌دهد. این امر باعث می‌شود که سرعت جریان هوای روی بال‌ها افزایش یابد و درنتیجه، نیروی بالابر از وزن بیشتر شود و هواپیما اوج بگیرد. البته، هرچه شیب پرواز بیشتر باشد، نیروی بازدارنده نیز افزایش می‌یابد و درنتیجه، برای حفظ سرعت به قدرت بیشتری نیاز است و دریچۀ سوخت موتور باید باز شود. حرکت بالابرها در جهت مخالف نتیجه معکوس می‌دهد؛ زاویۀ یورش کم می‌شود و هواپیما رو به پایین حرکت می‌کند. در صورت کم‌نکردن قدرت موتور، سرعت افزایش می‌یابد. چرخش یا تغییر مسیر با حرکت‌دادن سکان عمودی هواپیما که به انتهای بالک عمودی متصل است و نیز از طریق کج‌کردن هواپیما صورت می‌گیرد. کج‌کردن را با حرکت‌دادن شهپرها صورت می‌دهند. شهپرها باله‌هایی متصل به یکدیگرند که در انتهای بال‌ها قرار دارند و در جهت مخالف هم، یعنی یکی به بالا و یکی به پایین حرکت می‌کنند. در هواپیماهایی که بال مثلثی شکل دارند، مثل کانکرد، شهپرها و بالابرها ترکیب شده‌اند .دیگر سطوح تنظیم‌کنندۀ متحرک، که باله نام دارند، در انتهای بال‌ها و در کنار بدنه قرار می‌گیرند. به‌منظور افزایش پهنا و انحنای بال هنگام برخاستن و فرود، کاملاً آن‌ها را باز می‌کنند و با این کار نیروی بالابر را افزایش می‌دهند. در عین حال، قطعات متحرک لبۀ جلوی بال، تیغهها، را نیز بیرون می‌آورند و باز می‌کنند تا هوا بهتر جریان یابد. برای فرود، دماغۀ هواپیما را بالا می‌کشند تا زاویۀ یورش بال‌ها از حد بحرانی بیشتر شود و جریان هوای اطراف آن‌ها کاهش یابد. بدین‌ترتیب، نیروی بالابر از بین می‌رود؛ حالتی که افت ناگهانی ارتفاع نام دارد، و هواپیما روی باند فرود می‌آید. برخی از هواپیماها، مثل هری‌یر، روش جدیدی برای فرود آمدن و پرواز دارند که در آن، با چرخاندن سر لولۀ اگزوز، موتور جت را به سمت پایین هدایت می‌کنند تا پرواز و فرود هواپیما به‌صورت عمودی صورت می‌گیرد. در بالگرد و هواپیمای تبدیلی، به منظور دستیابی به نیروی بالابر برای برخاستن عمودی هواپیما از بال‌های گردان استفاده می‌کنند. سطوح کنترل هواپیما را خلبان در کابین و با استفاده از فرمان و پدال‌ها به کار می‌اندازد. اهرم‌های کنترل با سیستم‌های هیدرولیکی کار می‌کنند. وجود خلبانِ خودکار امکان حرکت هواپیما در مسیری مشخص و با سرعتی ثابت را مهیا می‌کند. در هواپیماهای پیشرفتۀ پرسرعت آزمایشی، معروف به هواپیمای دارای آرایش تنظیمی، از سیستم کنترل پیچیدۀ رایانه‌ای استفاده می‌شود. در این هواپیماها، خلبان دستور حرکتی را که هواپیما باید صورت دهد، به رایانه می‌دهد و رایانه با استفاده از داده‌های دریافتی از مجموعه حسگرهای نصب‌شده در اطراف هواپیما که ارتفاع، سرعت و گردش موتور آن را اعلام می‌کنند، سیگنال‌هایی را به سطوح کنترل و دریچۀ سوخت می‌فرستد تا امکان حرکت لازم فراهم شود.

 

---