معامل الحمولة في الطيران وتأثيره

يمكن اعتبار معامل الحمولة على أنه مقدار الزيادة في وزن الطائرة، حيث أنه ليس من الممكن زيادة الوزن في الجو، لكن هناك قوى أخرى غير الجاذبية تعمل على الطائرة أثناء الطيران، وتزداد هذه القوى أحيانًا، وعندما يحدث هذا، تكون النتيجة حملًا على الطائرة أكبر من مجرد وزن الطائرة ومحتوياتها.

ما هو معامل الحمولة للطائرة

في الديناميكا الهوائية يكون معامل الحمولة الأقصى (عند زاوية انهطاف معينة) هو التناسب بين قوة الرفع وقوة الوزن وله علاقة مثلثية، ويُقاس عامل الحمولة بوحدة (Gs) أي (تسارع الجاذبية)، وهي وحدة قوة مساوية للقوة التي تمارسها الجاذبية على الجسم في حالة السكون وتشير إلى القوة التي يتعرض لها الجسم عند تسارعه.

وأي قوة يتم تطبيقها على طائرة لإنحراف رحلتها عن خط مستقيم ينتج عنها ضغط على هيكلها، ومقدار هذه القوة هو معامل الحمولة، وفي حين أن الدورة التدريبية في الديناميكا الهوائية ليست شرطًا أساسيًا للحصول على رخصة طيار، ولكن يجب أن يكون لدى الطيار المختص فهم قوي للقوى التي تعمل على الطائرة، والاستخدام المفيد لهذه القوى والقيود التشغيلية للطائرة التي يتم تحليقها.

وعلى سبيل المثال، يعني عامل الحمولة البالغ 3 أن الحمولة الإجمالية على هيكل الطائرة تساوي ثلاثة أضعاف وزنها، ونظرًا لأنه يتم التعبير عن عوامل الحمولة من حيث Gs، يمكن التحدث عن عامل الحمولة 3 على أنه (3Gs)، أو عامل التحميل 4 كـ (4Gs)، وإذا تم سحب الطائرة من الهبوط المفاجئ، يؤدي هذا إلى تعريض الطيار إلى (3Gs)، وسيتم الضغط عليه لأسفل في المقعد بقوة تساوي ثلاثة أضعاف وزنه.

ونظرًا لأن الطائرات الحديثة تعمل بسرعات أعلى بكثير من الطائرات القديمة، فهذا يزيد من احتمالية معاملات الحمولة الكبيرة، وقد أصبح هذا التأثير اعتبارًا أساسيًا في تصميم هيكل جميع الطائرات، ومع التصميم الهيكلي للطائرة المخطط لتحمل قدر معين فقط من الحمل الزائد، أصبحت معرفة عوامل الحمولة ضرورية لجميع الطيارين، حيث تعتبر عوامل الحمولة مهمة لسببين:

• حتى لا يتمكن الطيار أن يفرض حمولة زائدة خطيرة على هياكل الطائرات.

• ولأن عامل التحميل المتزايد يزيد من سرعة التوقف ويجعله ممكنًا بسرعات طيران تبدو آمنة.

ما دور عوامل الحمولة في تصميم الطائرات

الإجابة على السؤال هي أنه يتم تحديد عوامل إلى حد كبير من خلال الاستخدام الذي تتعرض له الطائرة، وهذه مشكلة صعبة لأن الأحمال القصوى الممكنة عالية جدًا لاستخدامها في التصميم الفعال، وصحيح أن أي طيار يمكن أن يقوم بهبوط صعب للغاية أو سحب حاد للغاية من الهبوط،  وقد ينتج عنه أحمال غير طبيعية ومع ذلك، يجب رفض مثل هذه الأحمال غير العادية إلى حد ما.

إذا تم بناء الطائرات التي تقلع بسرعة، وتهبط ببطء وتحمل حمولات جديرة بالاهتمام، حيث تصبح مشكلة معاملات الحمولة في تصميم الطائرات هي كيفية تحديد أعلى معاملات للحمولة، والتي يمكن توقعها في التشغيل العادي في ظل حالات تشغيلية مختلفة، وتسمى معاملات الحمولة هذه (معاملات الحمولة الحدية) لأسباب تتعلق بالسلامة، حيث يلزم أن تكون الطائرة مصممة لتحمل معاملات الحمولة هذه دون أي ضرر هيكلي.

وعلى الرغم من أن قانون اللوائح الفيدرالية (CFR) يتطلب أن يكون هيكل الطائرة قادرًا على دعم واحد ونصف من معاملات التحميل المحددة هذه دون عطل، فمن المقبول أن أجزاء من الطائرة قد تنحني أو تلتف تحت هذه الأحمال، وأن بعض الأضرار الهيكلية قد يحدث، ويُطلق على معامل الحد الأقصى للحمل 1.5 (عامل الأمان) ويوفر إلى حد ما حدًا أعلى من تلك المتوقعة في ظل التشغيل العادي والمعقول.

واحتياطي القوة هذا ليس شيئًا يجب على الطيارين إساءة استخدامه عمداً، بدلاً من ذلك فهو موجود للحماية عند مواجهة ظروف غير متوقعة، وتنطبق الاعتبارات المذكورة أعلاه على جميع ظروف التحميل، سواء كانت بسبب العواصف أو المناورات أو الهبوط، ومتطلبات عامل الحمولة السارية الآن هي نفسها إلى حد كبير تلك التي كانت موجودة منذ سنوات.

حيث أثبتت مئات الآلاف من ساعات العمل أنها مناسبة للسلامة، حيث إن متطلبات تحميل العواصف هي نفسها إلى حد كبير بالنسبة لمعظم الطائرات العامة من نوع الطيران بغض النظر عن استخدامها التشغيلي بشكل عام، تتحكم معاملات الحمل في تصميم الطائرة المصممة للاستخدام غير البهلواني تمامًا.

سرعة المناورة للطائرة ومعامل الحمولة

مفهوم آخر مهم ووثيق الصلة هو سرعة المناورة وسرعة المناورة لها علاقة إلى حد ما بعوامل الحمولة المحددة المصممة وتجعلها قابلة للتطبيق في قمرة القيادة بالطائرة، ومن الناحية العملية يمكن اعتبار القيمة المحسوبة لرحلة الطائرة على أنها سرعة الأمان، وأقل من هذه السرعة، ستتوقف الطائرة قبل أن تتمكن أي قوة من كسرها.

وهذا يعني أنه عند إضافة قدر خطير من الحمولة إلى وزن الطائرة، فلن تتمكن الأجنحة من القيام بهذا القدر من الرفع وستتوقف، وفي حين أن التوقف المفاجئ (stalls) لا يعتبر شيء جيد بشكل عام، وفي هذه الحالة فإن التوقف يخفف الحمل من هيكل الطائرة وفي الواقع تحاول الطائرة أن تنقذ نفسها من أي ضرر في المقابل.

وإذا كانت الطائرة تحلق بسرعة كافية بحيث يمكنها مواصلة الرحلة وقبول حمولة مفروضة أكبر من عامل الحمولة المحدد المصمم، فسوف ينتج عن ذلك أشكال من الضرر، كما يمكن أن يتراوح الضرر الناتج عن الضغط المفرط على هيكل الطائرة من شيء لم يتم ملاحظته أثناء الرحلة إلى فشل كارثي أثناء الطيران في سطح هيكل الطائرة للأسف، والإجهاد المعدني يحصل بطرق يصعب اكتشافها.

وإن الهيكل البلوري للمعادن مثل الألمنيوم يجعلها قوية للغاية، ولكن بمجرد كسر الروابط، فمن المرجح أن تفشل في المستقبل، وقد تضعف الضغوط التي تحدث لهياكل الطائرات نتيجة لتجاوز معامل الحمولة المحدد المعدن وتسبب فشلًا كارثيًا في وقت آخر في المستقبل بشكل غير متوقع.

وسرعة المناورة هي سرعة V مهمة للطائرة يجب معرفتها، ومع ذلك فهي لا تظهر على علامات مؤشر السرعة الجوية، لما لا؟ كما هو موضح أعلاه، ستتغير سرعة توقف الطائرة عندما تتحول إلى منعطف، ونظرًا لأن الطائرة ستتوقف عند سرعة طيران أعلى، ستتغير (Va)، والمعامل الآخر الذي يجعل (Va) التغيير هو وزن الطائرة ومع زيادة الوزن، تزداد (Va) لأنه سيؤدي إلى وصول الجناح إلى الزاوية الحرجة للهجوم في وقت أقرب.

حدود معامل الحمولة في تصميم الطائرة

بينما يمكن للمصممين بناء طائرة بأي طريقة يريدون، تضع إدارة الطيران الفيدرالية المعايير الدنيا في الولايات المتحدة، حيث أنه إذا كانت الطائرة تحمل شهادة صلاحية طيران (FAA)، فيمكن للطيار أن يعرف أن تصميم الطائرة يلبي الحد الأدنى من المعايير المدرجة لنوع الشهادة.

• طائرات الفئة العادية من -1.52 إلى + 3.8G.

• طائرات الفئة العامة من -1.76 إلى +4.4G.

• طائرات الفئة البهلوانية -3.0 إلى +6.0G.

• طائرات فئة النقل -1.0 إلى +2.5G.

وهذه هي الحدود الدنيا التي وضعتها إدارة الطيران الفيدرالية (FAA) لمصممي الطائرات، حيث يمكن لبعض الطائرات وخاصة الطائرات البهلوانية، تحمل قوى G أعلى بكثير، وللحصول على المواصفات الدقيقة لطائرة معينة، يتم مراجعة دليل طيران الطائرة (AFM) أو دليل تشغيل الطيار (POH).

ملاحظة: “FAA” اختصار لـ”Federal Aviation Administration“.

ملاحظة: “AFM” اختصار لـ”Airplane Flight Manuals“.

ملاحظة: “POH” اختصار لـ” pilot’s operating handbook“.