محاور الاستقرار والتحكم في الطائرات

كان أحد العوامل الرئيسية في إنجاز الأخوين رايت لبناء أول طائرة أثقل من الهواء هو رؤيتهم بأن الطائرة الوظيفية تتطلب إتقان ثلاثة تخصصات وهي الرفع والدفع والمراقبة، في حين أنّ الرواد الأولين قد درسوا بعض النجاح من قبل رواد سابقين، مثل السير جورج كايلي وأوتو ليلينثال وآخرين، حيث يبدو أن مسألة السيطرة قد سقطت على جانب الطريق في الأيام الأولى للطيران.

ما هي محاور الاستقرار في الطائرات

على الرغم من أن الأخوين رايت قاموا ببناء نفق رياح (wind tunnel) صغير خاص بهم لتجربة أشكال مختلفة من الجنيح؛ لإتقان الرفع وقاموا أيضًا ببناء محرك خفيف الوزن بهدف تحسين الدفع لطائرة رايت، كان الابتكار الأكبر هو نظام التحكم الذي قاموا بتثبيته على الطائرة، وفي الأساس تقوم الطائرة بمناورة حول مركز جاذبيتها، وهناك ثلاثة محاور فريدة يمكن للطائرة أن تدور حولها:

• المحور الطولي من المقدمة إلى الذيل ويسمى أيضًا محور اللف أي دحرجة جناح واحد للأعلى وجناح واحد لأسفل.

• المحور الجانبي من طرف الجناح إلى طرف الجناح، ويسمى أيضًا محور الميل أي المقدمة لأعلى أو المقدمة لأسفل.

• المحور العادي من أعلى المقصورة إلى أسفل جهاز الهبوط، ويسمى أيضًا محور الانعراج أي أنّ المقدمة يدور إلى اليسار أو اليمين.

ما هو استقرار الطائرة

في الأساس هناك فرق بين استقرار الطائرة والزخم الخارجي مع أو بدون استجابة الطيار للاضطراب، بحيث أنّه يتوفر نوع يسمى الاستقرار المتأصل للطائرة، ومن ثم يقال أنّ الطائرة مستقرة إذا عادت إلى حالة توازنها الأصلية بعد إزاحة صغيرة مضطربة دون تدخل الطيار، بالتالي فإنّ استجابة الطائرة تنشأ فقط من التصميم المتأصل.

في رحلة المستوى الأفقي يسعى الطيار إلى الإشارة إلى هذا على أنّه استقرار ثابت، في الواقع تكون الطائرة مستقرة بشكل ثابت عندما تعود إلى حالة الطيران المستقرة الأصلية بعد اضطراب بسيط، يكون غير مستقر بشكل ثابت عندما يستمر في الابتعاد عن حالة الطيران الثابتة الأصلية عند حدوث اضطراب، كما يكون مستقر بشكل محايد عندما يظل ثابتًا في حالة جديدة عند حدوث اضطراب.

النوع الثاني والأكثر ضررا من الاستقرار هو الاستقرار الديناميكي، حيث تتقارب الطائرة باستمرار إلى حالة الطيران المستقرة الأصلية، ثم يتقارب مع التكوين الأصلي بطريقة متذبذبة، أو يمكن أن تتباعد تمامًا وتتصرف بشكل لا يمكن السيطرة عليه، وفي هذه الحالة يُنصح الطيار بالتدخل، ويشير عدم الاستقرار الثابت بشكل طبيعي إلى عدم الاستقرار الديناميكي، لكن الاستقرار الثابت لا يضمن بشكل عام الاستقرار الديناميكي.

أساسيات الاستقرار والتحكم في الطائرات

في الطائرات التقليدية يكون هناد المصعد أفقي متصل بالذيل للتحكم في الانحدار، بحيث يتميز مستوى الذيل العمودي بدقته أي تشبه إلى حد كبير القارب وتتحكم في الحركة، كما يمكن استخدام الجنيحات المثبتة على الأجنحة لتدحرج الطائرة من جانب إلى آخر، وفي كل حالة يتم تغيير موقف الطائرة عن طريق تغيير المصعد فوق أحد أسطح التحكم هذه.

• يؤدي تحريك المصعد لأسفل إلى زيادة الحدبة الفعالة عبر مستوى الذيل الأفقي، وبالتالي يؤدي ذلك إلى زيادة الرفع الديناميكي الهوائي في الجزء الخلفي من الطائرة، والتسبب في لحظة هبوط المقدمة حول مركز جاذبية الطائرة، وبدلا من ذلك فإنّ الحركة الصعودية للمصعد تحفز حركة المقدمة إلى الأعلى.

• في حالة الدفة يؤدي انحراف الدفة إلى جانب واحد إلى زيادة الرفع في الاتجاه المعاكس وبالتالي تدوير مقدمة الطائرة في اتجاه انحراف الدفة.

• في حالة الجنيحات يتم ضغط أحد الجانبين بينما يتم رفع الجانب الآخر لإنتاج زيادة في الرفع من جانب وتقليل الرفع من الجانب الآخر وبالتالي يتم تدوير الطائرة.

استخدام المصعد والدفة

في أوائل القرن العشرين حظيت فكرة استخدام المصعد والدفة للتحكم في الانحراف بتقدير رواد الطائرات، ومع ذلك كانت فكرة إدارة طائرة للتحكم في اتجاهها جديدة نسبيًا، وهذا هو أساسًا ما فهمه الأخوان رايت، وبالنظر إلى (Wright Flyer) من عام 1903م يمكن أن يظهر بوضوح مصعدًا أفقيًا في المقدمة ودفة رأسية في الخلف للتحكم في الانعراج والانحراف، ولكن كان الابتكار الكبير هو آلية التفاف الجناح التي تم استخدامها للتحكم في التدحرج الجانبي للطائرة، حيث يتم اليوم استخدام العديد من أنظمة التحكم الأخرى، ومنها:

• المصاعد، وهي الجنيحات والمصاعد مجتمعة.

• (Tailerons)، أي طائرتان ذيلان متحركان تفاضليًا.

• شرائح الحافة الأمامية ورفوف الحافة الخلفية، تكون في الغالب لزيادة الرفع عند الإقلاع والهبوط.

شروط الجنيح الخاصة للاستقرار والتحكم في الطائرات

أولاً: الانعراج الضار

عندما تنحرف الجنيحات واحد لأعلى والآخر لأسفل، فإنّ الجنيح المتجه لأسفل يؤدي إلى مزيد من السحب الديناميكي الهوائي أكثر من الجنيح المتجه لأعلى، وهذا السحب المستحث هو دالة على مقدار الرفع الناتج عن الجنيح، كما تؤدي الزيادة في الرفع إلى نشاط أكثر وضوحًا لفصل الدوامة، وبالتالي منطقة الضغط العالي خلف الجناح، والتي تعمل كقوة تثبيط صافية على الطائرة.

نظرًا لأنّ الجنيح المتجه لأسفل ينتج مزيدًا من الرفع، فإنّ السحب المستحث يكون أكبر بالمقابل، وهذا السحب المتزايد على الجنيح الهابط أي الجناح الصاعد ينحرف بالطائرة نحو هذا الجناح، والذي يجب أن يوازي الدفة، ويمكن لعلماء الديناميكيات الهوائية مواجهة تأثير الحركة المعاكس، من خلال اشتراط انحراف الجنيح الذي يشير إلى أسفل أقل من الانحراف الذي يشير إلى الأعلى.

بدلاً من ذلك يتم استخدام جنيحات فريز والتي تستخدم الجنيحات ذات الحواف الأمامية المستديرة بشكل مفرط لزيادة السحب على الجنيح المتجه لأعلى، وبالتالي المساعدة في مواجهة السحب المستحث على الجنيح المتجه لأسفل للجناح الآخر، كما تكمن مشكلة جنيحات فريز في أنّها يمكن أن تؤدي إلى اهتزازات رفرفة خطيرة، وبالتالي يفضل استخدام الجنيح التفاضلية.

ثانياً: انعكاس الجنيح

• بسرعات منخفضة للغاية مع زوايا هجوم عالية وعلى سبيل المثال أثناء الإقلاع أو الهبوط يمكن للانحراف الهبوطي للجنيح أن يوقف الجناح، أو على الأقل يقلل من الرفع عبر الجناح عن طريق زيادة زاوية الهجوم الفعالة بعد المستويات المستدامة أي فصل الطبقة الحدودية، حيث أنه في هذه الحالة ينتج الجنيح الهابط عكس التأثير المقصود.

• عند السرعات الجوية العالية جدًا قد ينتج عن انحراف الجنيح لأعلى أو لأسفل لحظات التوائية كبيرة حول الجناح بحيث يلتف الجناح بأكمله، على سبيل المثال سوف يقوم الجنيح الهابط بتدوير الحافة الخلفية للأعلى والحافة الأمامية لأسفل، وبالتالي تقليل زاوية الهجوم والرفع فوق هذا الجناح بدلاً من زيادته، وفي هذه الحالة يحتاج المصمم الإنشائي إلى التأكد من أنّ الصلابة الالتوائية للجناح كافية لتقليل الانحرافات تحت الأحمال الالتوائية أو أنّ السرعة التي يحدث بها هذا التأثير خارج غلاف تصميم الطائرة.