یک هواپیما چگونه پرواز می‌کند؟

نیروهای وارد بر هواپیما در هنگام پرواز

چهار نیروی آیرودینامیکی وجود دارد که در هنگام پرواز به هواپیما اعمال می‌شوند و عبارتند از نیروی بالابرنده ( نیرویی که در جهت بالا اعمال می‌شود)، نیروی وزن ( نیرویی که در جهت پایین اعمال می‌شود)، نیروی پیشران یا جلو برنده ( نیرویی وارد به سمت جلو) و پسا یا مقاومت هوا (‌نیروی وارد به سمت عقب یا نیروی مقاومت هوا). هنگامی که یک هواپیما در حال پرواز است، این چهار نیرو دائماً در حال مقابله با یکدیگر هستند. نیروی وزن با نیروی بالابرنده و نیروی پیشران با نیروی پسا مقابله می‌کند. هنگامی که یک هواپیما در حال بلند شدن است، نیروهای پیشران و بالابرنده باید به اندازه ای باشند که بتوانند بر نیروهای وزن و پسا غلبه کنند. در سطح پرواز با یک سرعت ثابت، نیروی بالابرنده با نیروی وزن و نیروی پیشران با نیروی پسا دقیقاً برابرند. برای فرود، نیروی پیشران باید کاهش یابد و کمتر از نیروی پسا شود و نیروی بالابرنده نیز باید کاهش یابد تا کمتر از مقدار نیروی وزن شود.

چگونه یک هواپیما به پرواز درمی آید؟

نیروی بالابرنده نیرویی است که با نیروی گرانش مقابله می‌کند و هواپیما را در هوا نگه می‌دارد. بیشتر نیروی بالابرنده مورد نیاز یک هواپیما از طریق بال‌هایش به وجود می‌آید، اما بخش ویژه ای از آن هم توسط دیگر قسمت‌های هواپیما همچون بدنه هواپیما تولید می‌شود. اما واقعاً چه چیز باعث بالا رفتن هواپیما می‌شود؟

در ابتدا باید بدانیم که هوا همانند آب، سیال است و اینکه همه سیالات دارای اصول ریاضی و فیزیک یکسانی هستند. سپس اینکه، متوجه باشیم که بالا رفتن هنگامی رخ می‌دهد که جسم سیال در حرکت باشد. به عنوان مثال،  یک بال هواپیما باید از هوا عبور کند یا هوا باید در اطراف یک بال که ثابت است، حرکت کند. ( معمولاً بال بیشتر حرکت می‌کند ولی احتمالاً هوا هم به طور هم‌زمان در حال حرکت است.)

مقطع بال هواپیما

 بال بیشتر هواپیماها شکل اساسی و ویژه ای دارند و همان طور که می‌بینید، لبه دار هستند. بال‌ها در سطح بالایی خود دارای خمیدگی هستند و سطح پایینیشان صاف می‌باشد. این فرم بال‌ها باعث می‌شود که با استفاده از جریان سیال هوا، هواپیما بالا برود. هنگامی که هوا در اطراف بال‌ها جریان پیدا می‌کند، بخشی از آن به قسمت بالای بال و بخشی هم به قسمت پایین بال می‌رود. بخشی که به قسمت بالای بال که دارای خمیدگی است، می‌رود، دو تغییر ایجاد می‌کند: باعث کاهش فشار می‌شود ( با نیروی گریز از مرکز جریان هوا بر روی سطح دارای خمیدگی) و در جهت پایین افزایش می‌یابد ( درحالی‌که از لبه فرار هواپیما عبور می‌کند). هوای پرفشار در زیر بال، بال را به سطح بالای آن که فشار هوا کاهش یافته، هدایت می‌کند. همچنین شدت یافتن هوا در لبه فرار هواپیما نیز بال را به طرف بالا هدایت می‌کند.

از آنجایی که بالا رفتن هواپیما به جریان هوا بستگی دارد، وقتی که سرعت هوا افزایش یابد، بالا رفتن هواپیما هم افزایش می‌یابد. بالا رفتن هواپیما همچنین تا حدودی با توجه به زاویه ای که بال با جریان هوا می‌سازد، افزایش می‌یابد ( زاویه حمل نام دارد). با این حال با عبور از یک نقطه، افزایش زاویه حمل باعث می‌شود بال ناگهان قابلیت صعود خود را از دست بدهد یا دچار واماندگی شود.

سطوح کنترل و مانور دادن

یک هواپیما در هنگام پرواز، در سه محور چرخش حرکت می‌کند. محور طولی، محور عرضی و محور عمودی. این محورها خطوط فرضی هستند که به طور عمود بر یکدیگر به مرکز ثقل هواپیما وارد می‌شوند. چرخش در محور طولی (‌خطی که از دماغه به طرف دم هواپیما می‌رود) پیچش نامیده می‌شود. چرخش در محور عرضی ( خطی که از یک لبه یک بال تا لبه بال دیگر می‌رود) تکان و (‌خطی که از پایین به بالای هواپیما می‌رود) انحراف نامیده می‌شود. خلبان، هواپیما را به واسطه سطوح کنترل، پیچش، تکان و انحراف در محورهای خود، هدایت می‌کند. این سطوح کنترل عبارتند از قسمت متحرک بال هواپیما، سکان افقی و سکان عمودی.

سطوح مانورپذیری هواپیما

قسمت متحرک بال هواپیما

قسمت های متحرک موجود بر روی بال‌های هواپیما، دوران حول محور افقی را در محور عمودی کنترل می‌کند. این قسمت های متحرک با هم و به طور همزمان کار می‌کنند و به اهرم فرمان در کابین خلبان متصل شده‌اند. هنگامی که اهرم فرمان به چپ متمایل می‌شود، قسمت متحرک روی بال چپ بالا می‌رود و قسمت متحرک روی بال راست، پایین می‌رود. عکس همین عمل هنگامی که اهرم فرمان به راست متمایل می‌شود، اتفاق می‌افتد. اما چگونه دوران حول محور افقی را کنترل می‌کند؟

قسمت های متحرک بال به طور جزیی قابلیت بالابری بال‌ها را اصلاح می‌کند. هنگامی که یک قسمت متحرک پایین می‌رود، نیروی بالابرنده بر روی قسمت خارجی همان بال افزایش می‌یابد و باعث می‌شود آن بال کمی بالا رود. هنگامی که یک قسمت متحرک بالا می‌رود، نیروی بالابرنده بر روی قسمت خارجی همان بال کمی کاهش می‌یابد و باعث می‌شود آن بال کمی پایین بیاید. از آنجایی که قسمت های متحرک هواپیما با هم کار می‌کنند، عملکرد آن‌ها باعث می‌شود هواپیما حول محور افقی دوران داشته باشد.

سکان افقی

سکان‌های افقی در قسمت افقی دم هواپیما، تکان هواپیما در محور افقی را کنترل می‌کند. آن‌ها هم به اهرم فرمان در کابین خلبان متصل هستند. هنگامی که اهرم به عقب کشیده می‌شود، سکان‌های افقی به طرف بالا حرکت می‌کند و باعث می‌شود دم هواپیما به سمت پایین حرکت کند و دماغه هواپیما به سمت بالا رود. هنگامی که اهرم به جلو کشیده می‌شود، سکان‌های افقی به طرف پایین حرکت می‌کند و باعث می‌شود دم هواپیما به سمت بالا و دماغه به سمت پایین رود.

سکان‌های افقی هم همچون شهپر های روی بال عمل می‌کنند زیرا آن‌ها باعث ایجاد تغییر در نیروی بالابرنده که توسط دم هواپیما ایجاد می‌شود، می‌شوند. همچنین نیروی بالابرنده هم همچون شهپر های هواپیما به طور همزمان کار می‌کنند اما بر خلاف یکدیگر عمل نمی‌کنند. هنگامی که اهرم فرمان به عقب کشیده می‌شود، بالا می‌روند و هنگامی که اهرم فرمان به جلو کشیده می‌شود، پایین می‌روند.

سکان عمودی

سکان عمودی بر روی لبه عقبی شهپر عمودی بر روی دم هواپیما، تغییر جهت هواپیما را در محور عمودی کنترل می‌کنند. این سکان عمودی به پدال‌های مرتبط با پاهای خلبان متصل شده است. فشار دادن پدال سمت راست، باعث می‌شود سکان عمودی به سمت راست منحرف شود و در نتیجه دم هواپیما به چپ و دماغه به طرف راست حرکت می‌کنند. فشار دادن پدال سمت چپ باعث می‌شود سکان عمودی به سمت چپ منحرف شود و در نتیجه دم به سمت راست و دماغه به سمت چپ حرکت کنند.

با وجود اینکه پدال‌های سکان عمودی و صفحه کنترل در کابین خلبان به یکدیگر متصل نیستند، باید به طور هم‌زمان عمل کنند تا هواپیما را کنترل کنند. خلبان با حرکت‌های دقیق و با احتیاط پدال‌های سکان عمودی و صفحه کنترل و همچنین تنظیم نیروی پیشران هواپیما، آن را هدایت می‌کند.

چگونه یک هواپیما نیروی پیشران تولید می‌کند؟

پیشران نیرویی است که توسط یک منبع قدرت به وجود می‌آید که بر مقاومت هوای آیرودینامیک (‌مقاومت هواپیما در عبور از هوا) غلبه می‌کند و باعث می‌شود هواپیما به سمت جلو حرکت کند. این نیرو، با توجه به نوع منبع قدرت استفاده شده، قادر است هواپیما را به جلو بکشاند یا به پیش براند. این منبع قدرت شامل موتور‌های پیستونی با ملخ محرک و موتور جت می‌شود.

موتور‌های پیستونی با ملخ

یک موتور پیستونی، موتوری است با احتراق داخلی که پیستون‌ها در آن به جلو و عقب حرکت می‌کنند به واسطه یک میل لنگ حرکت چرخشی ایجاد می‌کند. ( این همان نوع موتور است که اکثر اتومبیل‌های سواری را به کار می‌اندازد. ترکیبی از بنزین و هوا، توسط پیستون متراکم می‌شود، یک جرقه الکتریکی باعث می‌شود که این ترکیب محترق شود و پیستون را به جهت پایین براند. این حرکت به میله‌های متصل به میل‌لنگ منتقل می‌شود. این میل‌لنگ دوار، ملخ هواپیما را می‌چرخاند.

ملخ، یک نوع جسم آیرودینامیکی ( شبیه به بال) است که هوا را به جریان درمی‌آورد و به آن شدت می‌دهد. هنگامی‌ که تیغه‌های ملخ به چرخش در می‌آیند، همانند عملکرد یک بال، نیروی بالابرنده تولید می‌کنند و به جای بال‌ها که در سطح عمودی دارای عملکرد هستند، در سطح افقی هواپیما عمل می‌کنند. از این ‌رو ملخ یک نیروی جلو برنده و عمود بر سطح دوران تولید می‌کند که همچون یک واکنش، هواپیما را به پیش می‌راند. ملخ‌ها همچنین قادرند در جایگاه خود در جلوی بال‌های هواپیما یا دماغه ، هواپیما‌ها را به جلو یا به عقب یا به هر دو سمت هدایت کنند.

موتور جت

یک موتور جت به هر نوع موتور گفته می‌شود که یک جریان سریع گاز یا مایع از خود خارج کند و در نتیجه در واکنش به نیروی خارج شده، نیروی پیشران حاصل شود. موتور یک هواپیمای جت از جو احتراق سوخت هواپیما، اکسیژن کسب می‌کند و در واکنش به خروج سریع تولیدات سوخت، نیروی پیشران بدست می‌آورد. انواع مختلف موتور جت وجود دارد که چند نوع از آن‌ها را در اینجا به اختصار شرح می‌دهیم.

توربوجت

موتور توربوجت، یک موتور جت است که یک شامل کمپرسور توربین دار است که هوا را به داخل می‌کشد و آن را برای احتراق سوخت، متراکم می‌کند. خروج گاز، توربین را به کار می‌اندازد و نیروی پیشران تولید می‌کند.

کمپرسور هوا را به داخل می‌کشد؛ ورودی سوخت؛ محفظه احتراق؛ تیغه‌های توربین که به وسیله‌ گاز‌های داغ به حرکت درآورده می‌شوند؛ گاز‌های خروجی که همه نیروی پیشران را تأمین می‌کنند؛ توربین کمپرسور را از طریق رانش محور، به حرکت درمی‌آورد؛ ترکیب سوخت و هوا مشتعل می‌شود؛ تیغه‌های چرخان، هوا را متراکم می‌کند.

توربوفن

یک موتور تر بو فن، یک موتور تر بو جت است که به واسطه توسعه بخشی از کمپرسور یا تیغه‌های توربین در خارج از پوشش موتور داخلی، نیروی پیشران مازاد دریافت می‌کند. این تیغه‌های وسیع شده، هوای کنار گذر در پیرامون مرکز موتور را بین پوشش‌های داخلی و خارجی موتور به پیش می‌راند. این هوا محترق نمی‌شود ولی از‌آن‌جایی که توسط تیغه‌ها متراکم می‌شوند، نیروی پیشران مازاد فراهم می‌آورد.

فن، هوا را به داخل می‌کشد؛ محور رانش خروجی؛ گاز‌های خروجی که نیروی پیشران مازاد فراهم می‌آورد؛ هوای کنار گذر که بخش اصلی نیروی پیشران را فراهم می‌آورد؛ توربین پرفشار، محور رانش خروجی را به چرخش درمی‌آورد و در نتیجه کمپرسور را به حرکت درمی‌آورد؛ ترکیب سوخت و هوا مشتعل می‌شود؛ محور رانش داخلی؛ ورودی سوخت؛ تیغه‌های چرخان، هوا را متراکم می‌کند؛ تیغه‌های فن

توربوپراپ

موتور تربوپراپ همان موتور تر بو جت است که در آن بخشی از انرژی گاز خروجی برای به کار انداختن یک ملخ به کار گرفته می‌شود. از این‌رو نیروی پیشران موتور به واسطه ترکیبی از نیروی پیشران ملخ و گازهای خروجی موتور، تولید می‌شود.

کمپرسور، هوا را به داخل می‌کشد؛ ورودی سوخت؛ محفظه احتراق؛ توربین سه مرحله ایی که توسط گاز‌های داغ به کار می‌افتد؛ گازهای خروجی، نیروی پیشران کمی فراهم می‌کنند؛ محور توربین، ملخ و کمپرسور را به کار می‌اندازد؛ تیغه‌های چرخان، هوا را متراکم می‌کنند؛ جعبه‌دنده کاهنده؛ ملخ می‌چرخد تا بخش اصلی نیروی پیشران را فراهم آورد.

رم جت

 یک موتور رم جت به دلیل اینکه هیچ بخش متحرکی ندارد، ساده‌ترین نوع از انواع موتور محسوب می‌شود. این موتور اساساً یک لوله با شکلی خاص است که از هر دو طرف باز است و هوای لازم برای سوخت با حرکت قسمت جلو موتور، متراکم می‌شود. سوخت در جریان هوا تزریق می‌شود و این ترکیب مشتعل می‌شود. هوای پرفشار که وارد محفظه احتراق می‌شود، از بازگشت به ورودی جلوگیری می‌کند.

موتورهای رم جت در یک شرایط ثابت قابل عملکرد نیستند. این موتورها برای عملکرد باید پیش از این با سرعت کمی بیش از صوت از هوا عبور کند. ( سرعت صوت در سطح دریا تقریباً بیش از ۷۴۰ مایل در ساعت است). به این معنی که هواپیمای دربردارنده موتور رم جت، باید ابتدا با استفاده از نیروهای جلو برنده دیگر سرعت مورد نیاز را به دست آورد، سپس موتور رم جت را روشن کند. آن‌ها قادرند تا بیش از پنج برابر سرعت صوت عمل کنند.

جت اسکرام

یک اسکرام جت یا  موتور ” رم جت با سوخت فرا صوتی” شبیه به موتور رم جت است اما طوری طراحی شده است که به خوبی بیش از پنج برابر سرعت صوت یا سرعت فرا صوتی دارای عملکرد است. هواپیماهای دارای اسکرام جت هم همچون هواپیماهای رم جت باید با استفاده از نیروهای جلو برنده دیگری به سرعت مورد نیاز برسد. اسکرام جت برخلاف رم جت‌ها که سرعت جریان هوا با سرعت مافوق صوت را قبل از احتراق در ورودی تا کمتر از سرعت صوت کاهش می‌دهند، جریان هوا با سرعت فرا صوتی را بدون کاهش، می‌سوزاند.