وتشمل أجنحة الطائرات الحديثة مجموعة متنوعة من الأجهزة الرائدة لتعزيز الأداء الأيرودينامي خلال مراحل الطيران الحرجة، وهذه الأسطح القابلة للانتشار مثل السلاطات، والزبابات الرئيسية، والأجنحة المتطاولة في كروز، لزيادة رفعها بدرجة كبيرة في السرعة المنخفضة، مع الحفاظ على مستويات مقبولة من الجر أثناء الرحلة البحرية، وتؤثر الهندسة الدقيقة لهذه الأجهزة تأثيرا مباشرا على مسافات الإقلاع والهبوط، وعلى سلامة الوقود عموما.

Aerodynamic Principles of Leading-Edge Devices

ولفهم أثر الأجهزة الرئيسية، يجب أولا أن يستوعب المرء الديناميكا الهوائية الأساسية للجناح، وقد ينتج الرفع عن الفرق في الضغط بين السطحين الأعلى والأدنى، الذي يعتمد على كشك الجناح )الغطاء(، وزاوية الهجوم، وحالة طبقة الحدود، وقد يكون الكمبر الطبيعي للأجنحة غير كاف، بالإضافة إلى ذلك، لإنتاج الرفع المطلوب من أجل التصريف الآمن والهبوط.

وتواجه أجهزة الدفع هذه القيود بتعديل قياسات الجينة والسيطرة على طبقة الحدود، وعندما يتم نشرها، فإنها تزيد من الكمبر الفعال، وتزيد من أقصى زاوية للهجوم على الجناح قبل التوقف، وغالبا ما تعيد تنشيط طبقة الحدود بتسريع تدفقها عبر فتحة، ويتيح هذا التشكيل الملوَّث، المشترك في الصفائح، ارتفاع درجة الحرارة [الثابتة] من الارتفاع إلى أعلى مستوى للسطح.

أنواع الأجهزة الرائدة

وقد وضع المهندسون عدة تشكيلات متميزة من الطراز الأول، لكل منها آلية فريدة وخصائص أداء، ويعتمد الاختيار على نوع الطائرة، وعلى بيئة التشغيل، والتوازن المرغوب بين الرفع، والجرعة، والتعقيد، والوزن.

Slats

فالأصفاد هي أكثر أجهزة الدفع الرئيسية شيوعا على الطائرات النفاثة التجارية والعديد من الطائرات النفاثة التجارية، وهي تمتد إلى الأمام وتهبط من الطرف الرائد للجناح، وتخلق فترة زمنية بين القبطان والجناح الرئيسي، وتبث هذه الطوابق ذات الضغط العالي من تحت الجناح إلى السطح العلوي، وتعجل طبقة الحدود وتمنع فصل التدفق في زوايا العليا للهجوم.

وتوفر الصفائح تحسينا ممتازا في مجال رفع المركبات وحماية المماطلة، غير أنها تزيد من حجم الجروح وتزيد من التعقيد والوزن الميكانيكيين، كما تولد الضوضاء، وهي مصدر قلق للمجتمعات المحلية في المطارات.

Leading-Edge Flaps

وتشبه المزلاجات التي تُرفع من الطرازات الرطبة بالصفوف، ولكنها تُنخفض عموما دون إحداث فتحة كبيرة، وهي تزيد من حجم الرواسب المضغية والفعالة، وتزيد من ارتفاع المحركات، وتشمل المتغيرات المزلاجات ذات المظلات الرئيسية، التي ترتعش عند الطرف الرئيسي، والثباتات التي تُخفض فيها الهوامش التي تُرفع من الضجيجات التجارية.

Krueger Flaps

وقد تم استخدام الكروغر في عمليات النقل السابقة للطائرات من سطح الجناح الأدنى، متجهة إلى الأمام والتنازل لزيادة الكامبر، حيث تم استخدامه على نطاق واسع في عمليات النقل الجوي السابقة مثل الطائرة بوينغ 727 و 737 من طراز كلاسيكي، ولا تنتج الطوافات الكرودية نفس الزيادة في الطفرة التي تُستخدم فيها الركازات السطحية، لأنها لا تخلق فتحة؛ بل تعتمد على الزيادة الميسرة في تذبذبذب.

أجهزة وتغييرات أخرى

وتستخدم بعض الطائرات حلولا أقل شيوعا:

  • Drooped leading edges] - a fixed or changing modification of the leading-edge contour, as on the Concorde’s droop nose (though for pilot visibility, not lift).
  • Leading-edge cuffs - a fixed alteration of the leading-edge shape to enhance low-speed performance, often seen on bush planes.
  • Morphing leading edges - an emerging technology that uses intelligence materials to continuously change curvature, eliminating gaps and hinges.

الآثار على الحرف

(ب) أجهزة الدفع الرئيسية تعمل أساساً على زيادة معامل رفع الحد الأقصى (]CL,max ]) ونطاق الرفع القابل للاستخدام، ويستفيد هذا التحسين مباشرة من الأداء في التصريف والهبوط، مما يتيح إطالة ميدانية أقصر، وسرعة أقل، وحجم الدفع المكثف.

تحسين معامل البيع

A clean wing without leading-edge devices might achieve a CL,max] of 1.2–1,6, depending on airfoil shape and Reynolds number. Deploying slats can raise this to 2.0–3.0 or more when combined with full trailing-edge

ولا تقتصر زيادة الرفع على مسألة كاميرا، بل إن ذروة خط الاستواء على الرصيف نفسه تولد الرفع، كما أن تدفق الهواء عالي الطاقة يعيد ضخ طبقة الحدود الرئيسية للجناح، ويحافظ على التدفق المرفق إلى زوايا هجومية أعلى، مما يؤخر بالفعل التوقف بمقدار ٥ إلى ١٠ درجات مقارنة بالتشكيل النظيف.

الأثر على الخصائص المميزة

كما أن الأجهزة التي تعمل على رفع مستوى المسافات تؤثر على سلوك المماطلة، كما أن النوافذ المصممة بعناية تكفل أن يبدأ المكوث في جذر الجناح بدلا من البقشيش، مع الحفاظ على فعالية الأيلرون، وتوفير الإنذار بالزبدة الطبيعية عن طريق القصف، وتتناقص سرعة توقف الطائرة، وتحسين هوامش الأمان أثناء النهج والذهاب.

الأداء المتعلق بالإزالة والهبوط

وأثناء عملية الإقلاع، تُحدَّد أجهزة التأشيرة عادة إلى عملية معتدلة (مثلاً، 20 درجة مئوية) لزيادة الرفع دون سحب مفرط، وتقصر هذه الطوابق الأرضية وتسمح بتدرج سحاب سطحي بعد التناوب، وبالنسبة للهبوط، فإن النشر الكامل (مثلاً، 30 درجة مئوية) يزيد إلى أقصى حد ممكن، مما يتيح سرعة عبء العمل وقصر مسافة الهبوط.

ويتمثل الأثر الصافي في انخفاض كبير في طول عمليات التصفية والهبوط في الميدان - حيث يقل بنسبة تتراوح بين 30 و 50 في المائة عما يتطلبه الجناح النظيف.

Effects on Drag

وفي حين أن الأجهزة الرائدة تعزز من رفعها، فإنها تزيد من جرها باستمرار، ويتوقف حجم وطبيعة عقوبة سحبها على نوع الجهاز وزاوية نزع السلاح وحال الطيران، وتشكل إدارة هذا الجر تحدياً رئيسياً أمام الديناميكيين الهوائيين.

Form Drag and Pressure Drag

وعندما ينشر جهاز من الطرازات الرئيسية، يتجه إلى المجرى الجوي، ويزيد من المنطقة الأمامية ويعطل القناة السلسة للجناح، ويخلق هذا السحب (السحب المضغوط) يتناسب مع حجم الجهاز وشكله، وتنتج النملات، مع حوافها الحادة والفجوات، جرا أكثر من كروزغر أو خلاطات بسيطة ذات ملامح عالية.

Induced Drag

ويعود السحب المستحث إلى نتيجة لتوليد الرفع، وهو ناشئ عن دوامة الجناح التي نشأت عن الفرق في الضغط بين السطحين الأعلى والأدنى، ولأن ارتفاع عدد أجهزة الاستنشاق، يزيد أيضاً من الجر المتعمد، وكل ذلك على قدم المساواة، غير أن ارتفاع ]C L,max يمكن أن يؤدي إلى حدوث هجوم مخفض.

Drag Polar and Optimal Scheduling

Atling phase-level and drag is captured by the drag polar (C]D] vs. CL[FL-FLT:6] For a given dragge detrimental devices, deploymenting

فعلى سبيل المثال، كثيرا ما يستخدم الطيران الحديث " السلالم فقط " للإقلاع )الرفع المتحرك، الجر المعتدل( والقطع الكاملة التي تنزل )الرفع الأقصى، الجرعة العالية( كما تستخدم بعض الطائرات أيضا قتيل " متسلق " يسحب جزئيا الأجهزة بعد الإقلاع للحد من الجر مع الحفاظ على الرفع في البداية.

اعتبارات التصميم والتجارة

ويتضمن إدماج أجهزة الدفع المسبق تحقيق التوازن بين المنافع الأيرودينامية من العوامل الهيكلية والوزن والصيانة والضوضاء والقيود المفروضة على التكاليف، وليس هناك حل واحد هو الأمثل لجميع الطائرات.

الترميم الأيرودينامي

(ب) أدوات التصميم الحديثة - خاصة ديناميات السوائل المحوسبة - مهندسون متدنيون من أجل تحقيق الشكل الأمثل للتصميمات والثبات، والمقياس الجغرافي، والجداول الزمنية للنشر، والهدف هو زيادة C[متغيرات الحدود ]L,max مع الحد الأدنى من السحب في جميع الدراسات.

التعقيد الهيكلي وال الوزن

وتحتاج أجهزة الدفع إلى مسارات ومحاضرات ومعارض ونظم للمراقبة، وتزيد هذه الأجهزة من وزنها مئات الكيلوجرام على طائرة كبيرة، وتشغل أجنحة داخلية يمكن أن تستخدم في غير ذلك للوقود أو النظم، كما أن الأغلفة والنكهة يجب أن تكون قوية هيكلياً لتحمل الحمولات الهوائية، وإضرابات الطائر، وتكاليف صيانة الجليد.

التوليد الضوئي

إن فجوات وثغرات النملة هي مصادر هامة لضوضاء الطائرات، وخاصة أثناء الاقتراب من المحركات التي تكون في محرك منخفض، ويخلق تفاعل التدفق الحرجي مع الجناح الرئيسي دوارات وضوضاء ذات نطاق واسع، وقد أصبح ذلك شاغلا بيئيا رئيسيا يؤدي إلى البحث في تصميمات أكثر هدوءا، وتشمل التقنيات حواف مقطورة مبطنة، وملفات ضوضاء من الكبريت، وسد الثغرات في المطارات صغيرة(37).

حماية الجليد

فالأجهزة التي تعمل على رفع مستوياتها هي أجهزة معرضة للضغط على الجليد، مما يمكن أن يخفض درجة رفعها ويزيد من جرها بشكل كبير، إذ أن نظم حماية الجليد - الأحذية المضغوطة، والتدفئة الحرارية الكهرومغناطيسية، أو نظم الهواء الطلق، تدمج في الرطوبة أو المزلاج، مما يزيد من التعقيد والوزن، وبالنسبة للطائرات التي تعمل في ظروف معروفة، فإن التصديق يتطلب أن تعمل الأجهزة بأمان حتى مع تراكم الجليد.

آليات السحب للكفاءة في الاستهلاك

وتجنبا لفرض عقوبات على الجراج في الرحلات البحرية، يجب أن تتراجع الأجهزة الرائدة مع الطرف الرائد للجناح، فإحداث سطح سلس خال من الثغرة أمر بالغ الأهمية، إذ يمكن أن تزيد الجراثيم أو الخطوات أو الحواف المضللة من جر السفن بنسبة ١-٣ في المائة، مما يؤثر مباشرة على حروق الوقود، وكثيرا ما تشمل مسارات ذات أداء رفيع المعارض التي تغلق الفتحة عند تقلصها.

وكثيرا ما يتجه الاختيار بين الصفائح وأجهزة الحفر إلى المبادلات بين الأداء الهوائي والبساطة الهيكلية، حيث أن الطائرات الصغيرة توفر أعلى CL,max وخصائص أفضل من حيث الوزن، ولكنها أكثر هدوءا وأكثر تعقيدا.

الابتكارات الحديثة والتوجيهات المستقبلية

وتهدف البحوث الجارية إلى تحسين أداء الأجهزة الرائدة مع الحد من العقوبات التي تفرضها، وتتعهد عدة تكنولوجيات ناشئة بإعادة تشكيل الجيل القادم من أجنحة الطائرات.

إدمان ورسوم مرفنغ

وبدلا من أن تفصل الأسطح المشرقة، تستخدم الحواف الأمامية المرنة الجلد والمصنوعات (مثلا، السبيكة الشكلية، والمواد الفائقة السرعة) لتغيير كواشف الجناح باستمرار، مما يزيل الثغرات ويقلل من الضوضاء ويرفع الشكل الجوي الأمثل لكل حالة طيران صغيرة.

أجهزة عالية الحياة بلا سلاسة

ويستكشف الباحثون مفاهيم عالية الجودة تتفادى جرّ وضوضاء النملات الملوّثة، ويستخدم أحد النهجين الطائرات الناشطة لمراقبة التدفق، التي تنفجر فوق الطرف الرئيسي لتأخير الفصل، ويحتاج استخدام آخر لمولدات دودة أو مركبات صغيرة لإعادة ضخ طبقة الحدود، بينما يمكن أن تزيد هذه المركبات C[FLT:]، و/مركبة]:

المواد المركبة والتصنيع

فالأرض المتطورة تتيح أن تكون الأجهزة الرئيسية أخف وأن تكون أكثر دقة، فعلى سبيل المثال، يستخدم جهاز إيربوس ألف 350 من البلاستيك المعزز المحتوي على كربونات محررة، وهو ما يمثل 20 في المائة أخف من مكافئات الألمنيوم، ويقضي على المصانع الجيولوجية المتطورة التي كانت تُستخدم في السابق، ويُمكن التصنيع الداخلي من الإضافة (3D).

الهياكل المتكاملة المتعددة الوظائف

وقد تدمج الطائرات المقبلة أجهزة الدفع الرئيسية مع وظائف أخرى: حماية الجليد المتأصلة في الجلد، وعناصر إزالة الحرارة الكهرومغناطيسية، وأجهزة الاستشعار لرصد الصحة الهيكلية، وحتى الهوائيات، مما يقلل من عدد الأجزاء ووزنها، وقد أظهر برنامج " سكاين " الثاني " التابع للاتحاد الأوروبي سلاسة متعددة الوظائف تجمع بين إزالة السمات، وخفض الضوضاء، وكمية مكيفة في وحدة واحدة.

خاتمة

ولا غنى عن أجهزة الدفع الرئيسية لجنحات الطائرات الحديثة، مما يوفر رفعا إضافيا مطلوبا للإقلاع والهبوط الآمنين، مع إدارة عقوبات سحب الطائرات من خلال التصميم الدقيق والجداول الزمنية، كما أن المزلاجات والثباتات الرئيسية والكرويغر تزدهر في كل منها، توفر مزايا ومبادلات متميزة من حيث تحسين المصعد، وزيادة الجر، والتعقيد، والوزن، والضوضاء، والصيانة.

ولا يزال فهم أثر الأجهزة الرائدة على الرفع والسحب يشكل حجر الزاوية في تصميم الطائرات، مما يؤثر مباشرة على الأداء التشغيلي، واقتصاد الوقود، والسلامة، وبما أن الطيران يسعى إلى تحقيق كفاءة أعلى وانخفاض الانبعاثات، فإن تطور هذه النظم العالية النقل سيؤدي دورا محوريا.