Table of Contents

إن الأجهزة التي تعمل على دفع الطوافات تمثل أحد أهم الابتكارات الهوائية في مجال الطيران الحديث، وهذه الأسطح الصغيرة والمهندسة للغاية والمرتبطة بمواجهة جناح الطائرات، تؤدي إلى تغيير كبير في سلوك التدفق، مما يؤدي إلى رفع أعلى بسرعة منخفضة، وإلى تأخير في المسافات، وإلى الحد من السحب العام، وفي حين أن المحركات التجارية والمقاتلات العسكرية، بل وحتى الطائرات العامة، فإنها كثيرا ما تؤدي إلى سوء فهم المواد الفيزيائية الأساسية والمقاوات.

ما هي أجهزة التخدير؟

إن الأجهزة التي تعمل بالعجلات هي أسطح ذاتية جوية تقع على الجزء الأمامي من جناح الطائرات، وهي عادة ما تكون أمام هيكل الجناح الرئيسي، والغرض الأساسي منها هو تعديل التدفق الجوي فوق الجناح عند زوايا الهجوم المرتفعة أو خلال نظم الطيران المنخفضة السرعة مثل الإقلاع والهبوط، ومن خلال التلاعب بخصائص توزيع الضغط وخصائص طبقات الحدود، تتيح هذه الأجهزة للجناح أن يولد أنواعاً أكثر وضوحاً دون أن يُفرض عليها عقوبات فورية.

وفي الطائرات التجارية الحديثة، كثيرا ما يتم نشر أجهزة الدفع الرئيسية عند الطلب - ممتدة خلال المراحل المنخفضة السرعة والمنخفضة أثناء الرحلة البحرية للحفاظ على جناح نظيف منخفض السحب، كما أن أسرة بوينغ ٧٣٧، وهوربوس أ٣٢٠، والعديد من الطائرات الإقليمية تتضمن نوعا من الأجهزة الرئيسية، كما أن الطائرات العسكرية، مثل الطائرة F-16 و F/A-18، تستخدم أيضا تمديدات أو وسائل متحركة رائدة.

المفاهيم الأيرودينامية الرئيسية

  • Boundary Layer:] The little layer adjacent to the wing surface where viscous forces dominate. A healthy boundary layer remains attached, producing lift; a separated boundary layer leads to stall.
  • Stall:] The abrupt loss of lift when the angle of attack exceeds the critical value, causing massive flow separation over the upper wing surface.
  • Camber:] The curvature of the wing airfoil. Increasing camboer typically increases lift but also increases drag at low speeds.
  • Vortex Generation:] Swirling flows created by edges or devices that can mix high-energy outer air into the low-energy boundary layer, delaying separation.

كيف تعمل الأجهزة الرائدة على تحسين الرفع

وفي جوهرها، يأتي تعزيز أجهزة الدفع المسبق من تأخير أو إزالة فصل التدفق الجوي على سطح الجناح الأعلى، وفي زوايا هجومية عالية - نموذجية أثناء التصفية والهبوط - يختبر الجناح درجة ضغط معاكسة تنحو إلى فصل طبقة الحدود، مما يتسبب في انخفاض حاد في المصعد.

وهناك ثلاث آليات رئيسية قائمة: إعادة دمج خط الحدود من خلال الثغرات التي تم تحديدها، وزيادة الكميبر عن طريق النكبات، وتوليد الدوافع، وكل آلية تُعنى بعناية بتحقيق أهداف محددة من حيث الأداء دون فرض عقوبات مفرطة على الجر.

1 - تأخير المشروع عن طريق السلاط

وقد تكون النملة ذات الطحالب الرئيسية هي أكثر الأجهزة استخداماً في تأخير المكسو، وعندما يتم نشرها، تخلق صفعة صغيرة بين نفسها والجثة الرئيسية، ويُجبر الهواء العالي الطاقة من السطح الأدنى للجنحة على تجاوز هذا الحد، ويتسارع فوق أعلى السلة ثم يمتد على الجناح الرئيسي، ويزيد هذا الهضبة من الارتفاع السريع(40).

كما أن النملة تغير الزاوية الفعلية للهجوم على قطاع الجناح، فهي، بتفككها، تغير معدل التدفق المحلي، مما يقلل من الزوايا الفعلية للهجوم الذي تعرضت له الطائرة الرئيسية، مما يؤخر بالفعل بداية التوقف إلى موقف أعلى من الأنف عموما، مما يعطي الطيار هامشا أكبر قبل حدوث كشك هوائي.

2 - زيادة عدد أفراد الكمبر عن طريق أجهزة إطفاء الرصاص

وبدلاً من إنشاء فتحة، فإن هذه الطوافات تمتد من أعلى درجة للجنحة، مما يزيد من فعالية مكنة الهواء، ويزيد من حجم الكمبيوتر المتواضع، ويعني المزيد من الكامبر أنه في زاوية هجومية معينة يمكن للجناح أن يولد معامل رفع أعلى، ولكن بدون مصعد متطور.

كما أن الزيادة في الكامبر تحول زاوية الهجوم التي لا ترتفع إلى أسفل، مما يعني أن الجناح ينتج رفاتاً في موقف أنفي أدنى - مفيد أثناء النهج الذي يريد فيه الطيار الحفاظ على مسار معين من السلالة دون السرعة المفرطة.

3- التوليد المهني للرفع

والمولدات الكهربائية تعمل بالفورتكس هي شاحنات صغيرة أو زعانف توضع على سطح الجناح، وغالبا ما تكون قريبة من الطرف الرئيسي، ولا تنتشر عادة، بل تظل ثابتة، ودورها هو خلق دوارات قوية تخلط بين تدفق الهواء العالي الارتفاع من خارج طبقة الحدود إلى المنطقة المنخفضة الحركة المتاخمة للجناح، وهذا الخلط يؤخر الفصل محليا، وفي حين أن المولدات الكهربائية للدوائر لا تتطلب زيادة كبيرة في الوزن الخفيف.

وبعض التصميمات المتقدمة، مثل تمديد ماكدونيل دوغلاس F/A-18، مما يخلق دوامة كبيرة تمسح الجناح بأكمله في زوايا هجومية عالية، مما يولد رفع دوقة - وهي ظاهرة تسمح للطائرة بتحقيق زوايا هجومية شديدة على الكلاب دون مماطلة.

خفض السحب من خلال الأجهزة الرائدة

وفي حين أن المهمة الرئيسية للأجهزة الرائدة هي تعزيز المركب، فإن تأثيرها على الجر يمكن أن يكون بنفس القدر من الأهمية، فالدراج هو صافي القوة الأيرودينامية التي تعارض حركة الطائرات، وهو يأتي بأشكال عدة: جر الطفيليات (احتكاك الجلد وسحبه) والسحب المستحث (بسبب جيل المصعد) والسحب الموجي (بسرعات عالية) ويمكن أن تؤدي الأجهزة التي تعمل على الحد من أنواع معينة من الجر، ولا سيما عندما تكون قد زادت إلى أقصى حد.

1 - مراقبة تدفق النفايات المخفضة

ومن خلال منع الفصل بين طبقة الحدود على الجناح، فإن النوافذ الرئيسية تبقي تدفق الهواء على جزء أكبر من سطح الجناح، ويقل تدفق التدفق الموصل إلى شكله عن التدفق المنفصل، مما يخلق إيقاظاً كبيراً منخفضاً من الضغط، وعلى سبيل المثال، قد يواجه جناح بدون سلاطات كتلة جزئية على اللوحات الخارجية، مما يؤدي إلى حدوث جر كبير.

وعلاوة على ذلك، فإن الفتحة نفسها، وإن كانت تخلق بعض جر الاحتكاك، تتيح تحقيق معامل رفع أعلى دون اللجوء إلى منطقة جناح أكبر أو كامبو متطرف، مما يمكن أن يقلل من عقوبة سحب الركوب الإجمالية للمنقولة المطلوبة.

2 - إدارة الفوتكس لخفض الدراغ المحفز

كما أن السحب المحفز هو ناتج ثانوي لجيل الرفع، لا سيما بالسرعة المنخفضة، وهو متناسب على نحو غير مع مربع الجناح، غير أن دواليب الجناح - التي هي مصدر جر مستحث - يمكن التلاعب بها باستخدام أجهزة الدفع المتحرك، ويمكن أن تكسر المولدات الكهربائية التي تعمل على خط الرفع، وتتحول إلى محركات أقل حجما، وتخفض قليلا من حجم التدفق.

وتجدر الإشارة إلى أن مولدات الدوافع ليست رصاصة فضية؛ فهي تضيف نوعا ما من السحب، غير أن أثرها الصافي على الجر عموما هو أثر إيجابي عادة في نظم الطيران التي تكون فيها الحاجة إليها أشد، مثل أثناء عمليات النقل المرتفع أو في زوايا الهجوم المرتفعة.

3 - النشر الأمثل للتقليل من حوادث درج سبايك

وكثيرا ما يتم نشر أجهزة الدفع الأمامي بالتنسيق مع أجهزة التصفيق المتحركة، كما أن الجمع بين نظم رفع الارتفاع العالية التي تؤدي إلى ارتفاع كبير في المصعد، ويمكن أن تكون عقوبة السحب شديدة، كما أن المهندسين قد يتقنون الجدول الزمني للنشر - الزوايا وتسلسل الرفع من الرباطات والثبات - لتحقيق الرفع المطلوب بأقل قدر ممكن من السحب.

وتستخدم الطائرات الحديثة نظما آلية تضبط مواقع الأجهزة الرئيسية القائمة على سرعة الهواء، ووضع البطاقات، وغيرها من البارامترات، مما يضمن التقليل إلى أدنى حد من العقوبة الهوائية في كل مرحلة من مراحل الطيران.

آليات مفصلة لتعزيز الرفع

لنقدر التعقيدات، لنفحص كل آلية بشكل أعمق، بما في ذلك الفيزياء الحاكمة والاعتبارات العملية للتصميم.

Boundary Layer Control through Slot Flow

عندما يتم نشر سلة، فإن الفجوة بين القشرة والجنحة الرئيسية تخلق ممراً شبيهاً بالألم، وفرق الضغط بين السطح السفلي (الضغط العالي) والسطح الأعلى (الضغط المنخفض) يوصل الهواء عبر هذا المكان، وتظهر الطائرة بشكل عام على سطح الجناح الرئيسي، وتنجم عن ذلك ارتفاع السرعة آثارتان:

ويعد قياس الأرض الأمثل (الزاوية والشكل والزاوية) أمرا بالغ الأهمية، حيث أن الفجوة الكبيرة جدا تقلل سرعة الطائرة؛ وقلة الفجوة تتسبب في فقدان الضغط.

تغير كامبر وخط الهجوم الفعال

فالألواح أو الرخوات التي تهب في اتجاه الهبوط تزيد من فعالية كامبو الجناح، كما أن كامبر تزيد من معامل الرفع في أي زاوية معينة من الزوايا التي يتعرض لها الهجوم، لأنها تحول توزيع الضغط، وتخلق ذروة أعلى على السطح القريب من الطرف الرئيسي، وفي حين أن هذا مفيد للرفع المنخفض السرعة، فإنها تزيد أيضا من خطر توقف الطين عند ارتفاع الذروة.

فالعلاقة بين الكامبر والجر غير خطية، إذ أن زيادة الكميبر الصغيرة تدر زيادة صافية في الرفع مع زيادة طفيفة في الجر، ولكن الكامبر المفرط يمكن أن يسبب الانفصال عند حافة الدرب، وزيادة في سحب الشكل، وبالتالي فإن الأجهزة التي تعمل على رفع مستوى السيارات مصممة لتوفير ما يكفي من الكامبر للمصعد المطلوب دون أن تؤدي إلى الانفصال.

الحرف المستخرج من الإنترنت والمتحكم في الفصل

والمولدات الكهربائية ذات الدوافع الفروتكسية، والخطوط الرئيسية، بل وقطع الأكشاك البسيطة، تخلق دواماً تحفز طبقة الحدود، وقاعدة الدوافع هي منطقة ذات ضغط منخفض، يمكنها فعلاً أن تنتج رفعاً إضافياً إذا كانت تعمل على سطح الجناحين، وفي أجنحة دلتا وأجنحة مائلة جداً، فإن الدوافع الحديثة هي الآلية الرئيسية لتوليد الرفاتر عند زوايا عالية من الهجوم.

وفي الطائرات الفرعية ذات المسح المنخفض، تكون مولدات دودة دودة صغيرة وموضعية تماما قبل المناطق المعرضة للانفصال (مثلا، قبل الأيرونات أو قرب مقاطع الأجنحة)، وكثيرا ما تكون مزودة لإنتاج زوج دوامة مضاد للدمار يختلط بكفاءة دون أن يُحدث جرا كبيرا، ويجد تصميم المولدات الكهربائية ذات العجلات أن أفضل وسيلة عملية.

طرق خفض السحب في التجزئة

إن خفض السحب ليس الهدف الرئيسي من الأجهزة الرائدة، ولكنه ناتج ثانوي محمود عند تحقيقه، وهنا توجد أساليب محددة لخفض السحب المستخدمة:

التقليل إلى أدنى حد من السحب المُستحث عبر اللواد

فالسحب المستحث هو وظيفة توزيع المصعد المستحث، إذ إن التوزيع المثالي للهجاء يخفض إلى أدنى حد من الجر المسبب، ويمكن أن تؤثر أجهزة التفريغ الأمامية على هذا التوزيع، مثلا إذا تم نشر سلحفة على الجناح الخارجي أكثر من الداخل، فإن معامل الرفع المحلي يزيد من البقشيش، مما يؤدي إلى تحويل توزيع الرفع إلى الخارج، مما قد يزيد من الجر المقطعي بسبب قوة السحب.

تخفيض الدراجة الموازية من قبل المتدفق الملحق

The form drag of a wing is driven by the thickness of the boundary layer and the extent of separation. By keeping the boundary layer attached further aft on the wing, slats reduce the size of the separated wake, which directly reduces form drag. This is particularly important during high-lift operations, where a clean wing would otherwise have a large separated region. The reduction in form drag can offset the additional skin friction drag from the slat surfaces, leading to a net drag reduction at the required lift coefficient.

الموجة الدراجة في السرعة العالية

في السرعة عبر الأوعية، موجات الصدمة على الجناح، مما يسبب جر الموجات، ولا تنتشر أجهزة الدفع المتحركة عادة في الرحلات، لذا تسحب من الجناح للحفاظ على شكل هوائي نظيف، ولكن بعض الطائرات تستخدم "الطيور" أو كوابير متغيرة لتكييفها مع أرقام مختلفة من الآلات، مما يقلل من سرعة الموجات عن الحد الأمثل من توزيع الضغط.

التطبيقات العملية والنظر في العمليات

إن الأجهزة الرائدة ليست تكنولوجيا مصممة وسليمة، إذ يتم تحديد مواعيد نشرها بعناية من خلال مراحل الطيران، ويتم تدريب الطيارين على إدارتها، وهذه التطبيقات الرئيسية هي:

المقذوفات

وأثناء عملية الإقلاع، تحتاج الطائرة إلى رفع مرتفع ولكنها لا تحتاج إلى أقصى حد ممكن لأنها تتسارع، ومن الناحية المعتادة، يتم نشر قطعان في زاوية متوسطة (مثل 15 إلى 20 درجة)، وتوضع محركات العجلات المتتالية في موقع مناسب (مثل 10 إلى 20 درجة)، وتوفر هذه التشكيلة ما يكفي من النقل الجوي بسرعة آمنة، مع إبقاء الأداء منخفضا بما يكفي لزيادة سرعة سرعة السحب.

الهبوط

وعند الاقتراب، تحتاج الطائرة إلى أقصى رفع لتطير ببطء أكبر قدر ممكن (لخفض المسافة إلى الأرض وتحسين السيطرة) وتنشر السلاط بالكامل (حتى 30 درجة أو أكثر) وتصبح الطحالب في حالة انحطاط تام، وتُقبل عقوبة سحب الطائرة لأن الطائرة تستطيع أن تقترب بسرعة أقل، وتساعد السحب الإضافي على التحكم في مسارات الهبوط، كما أن الارتفاع العالي يقلل من طاقة المحرك المطلوبة، وينقذ الوقود على النهج.

الكرواز والكليمب

وأثناء التسلق والرحلة البحرية، تُسحب أجهزة الطراز الأمامي لتقليل الجر، وتُقلل أجنحة نظيفة سلسة إلى أدنى حد من الخسائر الناجمة عن جرّ الطائرات والصدمات، غير أن بعض الطائرات تستخدم كمية صغيرة من الدروود المتحركة لتحسين الأداء خارج نطاق التصميم، ولا سيما على ارتفاعات عالية حيث يكون عدد الماك مرتفعاً، وكان لطائرة بوينغ 747 بيزوباً فريداً في هذا الغرض.

المناورات ومنع المناورات

في الطيران، إذا زاد عدد سقوط الطائرات أو زوايا الهجوم، تقوم بعض الطائرات تلقائيا بنشر أجهزة ذات حافة عالية لمنع حدوث توقف، هذه الوظيفة "اللوتسلات" أو "الإمداد السلس" شائعة في العديد من الطائرات العامة وطائرات المسافرين، مما يؤدي إلى منع حدوث زيادة في المصعد، مما يعطي الطيار مزيدا من الوقت للتعافي.

التحديات وتجارة الأجهزة الرائدة

ورغم فوائدها، فإن الأجهزة الرائدة تواجه تحديات كبيرة في مجال التصميم والتشغيل.

التعقيد والارتقاء الميكانيكيين

فالأصفاد والرفوف الأمامية تتطلب مسرعاً، وتتبعاً، وربطاً، ونظاماً قوياً للمراقبة، مما يزيد من الوزن، مما يقلل من كفاءة الوقود، وبالنسبة لطائرة كبيرة، يمكن أن يزن نظام النقل العالي عدة آلاف كيلوغرامات، ويجب على المصممين أن يوازنوا بين الفوائد الأيرودينامية وعقوبة الوزن، وفي حالة الطائرات الصغيرة، كثيراً ما يفضل المولدات الثابتة للمنافع بسبب عدم تحركها.

التوليد الضوئي

إن الأجهزة الرئيسية المنشورة هي مصدر رئيسي لضوضاء الطائرات أثناء الهبوط، وتخلق الفجوة في الندبة طائرة ذات سرعة عالية تتفاعل مع الجناح الرئيسي، وتولد ضوضاء ذات نطاق واسع، وأحيانا عناصر داخلية، وهذا هو مصدر قلق بالنسبة للوائح الضوضاء في المطارات، وتستخدم التصميمات الحديثة الحواف المرتدة، أو الجلدات المفترسة، أو السياج المتدفقة للحد من الضجيج مع الحفاظ على الأداء الجوي.

زيادة السحب في كروز إذا لم يكن مسترجعا بشكل سليم

إذا فشل النسر في التراجع بشكل كامل، فإن زيادة الجر الناتج يمكن أن تؤثر تأثيراً شديداً على اقتصاد الوقود أو حتى تسبب مشاكل في التحكم، فالنظم الطاردة والصيانة الصارمة مطلوبة، وبعض الطائرات تستخدم "المروحيات" على الطرف الرئيسي لضمان التدفق أثناء الفشل، ولكن هذه نادرة.

التكلفة والصيانة

وتخضع الأجزاء المتحركة من أجهزة الدفع الرئيسية للارتداء والتآكل والتشويه، وهي تتطلب تفتيشا وتهوية منتظمين، أما بالنسبة للطائرات العسكرية، حيث تستخدم قطعان في المناورات العدوانية، فإن عبء الصيانة أعلى، ويجب أن تبرر تكلفة الملكية على حياة الطائرة المكاسب الهوائية.

الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا الرصاص والدخل

وما زالت البحوث الفضائية الجوية تدفع حدود ما يمكن أن تحققه الأجهزة الرائدة، فثمة اتجاهات واعدة عديدة آخذة في الظهور:

ورشات الدفن والهيكلات التكيفية

وبدلا من أن تكون العواصف والثباتات المفصَّلة، يمكن للأجنحة المقبلة أن تستخدم الجلدات والمحركات المرنة لتغيير الشكل باستمرار، مما سيتيح تغييرا سلسا في الكامبر دون ثغرات، ويقلل من الضوضاء ويسحب، وقد أثبت برنامج الرش الجوي النشط التابع للرابطة الوطنية لرابطة أمم جنوب شرق آسيا (الرابطة الدولية لرابطة جنوب شرق آسيا) ومشروع الاتحاد الأوروبي (SARISTU) جدوى إحياء الطرف.

الرقابة على تدفق المركبات

وبدلا من نقل الأسطح، يقوم بعض الباحثين باستكشاف الطائرات الاصطناعية أو الضرب المطّرد من الطرف الرئيسي للسيطرة على طبقة الحدود، ويمكن لهذه النظم أن تحل محل الرصفات بالكامل، مما يوفر تحسينا للرفع دون تعقيد آلي، ويتمثل التحدي في توفير تدفق وكهرباء كافيين للطائرات الكاملة الحجم.

مولدات الصوت المتقدمة

وقد أصبحت مولدات الدوافع المتناهية الصغر والمولدات الدوافع الفرعية للطلاب تعمل على زيادة انتشارها في الرحلات السياحية، بل إنها أصغر من المجموعات التقليدية للسفن ويمكن رسمها على السطح، كما أن البحث في أماكنها باستخدام الكم الأمثل من الديوكسينات المميتة للفلور يُنتج تصميمات تقلل من الشكلين وتُجرّب عن الحد الأدنى من العقوبة.

تعدد الوظائف

ويجري النظر في أجهزة الدفع الأمامية لأكثر من مجرد رفع، فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام الرذاذ كفتحات لدبابات الوقود، وحماية ضربات الطيور، أو كنقطة متصاعدة للهائيات، وتستخدم البوينغ 787 صفارات مع معالجة متكاملة لتخفيض الضوضاء، وقد تجمع التصميمات المستقبلية بين حماية البرق، ونظم إزالة الألغام، والتكامل الهيكلي المركب في جهاز الحد الأعلى نفسه.

خاتمة

إن الأجهزة الرائدة أكثر بكثير من مجرد إضافة إلى الجناح؛ فهي أدوات متطورة للطيران الهوائي تمكن الطائرات الحديثة من العمل عبر نطاق واسع من السرعة وزاوية للطعام يتسم بكفاءة ملحوظة، ومن خلال تأخير المماطلة وزيادة الكامبر وإدارة الفصل بين طبقة الحدود، والنظارات، والمولدات الكهربائية للدوائر، والارتفاع الكبير في سرعة الرفع عند الحاجة إلى أقصى حد، أثناء الخفض الأمثل للتدفق.

إن المفاضلات في الوزن والتعقيد والضوضاء حقيقية، ولكن البحوث الجارية في هياكل المورفين، ومراقبة التدفق النشط، والمولدات المتقدمة للدوائر تعد بالتغلب على هذه القيود، وبما أن تصميم الطائرات يشمل نظما أكثر كهرباء واستقلالا، فإن الطرف الرئيسي سيستمر في التطور، مما سيمكن من رفع عدد أكبر ويقلل من حجمه في سماء الغد.

لمزيد من القراءة، انظر نظرة ناسا العامة على الأجهزة عالية النقل، وثيقة بوينغ على 787 تصميم الأيرودينامي، وورقة AIAA "الإنصاف السلس باستخدام عجلات الصيد المُدرَبة."