آیرودینامیک یا تئوری پرواز

آیرودینامیک کلمه‌ای یونانی است متشکل از ایرو به معنای "هوا" و داینامیک به معنای "در حال حرکت".
بدین خاطر به آیرودینامیک تئوری پرواز می‌گویند که تمامی پرندگان و وسایل پرنده برای پرواز از این اصل استفاده می‌کنند.
آیروداینامیک (AERO DYNAMIC) یعنی داشتن حداقل مقاومت هوای در حال حرکت.
هوا یا اتمسفر چیست؟
هوا یا اتمسفر یا جو زمین که تا شعاع 500 مایلی اطراف زمین را فرا گرفته است از ترکیب 78% گاز نیتروژن – 21% اکسیژن و 1% مابقی گازهای موجود در هوا می‌باشد.
اگر اتمسفر اطراف زمین را بصورت یک استوانه در نظر بگیریم مولکول‌های هوا در پایین به مراتب متراکم‌تر از هوای بالا هستند. هرچه بالاتر رویم از غلظت و تراکم مولکول‌های هوا کاسته می‌شود و فاصله‌اش از زمین بیشتر می‌شود.
عواملی که باعث تغییر غلظت مولکولی هوا می‌شوند : (تراکم مولکولی را کم می‌کنند)
1- دما : در یک ارتفاع ثابت هر چقدر مقدار دما را افزایش دهیم غلظت مولکولی هوا کم می‌شود.
2- رطوبت : در یک ارتفاع ثابت هرچه بخار آب به هوا اضافه کنیم غلظت مولکولی کم خواهد شد. یعنی رطوبت بیشتر تراکم مولکولی هوا را کم می‌کند.
توجه : هوا یا اتمسفر زمین خاصیت چسبندگی هم دارد. اگر دست خود را در هوا تکان دهیم حس می‌کنیم که هوا در بالا و پایین و تمام دست ما در حال جریان است و جدا نمی‌شود. این خاصیت هوا در پرواز خیلی کمک می‌کند چون این خاصیت هوا موجب می‌شود که غلظت آن تغییری نکند و مولکول‌های هوا از هم باز نشوند.
3- کاهش فشار هوا نیز از عواملی است که غلظت مولکولی هوا را کم می‌کند. یعنی در یک ارتفاع مشخص هرچه فشار هوا را کاهش دهیم غلظت مولکولی هوا کم می‌شود.
4- خاصیت مشترک هر دو عامل فشار هوا و دما
اگر هر دوی این عوامل پیش آید باعث کم‌شدن غلظت و تراکم مولکولی هوا می‌شود.
نکته : رطوبت که عامل کاهش غلظت مولکولی هواست فقط در پرواز هواپیماهای ملخ‌دار تاثیر می‌گذارد و غلظت مولکول‌ها را کم می‌کند چون هواپیمای ملخ‌دار موتور جت ندارند.
و در مورد خاصیت چسبندگی اینکه هرچه چسبندگی هوا بیشتر باشد غلظت مولکولی هوا نیز بیشتر است.
انواع هوا
1- هوای استاندارد: هوایی است که در محلی در کنار دریا در 40 درجه عرضی شمالی جغرافیا بدون رطوبت با درجه حرارت بعلاوه 15 درجه سانتیگراد و فشار 92/29 اینچ جیوه یا 76 سانتیمتر جیوه یا 7/14 پاوند بر اینچ مربع یا 1013 میلبار می‌باشد.
توضیح اینکه در حالت طبیعی همچنین هوایی وجود ندارد چون در کنار دریا رطوبت خیلی زیاد است.
92/29 اینچ جیوه = 76 سانتیمتر جیوه = 7/14 پاوند بر اینچ مربع = 1013 میلبارد
این فشار استاندارد بازاء هر یک هزار پایی که از سطح زمین دور می‌شویم 1 اینچ جیوه کاهش پیدا می‌کند. بعنوان مثال اگر در سطح دریا فشار 92/29 است در ارتفاع 4 هزار پایی فشار هوا 92/25 اینچ جیوه می‌شود.
تقریبا" تا ارتفاع 50 هزار پایی این مقادیر ثابت است. از 50 هزار پا به بالا بخاطر کاهش شدید غلظت مولکولی هوا دیگر این مقادیر و فرمول‌ها ثابت نبوده و تغییر می‌کند.
درجه حرارت هوا بازاء هر هزار پایی که از سطح زمین دور می‌شویم 2 درجه سانتیگراد کاهش پیدا کرده و خنک‌تر می‌شود. (البته در شرایط استاندارد)
گفتیم که هوا دارای خاصیت چسبندگی است یعنی هر چقدر هوا غلیظ‌تر باشد پرواز بهتر است.
هنگامی که هواپیما می‌خواهد بلند شود به یک طول باند مشخص با توجه به وزن خود نیاز دارد و هر چقدر غلظت مولکولی هوا کمتر شود نیاز به طول باند بیشتری می‌باشد.
تاریخچه آیرودینامیک
اساس آیرودینامیک براساس آزمایشی که بر روی لوله ونتوری (ventury) انجام شد، اصل ایرودینامیک بوجود آمد. ونتوری لوله‌ایست که قطر داخلی لوله در تمام طول سطح یکسان نیست. این آزمایشها توسط دانشمند ایتالیایی بنام برنولی انجام شد.
این دانشمند فشارسنج‌هایی را تعبیه کرد و در داخل لوله کار گذاشت. با دمیدن هوایی با یک سرعت ثابت بداخل لوله ونتوری مشاهده شد که هرچه قطر داخلی لوله کمتر باشد فشار ایستایی (STATIC) در آن نقطه کمتر است. و هرچه پرنده سرعت بیشتری داشته باشد فشار ایستایی در آن منطقه کاهش پیدا می‌کند. (اصل ایرودینامیک)
استاتیک فشار ایستایی هوا را اندازه‌گیری می‌کند. هرچه سرعت هوا بیشتر باشد فشار ایستایی کمتر و هرچه فشار هوا کمتر فشار ایستایی بیشتر است.
در پرواز هواپیماها اصطلاحی به نام باد نسبی (Relative Wind) وجود دارد. هواپیما در داخل هوا حرکت می‌کند این حرکت حرکت نسبی است. هوایی که از روی سطوح فرامین پروازی هواپیما عبور می‌کند باد نسبی است و سرعت هواپیما هم سرعت نسبی است زیرا هواپیما نسبت به باد سرعت پیدا می‌کند.
در داخل هواپیما لوله‌ای بنام پیتواستاتیک (Pitot Static) وجود دارد. محل آن در دماغ هواپیماست جایی که اولین برخورد باد با هواپیما با آن است . کار آن اندازه‌گیری فشار هوای در حال حرکت است.
پیتوت دینامیک (Pitot Dynamic) فشار هوای در حال حرکت را اندازه‌گیری می‌کند.
پیتوت استاتیک (Pitot Static) فشار ایستایی هوا را اندازه‌گیری می‌کند.

برخی از نشان‌دهنده‌های هواپیما که با این دو سیستم کار می‌کنند :
1- ارتفاع‌سنج Atimiter Indicator
2- سرعت‌سنج Air Speed Indicator
3- سرعت‌سنج عمودی Vertical Speed Indicator
تنها نشان‌دهنده‌ای که با هر دو سیستم پیتوت دینامیک و پیتوت استاتیک کار می‌کند سرعت‌سنج هواپیما (Air Speed) می‌باشد.
دو نشان‌دهنده دیگر فقط فشار ایستایی (Static) را نشان می‌دهند.
طرز کار نشان‌دهنده‌ها
1- ارتفاع‌سنج : ارتفاع‌سنج هواپیما از فشار استاتیک استفاده می‌کند. این نشان‌دهنده بشکل محفظه مانندی است که داخل آن یک دیافراگم است. به این دیافراگم، لوله استاتیک متصل است.
فرض می‌کنیم در شرایط هوای استاندارد هستیم. در سطح دریا که حداکثر تراکم و غلظت مولکولی هوا قرار دارد دیافراگم در حداکثر باز بودن خود قرار دارد. ارتفاع در سطح دریا صفر است. وقتی به‌تدریج سیال اوج می‌گیرد و بالا می‌رود فشار استاتیک هوا کم شده و هوای داخل دیافراگم کم و تخلیه می‌شود بندریج و دیافراگم بسته‌تر می‌شود. هرچه ارتفاع بالا رود فشار هوا کم می‌شود و کلا" سیال دوست دارد که از یک هوای پرفشار بداخل هوای کم فشار رود.
اصل کار ارتفاع‌سنج هواپیما اندازه‌گیری فشار ساکن هوای اطراف هواپیما می‌باشد.
2- سرعت‌سنج : همانطور که گفتیم سرعت‌سنج با هر دو سیستم استاتیک و دینامیک کار می‌کند. در واقع هم فشار دینامیک و هم فشار استاتیک در نشان‌دادن سرعت موثر می‌باشند.
هرچه نیروی رانش بیشتر شود فشار وارده بر سر لوله پیتوت که در دماغ هواپیما قرار دارد بیشتر شده و در یک سطح معین اختلاف فشار دینامیک و استاتیک بیشتر شده روی نشان‌دهنده عددی را نشان می‌دهد که آن سرعت هواپیماست هرچه اختلاف فشار دینامیک و استاتیک بیشتر باشد سرعت هواپیما بیشتر می‌شود.
3- سرعت‌سنج عمودی : این نشان‌دهنده مانند بقیه نشان‌دهنده‌ها با فشار استاتیک کار می‌کند (محفظه‌ای است و در داخل آن محفظه دیافراگم قرار دارد که لوله استاتیک به آن وصل است.)
اساس کار سرعت‌سنج عمودی براساس فشار استاتیک می‌باشد. بدین شکل که لوله‌ای که از فشارسنج استاتیک هواپیما گرفته می‌شود بداخل محفظه سرعت‌سنج عمودی متصل است. در خود دیافراگم سوراخی تعبیه شده است. در حالت اوج‌گیری بعلت کاهش فشار استاتیک دیافراگم باز شده و در روی نشان‌دهنده صعود هواپیما را به نرخ پا در دقیقه نشان می‌دهد. و بالعکس.
سرعتهای هواپیما
1- سرعت نشان‌دهنده Indicator Air Speed : سرعتی است که ما روی نشان‌دهنده می‌بینیم.
2- سرعت واقعی هواپیما True Air Speed : و درجه حرارت روی این سرعت اثر می‌گذارد . هرچه غلظت مولکولی ما پایین‌تر باشد و درجه حرارت افزایش پیدا کند سرعت واقعی هواپیما افزایش پیدا می‌کند. در هوای دارای غلظت مولکولی کم و در دو ارتفاع با یک سرعت ثابت سرعت واقعی بیشتری داریم.
3- سرعت زمینی هواپیما Round Speed : سرعتی است که سایه هواپیما بر روی زمین سیر می‌کند. مقدار باد موجود در ارتفاع بر روی این سرعت تاثیر بسزایی دارد در واقع این باد است که اثر مستقیم بر سرعت زمینی دارد.
وقتی هواپیما در حال پرواز است محاسبه سرعت هواپیما تماما" براساس سرعت زمینی است.
نیروهای وارده بر هواپیما
عملا" چهار نیرو بر هواپیما وارد می‌شود :
1- نیروی رانش Thrust
2- نیروی مقاومت (پسا) Drag
3- نیروی برا Lift
4- نیروی وزن (جاذبه) Gravity

1- نیروی رانش نیرویی است که در جهت حرکت هواپیما و توسط موتور هواپیما تولید می‌شود.
2- نیروی مقاومت (پسا) در جهت خلاف حرکت هواپیما ایجاد می‌شود و نتیجه حرکت هواپیما در داخل سیال است.
3- نیروی برا در جهت بالا بردن هواپیما بکار رفته و نتیجه حرکت بال هواپیما درون سیال است.
4- نیروی وزن یا جاذبه برخلاف جهت نیروی برا بوده و نتیجه اثر جاذبه زمین بر روی هر شیئی است.
نیروی رانش نسبت مستقیمی با نیروی مقاومت (پسا) دارد هرچه نیروی رانش و سرعت بیشتری داشته باشیم نیروی مقاومت بیشتری خواهیم داشت. نیروی رانش با بیشتر گاز دادن بیشتر می‌شود.
برای بوجود آوردن نیروی برا لازم است که سطوح پروازی طوری طراحی شود که ضمن داشتن حداقل مقاومت در مقابل جریان هوا نیروی برای کافی جهت بلند شدن از سطح زمین را نیز داشته باشد. بدین منظور Air Foil (بال هواپیما) طراحی شد که سطح بالایی آن بیشتر از سطح زیرین آن می‌باشد. با توجه به این طراحی و خواص چسبندگی سیالات ، باد نسبی که در لبه حمله A/F شکافته می‌شود باد نسبی روی A/F سرعت بیشتری نسبت به سطح زیرین آن دارد و با توجه به قانون برنولی (فشار کمتر سرعت بیشتر) از این رابطه نیروی برا تشکیل می‌شود.
90 درصد از نیروی برای بوجود آمده ، از فشار کم سطح روی A/F می‌باشد.
یکی از راههای افزایش نیروی برا افزایش نیروی زاویه حمله می‌باشد. در این حالت جهت برخورد باد نسبی به لبه حمله بال تغییر پیدا کرده و در واقع بادی که از روی A/F عبور کرده همچنان مسافت بیشتری را طی می‌کند در نتیجه سرعت بالاتر بر روی A/F و فشار استاتیک کمتر که نهایتا" Lift بیشتری به ما می‌دهد.
لبه حمله بال را نمی‌توان به مقدار نامحدود اضافه کرد زیرا در اثر افزایش بی‌اندازه زاویه لبه حمله باد نسبی که از روی A/F عبور کرده متلاطم می‌شود و دیگر آن خاصیت موردنظر افزایش برا را ندارد که اگر A/F‌ در این حالت بماند به نقطه واماندگی (Stall) نزدیک می‌شود.
نیروی مقاومت به دو دسته تقسیم می‌شود :
1- نیروی مقاومت بوجود آمده (Induce Drag) که در اثر حرکت هواپیما بوجود می‌آید.
2- نیروی مقاومت بوجود آمده در اثر اصطکاک با هواپیما (Skin Fraction Drag) این نیروی مقاومتی است که در اثر ناهمواریهایی که در روی بدنه و بال هواپیما - زاویه نصب بال - محل نصب پنجره و درب‌های هواپیما بوجود می‌آید.
عوامل تکان خوردن هواپیما
1- تاثیر دما روی سطوح مختلف : یکی از عواملی که باعث بالا و پائین رفتن هواپیما بطور ناگهانی در پرواز نزدیک به سطح زمین می‌شود اثر دما روی سطوح مختلف می‌باشد. معمولا" این تشعشعات حرارتی تا ارتفاع دو هزار پایی از سطح زمین محسوس است. از دو هزار پا به بالا معمولا" حس نمی‌شود.
2- دود حاصل از سوختن جنگل و دود حاصل از کارخانه‌ها و ...
چون این دودها نیروی بالارونده دارند و اگر به هواپیما برخورد کنند هواپیما را به ناگهان تکان می‌دهند.
3- حرکت کردن پشت هواپیمای سنگین‌تر از خود .
علت تکانهای هواپیما در ارتفاع بالا
1- تغییر ناگهانی سمت و جهت باد
2- عوامل جوی
3- منطقه پروازی

محورهای هواپیما (محورهای فرضی)
بطور کلی هواپیما حول 3 محور حرکت می کند :
1- محور طولی Longitudinal Axis
این محور خطی فرضی است که از نوک هواپیما به انتهای آن کشیده می‌شود. گردش حول محور طولی باعث می‌شود که هواپیما عمل گردش به چپ یا راست را انجام دهد. به این عمل ROLLمی‌گویند.
2- محور عرضی Horizontal Axis
این محور خطی فرضی است که از نوک یکبال به نوک بال دیگر آن وصل می‌شود. گردش حول محور عرضی هواپیما باعث خواهد شد هواپیما بالا و پایین برود. به این عمل PITCH می‌گویند. (Pitch up/down)
3- محور عمودی Vertical Axis
این محور خطی فرضی است که از مرکز ثقل هواپیما (Center of Gravity – C/G) می‌گذرد و دو نقطه دیگر را در یک نقطه قطع می‌کند. حرکت حول محور عمودی سبب می‌شود هواپیما بطور افقی گرایش به چپ یا راست داشته باشد. به این عمل YAW (گرایش) گفته می‌شود.
گرایش یا سر خوردن به سمتی را YAW‌گویند. در حالت yaw فقط دماغ هواپیما به سمت چپ و یا راست تغییر می‌کند و محور عمودی ثابت است.
مرکز ثقل هواپیما نقطه‌ایست فرضی بر روی محور طولی هواپیما که تمامی وزن هواپیما در آن متمرکز است و نقطه تعادل نیز نامیده می‌شود.
سطوح فرامین پروازی
بطور کلی سطوح فرامین پروازی به دو دسته تقسیم می‌شوند :
1- سطوح فرامین پروازی اولیه Primary Flight Control
2- سطوح فرامین پروازی ثانویه Secondary Flight Control

* سطوح فرامین پروازی اولیه عبارتند از سطوحی که باعث پرواز هواپیما حول سه محور خود می‌شوند :
الف) شهپرها Ailerons
ب) سکان افقی Elevator
ج) سکان عمودی Rudder‌ ( دو نوع است : ثابت ، متحرک )
د) ثبات‌دهنده‌ها Stabilizer

شهپرها : زائده‌هایی هستند در دو سر بال ( قسمت پشت دو سر بال ) که بطور عکس نسبت به یکدیگر حرکت کرده و باعث گردش هواپیما حول محور طولی می‌گردد. نوع و طرز کار شهپرها در هر هواپیما فرق می‌کند و تنها هواپیمای بوئینگ 707 است که بصورت کابلی باقی مانده است. در بوئینگ 727 و 747 در هر بال دو شهپر وجود دارد آنکه در نوک بال است برای سرعت‌های پایین و دیگری برای سرعت‌های بالا استفاده می‌شود.
سکان افقی : زائده‌هایی در انتهای بالچه عقب هواپیماست که باعث می‌شود هواپیما حول محور عرضی حرکت کند. سکان افقی برخلاف شهپرها هر دو در جهت هم حرکت می‌کنند.
به هنگام Take off و Landing مورد استفاده قرار گرفته و باعث می‌شوند عقب هواپیما سنگین‌ شده و نوک هواپیما بالا بیاید.
سکان عمودی متحرک : زائده‌هایی در قسمت انتهایی سکان عمودی ثابت می‌باشد که باعث می‌شود هواپیما حول محور عمودی حرکت کند. Rudder‌ فقط حول محور عمودی حرکت می‌کند.
ثبات‌دهنده‌ها : A/F است که در قسمت انتهایی هواپیما قرار داشته و مرتبط با سکان افقی هواپیما بوده و هواپیما را حول محور عرضی کنترل می‌کند و همچنین کمک‌دهنده سکان افقی می‌باشند.
* سطوح فرامین ثانویه سطوحی هستند که در پیشبرد بهتر کنترل پروازی کمک می‌کنند که عبارتند از :
الف) فلپ‌ها Flap
ب) Speed Brake یا Lift Pumper
ج) Slat یا Leading Edge Flap Ano

فلپ‌ها Flap : زائده‌هایی هستند در قسمت پشت بال که جهت افزایش سطح ایرودینامیکی بال و در نتیجه افزایش نیروی برا در یک سرعت مشخص می‌باشد.
فلپ‌ها بالا و پایین نمی‌شوند بلکه بصورت کشوئی داخل بال شده و خارج می‌شوند. هنگامی که هواپیما روی باند نشست فلپ‌ها بیرون‌ آورده شده و باعث کاهش سرعت می‌شوند.
Speed Brake‌ یا Lift Pumper‌ : عموما" برای کاهش سرعت هواپیما چه در هوا و چه در روی زمین بکار گرفته می‌شوند متشکل از زائده‌هایی نصب شده بر روی بال یا دم هواپیما می‌باشند. speed brake بر روی دم هواپیماست و lift pumper‌ بر روی بال هواپیماست که موقع فرود باز شده و مقداری از سرعت هواپیما را می‌کاهد.
Slat یا Leading Edge Flap Ano : زائده‌هایی هستند که در لبه حمله بال قرار دارند که آنها هم جهت افزایش سطح ایرودینامیک و در نتیجه افزایش برا مورد استفاده قرار می‌گیرند. معمولا" هواپیماهای سنگین دارای آن می‌باشند. شماره‌گذاری یا درجه‌بندی نداشته و هنگام بلند شدن و فرود آمدن فقط مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ملخ هواپیما
نیروی رانش ایجاد می‌کند نیروی Lift مثبت به سمت جلو را ایجاد می‌کند. وقتی که ملخ می‌چرخد هوا را می‌شکافد و هوا از روی A/F عبور کرده و نیروی Lift‌ ایجاد کرده و هواپیما را به جلو می‌برد.