هواپیماها چگونه هدایت می شوند

[mehraboOon]

هواپیماها چگونه هدایت می شوند

آشنایی با سیستم های ناوبری هواپیما (1)


انسان از روزهائی که شروع به سفر کرد از ابزارهائی جهت ناوبری استفاده می کرده تا راه خود را پیدا کند، اولین ابزار وی از نوع طبیعی بود مانند خورشید، ماه، ستاره ها، کوه ها، دریاچه ها و حتی درخت ها. او با توجه به این نشانه ها راه خود را پیدا کرده به مقصد می رسید.
رفته رفته یاد گرفت که می تواند ابزارهائی نیز برای خود بسازد و شاید اولین وسیله قطب نما بود که با استفاده از نیروی مغناطیسی زمین که خداوند در زمین قرار داد قادر است جهات چهار گانه را نشان دهد.
نیاز انسان به سفر و ملزومات آن باعث ساخته شدن سامانه های مختلف شد تا جائی که فضا نیز به تسخیر انسان درآمد، ماهواره های ناوبری همچون GPS آمریکائی و GLONASS روسی و در آینده ی نزدیک GALILEO اروپائی با استفاده از آخرین تکنولوژی روز به فضا پرتاب شدند تا انسان را در این مهم یاری دهند.
در این مقاله که معمولا یکی از قسمت های مورد توجه و وسیع در هواپیما محسوب می شود ابتدا سامانه های جهت یابی و سپس نشان دهنده ی وضعیت را توام انجام می دهند و بعد سامانه های جدیدتر که هردو کار جهت یابی و وضعیت را توام انجام می دهند و بعد سامانه هایی که با دریافت سیگنال از ایستگاه های زمینی کار می کنند و در انتها ناوبری جدید که به سیگنال های ماهواره بستگی دارند گفته خواهد شد.
جهت یابی


جهت‌یابی، یافتن جهت‌های جغرافیایی است. جهت‌یابی در بسیاری از موارد کاربرد دارد. برای نمونه وقتی در کوهستان، جنگل، دشت یا بیابان گم شده‌باشید، با دانستن جهت‌های جغرافیایی، می‌توانید به مکان مورد نظرتان برسید. یکی از استفاده‌های مسلمانان از جهت‌یابی، یافتن قبله برای نماز خواندن و ذبح حیوانات است. کوهنوردان، نظامیان، جنگل‌بانان و ... هم به دانستن روش‌های جهت‌یابی نیازمندند. هرچند امروزه با وسایلی مانند قطب‌نما یا جی‌پی‌اس می‌توان به راحتی و با دقت بسیار زیاد جهت جغرافیایی را مشخص کرد، در نبود ابزار، دانستن روش‌های دیگر جهت‌یابی مفید و کاراست.
ساده ترین وسیله ی جهت یابی قطب نمای مغناطیسی است که از خاصیت مغناطیسی زمین سود می جوید که هنوز با پیشرفت علوم و سامانه ها طبق قوانین سازمان های هوانوردی میبایستی بر روی هواپیما نصب باشد، قطب نمای جایروسکوپی-مغناطیسی هم علاوه بر جهت یابی به خاطر داشتن سنسور می توانند تغییرات بوجود آمده در جهت هواپیما را حس و اعلام کنند.

وضعیت هواپیما نسبت به افق



قرارگیری وضعیت هواپیما نسبت به افق نقشی حیاتی در حرکت و فرود هواپیما دارد زیرا هنگام نشستن اگر هواپیما وضعیت مناسبی نسبت افق نداشته باشد با خطر مواجه خواهد شد.
نشان دادن وضعیت هواپیما نسبت به افق در دو محور اصلی که به آن Attitude گفته می شود در این بخش مورد بررسی قرار می گیرد. Pitch چرخش حول محور عرضیست که توام با بالا یا پایین شدن دماغه می باشد(شکل 1 الف)، به چرخش حول محور طولی هواپیما که توام با بالا یا پایین شدن بال هواپیما می باشد نیز رول گفته می شود(شکل 1 ب).
مقدار این چرخش ها در نشان دهنده ای به نام ADI به نمایش در می آید که در جلوی خلبان و کمک خلبان نصب می شود.
برای نشان دادن وضعیت از چند روش می توان استفاده کرد که ساده ترین آن که هنوز هم مورد استفاده می باشد، جایروسکوپ است که ابتدا مورد بررسی قرار می گیرد. سامانه جدیدتر و کامل تر که علاوه بر وضعیت، جهت را نیز تشخیص و قادر به انجام ناوبری نیز می باشد که از جایروسکوپ های لیزری و شتاب سنج های بسیار دقیق سود می جوید. هر جایروسکوپ پس از گردش چرخ آن و رسیدن به سرعت مورد نظر که حدود 24 هزار دور در دقیقه در نوع الکتریکی آن است در مقابل تغییر محور گردش مقاومت می کند، از این خاصیت جهت نشان دادن وضعیت نشان داده می شود. جایرو مورد استفاده در نشاند دهنده وضعیت را جایرو عمودی گویند که محور گردش آن عمودی است.

محسن مرادی
بخش دانش و زندگی تبیان

منابع:
آشنایی با هواپیماها،ابر دهقان فردوس
سامانه های الکترونیک مهندس علمداری

integrated modular avonics by nick johanson, waterloo1999

science direct

[mehraboOon]

چگونگی راهنمایی هواپیما به سمت مقصد

آشنایی با سیستم های ناوبری هواپیما (2)



معرفی سامانه ناوبری IRS


IRS دارای یک دستگاه مرکزی به نام IRU است، داخل آن 3 شتاب سنج حساس قرار گرفته که هرکدام در جهت یکی از محورهای هواپیما نصب شده اند. 3 جایروسکوپ معمولا لیزی نیز به همان ترتیب نسبت به محورها قرار می گیرند، مدارات الکترونیکی هم داخل IRU وجود دارند. یک پنل کنترل در کابین خلبان قرار داده می شود که از طریق آن می توان سامانه را روشن/خاموش و از طریق صفحه کلید آن اطلاعات را وارد و یا اطلاعات بدست آمده را روی نمایشگر مشاهده نمود. پس از روشن کردن IRS ده دقیقه زمان لازم دارد که موقعیت خود را در کره زمین محاسبه نماید که در طول این زمان باید مشخصات محل فعلی به لحاظ طول و عرض جغرافیایی به آن داده شود که از طریق صفحه کلید امکان پذیر است. پس از 10 دقیقه در صورتی که مقدار داده شده و محاسبه شده یکسان باشد سامانه آماده ناوبری خواهد بود. IRS اطلاعات جهت و وضعیت به علاوه موقعیت لحظه به لحظه، سرعت و جهت باد و ... را محاسبه کرده و به دیگر سامانه های ناوبری ارسال می دارد و همانطور که گفته شد این اطلاعات در نمایشگر آن نیز قابل مشاهده است.
فرض کنید یک وزنه از دو طرف توسط دو فنر به بدنه بسته شده، در صورت تغییر سرعت که به آن شتاب گفته می شود یکی از فنرها فشرده و دیگری کشیده خواهد شد که مقدار حرکت وزنه در آن لحظه متناسب شتاب خواهد بود که اساس کار شتاب سنج ها است.
پس از اندازه گیری شتاب با استفاده از یک مدار الکترونیکی که انتگرال گیری می کند می توان سرعت را بدست آورد، انتگرال سرعت نیز برابر مسافت پیموده شده است، بدین ترتیب شتاب، سرعت و مسافت محاسبه گردیده از ترکیب این مقادیر با اطلاعات دیگری که از سامانه ها و حسگرها به IRU داده می شود اطلاعات متنوع دیگری می توان بدست آورد.
اساس کار جایروسکوپ ها که انواع مختلف دارند باهم متفاوت است، جایروهای اولیه با مکش هوا کار می کردند و سپس نوع الکتریکی آنها ساخته شد که موتور داشت و با سرعت 24 هزار دور چرخش می کردند. سپس انواع لیزری، لرزشی و فیبر نوری ساخته شدند. جایروسکوپ ها سرعت زاویه ای را اندازه می گیرند.
با استفاده از اطلاعات بدست آمده از جایروسکوپ ها و شتاب سنج ها و مدارات الکترونیکی می توان وضعیت قرار گیری در همان لحظه و ... را بدست آورد و جهت نمایش و استفاده به نشان دهنده ها، خلبان خودکار و دیگر قسمت ها داد.
عیب IRS این است که در مسافت های طولانی از دقت آن کاسته می شود که این خطاها با استفاده از اطلاعات دیگر سامانه های ناوبری همچون VOR و DME در FMS اصلاح گردیده و مجموعه کاملی از اطلاعات بدست می آید.
در صورت بروز خرابی به طوریکه سامانه قادر به ناوبری نباشد می توان به مانند جایروسکوپ معمولی از اطلاعات جهت و وضعیت آن استفاده کرد، در صورت خرابی کلی، سامانه دیگر قابل استفاده نخواهد بود.
مدارات مونیتور داخلی به طور دائم عملکرد شتاب سنج ها، جایروسکوپ و دیگر مدارات را تحت مراقبت دارند که به محض وجود مشکل آنرا با کد مشخص کننده عیب بر نمایشگر نشان می دهد.
جایروسکوپ (ژیروسکوپ) چیست؟


در این مقاله به جایروسکوپ اشاره شد اما برای اینکه بدانیم این وسیله واقعا چیست باید بدانیم: وقتی كه كسی دوچرخه‏سواری را یاد می‏گیرد، بدون آنكه خود متوجه باشد, از خاصیت ژیروسكوپ استفاده می‎‎‎كند. همین طور وقتی كه شما در بازی فوتبال، توپ را به گردش درمی‎‎‎آورید, باز این كار شما به ژیروسكوپ مربوط می‏شود.
در جهان دانش، ژیروسكوپ به منزله قلب است كه در بسیاری از دستگاه‏ها و ابزار نیرومند، كار گذاشته شده است. برای نمونه, به كمك آن حتی كشتی‏های غول‏پیكر و هواپیماها نیز به حركت درمی‎‎‎آیند با این همه، ژیروسكوپ به قدری ساده است كه دوچرخه و حتی فرفره و برخی دیگر از اسباب‏بازی‏های كودكان نیز بر اساس آن درست شده‏اند.
وقتی جسم گردانی (مانند توپ) را به حال خود رها كنیم، پیوسته در فضا، گِردِ محـور ثابتـی خواهد چرخید؛ یعنی آنكه شما می‎‎‎توانید یك خط موهوم را فرض كنید كه از مركز آن «جسم گردان» می‎‎‎گذرد, دایم در مسیر معینی به گردش خود ادامه می‎‎‎دهد. این حركت به خودی خود آن قدر ادامه می‎‎‎یابد تا لحظه‎‎‎ای كه چیزی از خارج بیاید و جلوی آن را بگیرد. برای نمونه، توپی را كه بر محور معینی می‎‎‎چرخد، بر همان محور ثابت می‎‎‎ماند. مگر آنكه بادی تند بوزد و یا ضربه‎‎‎ای بر آن وارد شود كه در این صورت به مسیر دیگری درخواهـد افتاد.

زمین مانند فرفره بسیار بزرگی است كه محور آن از قطب شمال به قطب جنوب امتداد یافته است. مسیر این محور همیشه، هم در شب و هم در روز و در طول همه ایام سال، و همه سال‎‎‎ها، به سوی ستاره قطبی است. محور ژیروسكوپ را «محور چرخش» می‎‎‎نامند. آیا می‏دانید وقتی كه بخواهید محور ژیروسكوپ را تغییر بدهید؛ یك چیز جالب در آن جا رخ خواهد داد؟
فرض كنید، محور چرخش افقی است. حالا فشاری بر نوك آن وارد آورید، می‎‎‎خواهید محور را به وضـع عمودی درآورید. اما ناگهان متوجه می‎‎‎شوید كه حركت آن هرگز طبق انتظار شما تغییر نمی‎‎‎یابد، بلكه نسبت به نیروی حاصل از فشار عمودی شما پیوسته در زاویه‎‎‎های قائمه‎‎‎ای به حركت خود ادامه می‎‎‎دهد. پس می‎‎‎بینیم كه محور، همچنان به طور افقی حركت می‎‎‎كند.
به همین دلیل است كه دوچرخه‎‎‎سوار وقتی حس می‎‎‎كند دارد به طرف راست می‎‎‎افتد چرخ را اندكی به همان طرف راست متمایل می‎‎‎گرداند. در این طرف صورت، چرخ متحرك دوچرخه بر بدنه آن، نیرویی به صورت زاویه قائمه، وارد می‎‎‎آورد. آنگاه به جای آنكه دوچرخه‎‎‎سوار به سمت راست فرو افتد, حركت خود را به پیش ادامه می‎‎‎دهد و در ضمن چرخ هم راست می‎‎‎شود.
با مهار كردن این نیروهاست كه دانشمندان توانسته‎‎‎اند به كمك «ژیروسكوپ» اژدرافكن و دستگاه‏های بمب‎‎‎افكن خودكار را به كار اندازند.
در هوای طوفانی، ژیروسكوپ تنها دستگاهی است كه هواپیما را به حالت ثابت نگه می‏دارد. پس ژیروسكوپ در هوانوردی نیز ارزش بسیار دارد. همین گونه اگر می‎‎‎بینید كه كشتی در دریای پرتلاطم واژگون نمی‎‎‎شود, باز این فایده ژیروسكوپ‏های بزرگ و نیرومندی است كه در زیر بدنه كشتی نصب شده‏اند و امواج شدید و پیاپی دریا را خنثی می‏كنند.

محسن مرادی
بخش دانش و زندگی تبیان

منابع:
آشنایی با هواپیماها،ابر دهقان فردوس
سامانه های الکترونیک مهندس علمداری
integrated modular avonics by nick johanson, waterloo1999
science direct