رحلة جوية

بعض الكائنات الطائرة لا تولد قوة دفع في الهواء، مثل السنجاب الطائر . يُطلق على هذه الحالة اسم الانزلاق . بينما تستغل كائنات أخرى الهواء الصاعد للصعود، مثل الطيور الجارحة (عند الانزلاق) والطائرات الشراعية المصنعة . يُطلق على هذه الحالة اسم التحليق . مع ذلك، تحتاج معظم الطيور الأخرى وجميع الطائرات ذات المحركات إلى مصدر دفع للصعود. يُطلق على هذه الحالة اسم الطيران الآلي.

المجموعات الوحيدة من الكائنات الحية التي تستخدم الطيران الآلي هي الطيور والحشرات والخفافيش ، بينما طورت العديد من المجموعات الأخرى قدرة الانزلاق. وكانت التيروصورات المنقرضة ، وهي رتبة من الزواحف عاشت في نفس فترة الديناصورات ، حيوانات طائرة ناجحة للغاية أيضًا، ^{[ 3 ]} ويبدو أنه كان هناك بعض الديناصورات الطائرة . تطورت أجنحة كل مجموعة من هذه المجموعات بشكل مستقل ، وكانت الحشرات أول مجموعة حيوانية تطورت لديها القدرة على الطيران. ^{[ 4 ]} تستند أجنحة مجموعات الفقاريات الطائرة جميعها إلى الأطراف الأمامية، لكنها تختلف اختلافًا كبيرًا في بنيتها؛ ويُفترض أن أجنحة الحشرات هي نسخ مُعدلة بشكل كبير من التراكيب التي تُشكل الخياشيم في معظم مجموعات المفصليات الأخرى . ^{[ 3 ]}

الخفافيش هي الثدييات الوحيدة القادرة على الطيران الأفقي (انظر طيران الخفافيش ). ^{[ 5 ]} مع ذلك، توجد عدة ثدييات انزلاقية تستطيع الانتقال من شجرة إلى أخرى باستخدام أغشية لحمية بين أطرافها؛ بعضها قادر على قطع مئات الأمتار بهذه الطريقة مع فقدان طفيف جدًا في الارتفاع. تستخدم الضفادع الطائرة أقدامًا مكففة كبيرة الحجم لغرض مماثل، وهناك سحالي طائرة تفرد أضلاعها المتحركة لتشكل سطحين مسطحين للانزلاق. كما تستخدم الثعابين "الطائرة" أضلاعًا متحركة لتسطيح جسمها في شكل انسيابي، بحركة ذهابًا وإيابًا كما تفعل على الأرض.

تستطيع الأسماك الطائرة الانزلاق باستخدام زعانفها الكبيرة الشبيهة بالأجنحة، وقد شوهدت وهي تحلق لمئات الأمتار. يُعتقد أن هذه القدرة قد تم اختيارها عن طريق الانتقاء الطبيعي لأنها كانت وسيلة فعالة للهروب من الحيوانات المفترسة تحت الماء. أطول مدة طيران مسجلة لسمكة طائرة كانت 45 ثانية. ^{[ 6 ]}

تستطيع معظم الطيور الطيران ، باستثناءات قليلة. فالطيور الأكبر حجماً، كالنعامة والإيمو ، طيور أرضية لا تطير ، وكذلك طيور الدودو المنقرضة الآن وطيور الفورسرهاسيد ، التي كانت المفترسات المهيمنة في أمريكا الجنوبية خلال العصر السينوزوي . أما طيور البطريق غير الطائرة، فلها أجنحة مُكيَّفة للاستخدام تحت الماء، وتستخدم حركات الأجنحة نفسها التي تستخدمها معظم الطيور الأخرى للطيران في السباحة. وتعيش معظم الطيور الصغيرة غير الطائرة في جزر صغيرة، وتعتمد في نمط حياتها على ظروف لا يُجدي فيها الطيران نفعاً يُذكر.

من بين الحيوانات الحية التي تطير، يتمتع طائر القطرس الجوال بأكبر طول جناح، يصل إلى 3.5 متر (11 قدمًا) ؛ أما طائر الحبارى الكبير فيتمتع بأكبر وزن، حيث يصل وزنه إلى 21 كيلوغرامًا (46 رطلاً) . ^{[ 7 ]}

تستطيع معظم أنواع الحشرات الطيران في مرحلة البلوغ. ويعتمد طيران الحشرات على أحد نموذجين أساسيين للديناميكا الهوائية: توليد دوامة أمامية، كما هو الحال في معظم الحشرات، واستخدام تقنية التصفيق والقذف ، كما هو الحال في الحشرات الصغيرة جدًا مثل التربس . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

تستخدم العديد من أنواع العناكب ، والعث العنكبوتي ، والفراشات تقنية تسمى التحليق بالبالون لركوب التيارات الهوائية مثل التيارات الحرارية ، وذلك عن طريق كشف خيوطها الرقيقة التي ترتفع بفعل الرياح والمجالات الكهربائية الجوية .

الطيران الميكانيكي هو استخدام آلة للطيران . تشمل هذه الآلات الطائرات مثل الطائرات الثابتة الجناح ، والطائرات الشراعية ، والمروحيات ، والطائرات ذاتية الدوران ، والسفن الهوائية ، والبالونات ، والطائرات ذات الأجنحة المتحركة ، بالإضافة إلى المركبات الفضائية . تتميز الطائرات الشراعية بقدرتها على الطيران بدون محرك. ومن أشكال الطيران الميكانيكي الأخرى رياضة التزلج المظلي، حيث يتم سحب جسم يشبه المظلة بواسطة قارب. في الطائرة الثابتة الجناح، يتم توليد قوة الرفع بواسطة الأجنحة؛ ويتم تصميم شكل أجنحة الطائرة خصيصًا لنوع الطيران المطلوب. هناك أنواع مختلفة من الأجنحة: الأجنحة المقسّاة، والأجنحة شبه المقسّاة، والأجنحة المائلة للخلف، والأجنحة المستطيلة، والأجنحة البيضاوية. يُطلق على جناح الطائرة أحيانًا اسم " الجنيح" ، وهو جهاز يُولّد قوة الرفع عند تدفق الهواء عبره.

فرط صوتي

الطيران فوق الصوتي هو طيران بسرعات فائقة ، حيث تتسبب الحرارة المتولدة عن انضغاط الهواء نتيجة الحركة فيه في حدوث تغيرات كيميائية فيه. ويتحقق الطيران فوق الصوتي بشكل أساسي عن طريق المركبات الفضائية العائدة إلى الغلاف الجوي، مثل مكوك الفضاء وسويوز .

بعض الأجسام لا تولد قوة رفع تُذكر، وتتحرك فقط أو في الغالب بفعل الزخم والجاذبية ومقاومة الهواء، وفي بعض الحالات بفعل قوة الدفع. يُطلق على هذا النوع من الحركة اسم الطيران الباليستي . ومن الأمثلة على ذلك الكرات والسهام والرصاص والألعاب النارية ، إلخ.

يُعدّ الطيران الفضائي، في جوهره، شكلاً متطرفاً من أشكال الطيران الباليستي، وهو استخدام تكنولوجيا الفضاء لتحقيق طيران المركبات الفضائية إلى الفضاء الخارجي وعبره . ومن الأمثلة على ذلك الصواريخ الباليستية ، والرحلات الفضائية المدارية ، وغيرها.

تُستخدم رحلات الفضاء في استكشاف الفضاء ، وكذلك في أنشطة تجارية مثل السياحة الفضائية والاتصالات عبر الأقمار الصناعية . وتشمل الاستخدامات غير التجارية الأخرى لرحلات الفضاء مراصد الفضاء ، وأقمار الاستطلاع ، وأقمار مراقبة الأرض الأخرى .

تبدأ الرحلة الفضائية عادةً بإطلاق صاروخ ، يوفر الدفعة الأولية للتغلب على قوة الجاذبية ودفع المركبة الفضائية بعيدًا عن سطح الأرض. ^{[ 11 ]} وبمجرد وصولها إلى الفضاء، تُغطى حركة المركبة الفضائية - سواءً كانت بدون دفع أو تحت تأثير الدفع - بمجال دراسة يُسمى ديناميكا الفضاء . تبقى بعض المركبات الفضائية في الفضاء إلى أجل غير مسمى، بينما تتفكك أخرى أثناء دخولها الغلاف الجوي ، وتصل مركبات أخرى إلى سطح كوكب أو قمر للهبوط أو الاصطدام.

في عام 2018، تمكن باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) من تحليق طائرة بدون أجزاء متحركة، تعمل بالطاقة الناتجة عن " الرياح الأيونية " المعروفة أيضًا باسم الدفع الكهروديناميكي الهوائي. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

تُولّد الطائرات ذات الأجنحة الثابتة قوة دفع أمامية عندما يُدفع الهواء في الاتجاه المعاكس للطيران. ويمكن تحقيق ذلك بعدة طرق، منها دوران شفرات المروحة ، أو تمدد غازات العادم المنبعثة من مؤخرة المحرك النفاث ، أو قذف الغازات الساخنة من محرك صاروخي . ^{[ 23 ]} تتناسب قوة الدفع الأمامية طرديًا مع كتلة تيار الهواء مضروبة في فرق سرعته . ويمكن توليد قوة دفع عكسية للمساعدة في الكبح بعد الهبوط عن طريق عكس زاوية ميل شفرات المروحة ذات الميل المتغير، أو باستخدام عاكس دفع في المحرك النفاث. أما الطائرات ذات الأجنحة الدوارة والطائرات ذات القدرة على الإقلاع والهبوط العمودي/القصير (V/STOL) فتستخدم قوة دفع المحرك لدعم وزن الطائرة، والمجموع الاتجاهي لهذه القوة للأمام والخلف للتحكم في السرعة الأمامية.

في سياق تدفق الهواء بالنسبة لجسم طائر، تُعرَّف قوة الرفع بأنها مركبة القوة الديناميكية الهوائية العمودية على اتجاه التدفق. ^{[ 24 ]} وينتج الرفع الديناميكي الهوائي عندما يتسبب الجناح في انحراف الهواء المحيط به، فيُحدث الهواء قوة على الجناح في الاتجاه المعاكس، وفقًا لقانون نيوتن الثالث للحركة .

يرتبط مفهوم الرفع عادةً بجناح الطائرة ، مع أن الرفع يتولد أيضاً بواسطة دوارات الطائرات المروحية ( التي تُعدّ بمثابة أجنحة دوارة، وتؤدي الوظيفة نفسها دون الحاجة إلى تحرك الطائرة للأمام في الهواء). وبينما تشير المعاني الشائعة لكلمة " رفع " إلى أن الرفع يُعاكس الجاذبية، إلا أن الرفع الديناميكي الهوائي قد يكون في أي اتجاه. فعندما تحلق الطائرة في وضع التحليق ، على سبيل المثال، يُعاكس الرفع الجاذبية، ولكنه يتولد بزاوية عند الصعود أو الهبوط أو الميلان. أما في السيارات عالية السرعة، فتتجه قوة الرفع إلى الأسفل (وتُسمى "قوة الضغط السفلي") للحفاظ على ثبات السيارة على الطريق.

بالنسبة لجسم صلب يتحرك عبر سائل، تُعدّ مقاومة الهواء مُركّبة القوة الديناميكية الهوائية أو الهيدروديناميكية المحصلة التي تعمل في الاتجاه المعاكس للحركة. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} لذا، تُعاكس مقاومة الهواء حركة الجسم، وفي المركبات المُزوّدة بمحركات، يجب التغلب عليها بالدفع . كما أن عملية توليد الرفع تُسبّب أيضاً بعض مقاومة الهواء.

تتولد قوة الرفع الديناميكية الهوائية من حركة جسم ديناميكي هوائي (الجناح) في الهواء، حيث يقوم الجناح، بفضل شكله وزاويته، بتغيير اتجاه الهواء. وللحفاظ على طيران مستقيم ومستوٍ، يجب أن تكون قوة الرفع مساوية ومعاكسة للوزن. عمومًا، تستطيع الأجنحة الطويلة والضيقة تغيير اتجاه كمية كبيرة من الهواء بسرعة منخفضة، بينما تحتاج الأجنحة الأصغر إلى سرعة أمامية أعلى لتغيير اتجاه كمية مكافئة من الهواء، وبالتالي توليد قوة رفع مكافئة. تميل طائرات الشحن الكبيرة إلى استخدام أجنحة أطول بزوايا هجوم أعلى، في حين تميل الطائرات الأسرع من الصوت إلى امتلاك أجنحة قصيرة وتعتمد بشكل كبير على السرعة الأمامية العالية لتوليد قوة الرفع.

مع ذلك، تتسبب عملية الرفع (الانحراف) هذه حتمًا في قوة معاكسة تُسمى السحب. ولأن الرفع والسحب كلاهما قوتان ديناميكيتان هوائيتان، فإن نسبة الرفع إلى السحب تُعد مؤشرًا على الكفاءة الديناميكية الهوائية للطائرة. تُعرف نسبة الرفع إلى السحب بنسبة L/D، وتُنطق "نسبة الرفع إلى السحب". تتميز الطائرة بنسبة L/D عالية إذا كانت تُنتج قدرًا كبيرًا من الرفع أو قدرًا ضئيلًا من السحب. تُحدد نسبة الرفع إلى السحب بقسمة معامل الرفع على معامل السحب، أي CL/CD. ^{[ 29 ]}

معامل الرفع Cl يساوي قوة الرفع L مقسومة على (الكثافة r مضروبة في نصف مربع السرعة V مضروبة في مساحة الجناح A). [Cl = L / (A * 0.5 * r * V^2)] يتأثر معامل الرفع أيضًا بانضغاطية الهواء، والتي تكون أكبر بكثير عند السرعات العالية، لذا فإن السرعة V ليست دالة خطية. كما تتأثر الانضغاطية بشكل أسطح الطائرة. ^{[ 30 ]}

معامل السحب Cd يساوي قوة السحب D مقسومة على (الكثافة r مضروبة في نصف مربع السرعة V مضروبة في مساحة السطح المرجعية A). [Cd = D / (A * 0.5 * r * V^2)] ^{[ 31 ]}

تتراوح نسب الرفع إلى السحب للطائرات العملية من حوالي 4:1 للمركبات والطيور ذات الأجنحة القصيرة نسبيًا، إلى 60:1 أو أكثر للمركبات ذات الأجنحة الطويلة جدًا، مثل الطائرات الشراعية. كما أن زيادة زاوية الهجوم بالنسبة للحركة الأمامية تزيد من مدى الانحراف، وبالتالي تولد قوة رفع إضافية. مع ذلك، فإن زيادة زاوية الهجوم تولد أيضًا قوة سحب إضافية.

تُحدد نسبة الرفع إلى السحب أيضًا نسبة الانزلاق ومدى الانزلاق. وبما أن نسبة الانزلاق تعتمد فقط على العلاقة بين قوى الديناميكا الهوائية المؤثرة على الطائرة، فإن وزن الطائرة لا يؤثر عليها. التأثير الوحيد للوزن هو تغيير مدة انزلاق الطائرة - فالطائرة الأثقل التي تنزلق بسرعة جوية أعلى ستصل إلى نقطة الهبوط نفسها في وقت أقصر. ^{[ 32 ]}

يكون ضغط الهواء المؤثر لأعلى على جسم في الهواء أكبر من الضغط المؤثر لأسفل. وتساوي قوة الطفو، في كلتا الحالتين، وزن السائل المزاح - ينطبق مبدأ أرخميدس على الهواء كما ينطبق على الماء.

يبلغ حجم متر مكعب واحد من الهواء عند الضغط الجوي العادي ودرجة حرارة الغرفة حوالي 1.2 كيلوغرام، أي أن وزنه يبلغ حوالي 12 نيوتن . لذلك، فإن أي جسم حجمه متر مكعب واحد في الهواء يتعرض لقوة دفع مقدارها 12 نيوتن. إذا كانت كتلة هذا الجسم أكبر من 1.2 كيلوغرام (أي أن وزنه أكبر من 12 نيوتن)، فإنه يسقط على الأرض عند إفلاته. أما إذا كانت كتلة جسم بهذا الحجم أقل من 1.2 كيلوغرام، فإنه يرتفع في الهواء. أي جسم كتلته أقل من كتلة حجم مماثل من الهواء سيرتفع في الهواء - بعبارة أخرى، أي جسم أقل كثافة من الهواء سيرتفع.

نسبة الدفع إلى الوزن ، كما يوحي اسمها، هي نسبة الدفع اللحظي إلى الوزن (حيث يُقصد بالوزن الوزن عند التسارع القياسي للأرض) .${\displaystyle g_{0}}$). ^{[ 33 ]} إنه معلمة لا أبعاد لها خصائص الصواريخ ومحركات الطائرات النفاثة الأخرى والمركبات التي تعمل بهذه المحركات (عادة مركبات إطلاق الفضاء والطائرات النفاثة ).

إذا كانت نسبة الدفع إلى الوزن أكبر من قوة الجاذبية المحلية (المعبر عنها بـ g s)، فيمكن أن يحدث الطيران دون الحاجة إلى أي حركة أمامية أو أي رفع ديناميكي هوائي.

إذا كانت نسبة الدفع إلى الوزن مضروبة في نسبة الرفع إلى السحب أكبر من الجاذبية المحلية، فإن الإقلاع باستخدام الرفع الديناميكي الهوائي يكون ممكناً.

في حالة الطائرات، يتم التحكم في الحركة الجوية بواسطة أنظمة مراقبة الحركة الجوية .

تجنب الاصطدام هو عملية التحكم في المركبات الفضائية لمحاولة منع الاصطدامات.