موج

في مجال الطيران ، يُعدّ سحب الموجة أحد مكونات السحب الديناميكي الهوائي على أجنحة الطائرات وهيكلها، وأطراف شفرات المراوح، والمقذوفات المتحركة بسرعات فوق صوتية ودون صوتية ، وذلك بسبب وجود موجات الصدمة . [ 1 ] ويكون سحب الموجة مستقلاً عن تأثيرات اللزوجة ، [ 2 ] ويميل إلى الظهور على شكل زيادة مفاجئة وحادة في السحب مع ازدياد سرعة المركبة إلى رقم ماخ الحرج . وهذه الزيادة المفاجئة والحادة في سحب الموجة هي التي أدت إلى ظهور مفهوم حاجز الصوت .

ملخص

مقاومة الموجة هي أحد مكونات مقاومة الضغط الناتجة عن تأثيرات الانضغاط . [ 3 ] وتنشأ هذه المقاومة عن تكوّن موجات صدمية حول الجسم. تُولّد هذه الموجات الصدمية كمية كبيرة من المقاومة، ما قد يؤدي إلى مقاومة شديدة على الجسم. على الرغم من أن الموجات الصدمية ترتبط عادةً بالتدفق فوق الصوتي، إلا أنها قد تتشكل عند سرعات الطائرات دون الصوتية في مناطق الجسم حيث يتسارع تدفق الهواء المحلي إلى سرعة فوق صوتية. يُلاحظ هذا التأثير عادةً على الطائرات عند السرعات الانتقالية (حوالي 0.8 ماخ )، ولكن من الممكن ملاحظة المشكلة عند أي سرعة تتجاوز سرعة ماخ الحرجة لتلك الطائرة. كانت هذه المقاومة شديدة لدرجة أنه قبل عام 1947، كان يُعتقد أن محركات الطائرات لن تكون قوية بما يكفي للتغلب على هذه المقاومة المتزايدة، أو أن القوى ستكون هائلة لدرجة أن الطائرات ستكون عرضة لخطر التفكك أثناء الطيران. وقد أدى ذلك إلى ظهور مفهوم حاجز الصوت .

بحث

في عام 1947، أدت الدراسات المتعلقة بمقاومة الأمواج إلى تطوير أشكال مثالية لتقليل هذه المقاومة إلى أقصى حد ممكن نظريًا. بالنسبة لجسم الطائرة، كان الشكل الناتج هو جسم سيرز-هاك ، الذي يُشير إلى شكل مقطع عرضي مثالي لأي حجم داخلي مُحدد. أما شكل فون كارمان المخروطي، فهو شكل مشابه للأجسام ذات النهاية غير الحادة، مثل الصاروخ. يعتمد كلا الشكلين على أشكال طويلة وضيقة ذات نهايات مدببة، والفرق الرئيسي بينهما هو أن الشكل المخروطي كان مدببًا من طرف واحد فقط.

تقليل مقاومة الهواء

تمكن عدد من التقنيات الجديدة التي تم تطويرها أثناء الحرب العالمية الثانية وبعدها مباشرة من تقليل حجم مقاومة الأمواج بشكل كبير، وبحلول أوائل الخمسينيات من القرن الماضي، أصبحت أحدث الطائرات المقاتلة قادرة على الوصول إلى سرعات تفوق سرعة الصوت .

سرعان ما وظّف مصممو الطائرات هذه التقنيات. وكان أحد الحلول الشائعة لمشكلة مقاومة الأمواج هو استخدام جناح مائل ، والذي طُوّر في الواقع قبل الحرب العالمية الثانية واستُخدم في بعض التصاميم الألمانية خلال الحرب. يُضفي ميلان الجناح عليه مظهرًا أنحف وأطول في اتجاه تدفق الهواء، مما يجعل شكل الجناح التقليدي ذي الشكل الدمعي أقرب إلى شكل جناح فون كارمان المخروطي ، مع الحفاظ على فعاليته عند السرعات المنخفضة حيث يكون الانحناء والسُمك عاملين مهمين.

لا داعي لأن يكون الجناح مائلاً عندما يكون من الممكن تصميم جناح رقيق للغاية. وقد استُخدم هذا الحل في العديد من التصاميم، بدءًا من طائرة بيل إكس-1 ، أول طائرة مأهولة تحلق بسرعة الصوت. لكن يعيب هذا النهج أن الجناح رقيق للغاية لدرجة أنه لم يعد بالإمكان استخدامه لتخزين الوقود أو معدات الهبوط. وتُعدّ هذه الأجنحة شائعة جدًا في الصواريخ، وإن كانت تُعرف في هذا المجال باسم "الزعانف".

طرأت تغييرات مماثلة على تصميم جسم الطائرة مع تطبيق قاعدة ويتكومب للمساحة . كان ويتكومب يعمل على اختبار أشكال مختلفة لهياكل الطائرات من حيث مقاومة الهواء عند سرعات تفوق سرعة الصوت، وعندما شاهد عرضًا تقديميًا لأدولف بوسمان عام ١٩٥٢، أدرك أن تصميم سيرز-هاك يجب أن ينطبق على الطائرة بأكملها، وليس على جسمها فقط. هذا يعني ضرورة تضييق جسم الطائرة عند نقطة اتصاله بالأجنحة، بحيث يتطابق المقطع العرضي للطائرة بأكملها مع تصميم سيرز-هاك.

كانت طائرة كونفير 990 تتميز بهياكل مضادة للصدمات بشكل واضح للغاية ؛ أما الطائرات الحديثة فعادة ما يكون لها تصميم أكثر دقة للتحكم في المساحة.

يمكن ملاحظة تطبيق قاعدة المساحة أيضاً في استخدام هياكل مقاومة الصدمات في الطائرات الأسرع من الصوت ، بما في ذلك بعض الطائرات النفاثة . وتؤدي هذه الهياكل، وهي عبارة عن كبسولات مثبتة على طول الحواف الخلفية للأجنحة، نفس دور تصميم جسم الطائرة ذي الخصر الضيق في الطائرات الأسرع من الصوت الأخرى.

طرق أخرى لتقليل مقاومة الهواء

على مر السنين، طُرحت عدة محاولات أخرى للحد من مقاومة الأمواج. يُعدّ الجناح فوق الحرج نوعًا يُنتج قوة رفع معقولة عند السرعات المنخفضة، مثل الجناح العادي، ولكنه يتميز بملف جانبي أقرب بكثير إلى شكل فون كارمان المخروطي. تستخدم جميع الطائرات المدنية الحديثة أشكالًا من الأجنحة فوق الحرجة، وتتمتع بتدفق فوق صوتي كبير فوق سطح الجناح العلوي.

الصيغة الرياضية

للجناح الهوائي ذي الصفيحة المسطحة

جدw=4α2(م2-1){\displaystyle Cd_{w}=4\cdot {\frac {\alpha ^{2}}{\sqrt {(M^{2}-1)}}}}[ 4 ]

للجناح ذي الشكل الإسفيني المزدوج

جدw=4α2+(ت/ج)2(م2-1){\displaystyle Cd_{w}=4\cdot {\frac {\alpha ^{2}+(t/c)^{2}}{\sqrt {(M^{2}-1)}}}}[ 4 ]

أين:

جدw{\displaystyle Cd_{w}}- معامل السحب الناتج عن سحب الأمواج

α - زاوية الهجوم

تج{\displaystyle {\frac {t}{c}}}- نسبة السُمك إلى الوتر

M - رقم ماخ للتدفق الحر

تنطبق هذه المعادلات عند زوايا الهجوم المنخفضة (α < 5°).

مراجع

  1. ^ أندرسون ، جون د. جونيور (1991). أساسيات الديناميكا الهوائية (  الطبعة الثانية). نيويورك: ماكجرو هيل. ص  492، 573. ردمك 0-07-001679-8.
  2. كلانسي، إل جيه (1975)، الديناميكا الهوائية ، القسم 11.7
  3. ^ أندرسون ، جون د. جونيور (1991). أساسيات الديناميكا الهوائية ( الطبعة الثانية). نيويورك: ماكجرو هيل. ص. 25. رقم ISBN   0-07-001679-8.
  4. 1 2 "كيف يمكنني حساب مقاومة الموجة في جناح طائرة أسرع من الصوت؟" . 2 فبراير 2014. تم الاطلاع عليه في 23 مايو 2019 .