ماذا تعرف عن الطائرات

الطائرة هي مركبة أثقل من الهواء ذات محرك تستطيع الطيران في الهواء
اعتماداً على قوة الرفع المتولدة على أجنحتها.

ذكرنا في التعريف بأن الطائرات هي مركبات أثقل من الهواء
وذلك بالمقارنة مع المركبات الأخرى كالمنطاد البالون الطائر أو الحوامة
فكلاهما أخف من الهواء وهذا ما يجعل الهواء قادراً على حملهما بدون وجود أجنحة.

هناك أنواع أخرى تعتبر أثقل من الهواء كالهيلوكبتر، إلا أن الطائرات
تختلف عن المركبات الأثقل من الهواء الأخرى بأن لها جناحان صلبان
و سطوح تحكم و أجزاء متحركة في كل من الجناح والذيل،
هذه الأجزاء تمكنها من توجيه طيرانها و قوة دفعها، كما أن لها محركات
خاصة من أجل تحقيق الطيران المنتظم أو الطيران صعوداً وهبوطاً.

تتراوح الطائرات الحديثة بين الطائرات ذات الوزن الخفيف والتي
لا يزيد وزنها عن 46كغم والمصممة لنقل طيار فقط، إلى الطائرات
الجامبو العملاقة و القادرة على نقل عدة مئات من المسافرين أو عدة
مئات الأطنان من الحمولة، و تزن هذه الطائرات تقريباً 454 طناً.

أحياناً يتم تهيئة الطائرات للاستعمالات المخصصة، حالياً يوجد ما يسمى
طائرات بريةالتي تقلع من الأرض و تهبط على الأرض مباشرة وطائرات
بحرية طائرات تقلع وتهبط من وعلى المياه والطائرات البرمائية
والتي تستطيع الإقلاع والهبوط سواء على البر أو المياه، والطائرات ذات
الإقلاع و الهبوط العمودي حيث تقلع نتيجة دفع الغازات النفاثة من
محركاتها الدوارة أو أجنحتها الدوارةأي أن المحركات تغير اتجاهها
بحيث يكون نفث الغازات نحو الأسفل أو الجناح هو الذي
يدور حول محوره الطويل بحيث يصبح دفع المحركات للأعلى بدلاً من أن
يكون للأماموبعد الإقلاع تعتمد على الطيران بواسطة أجنحتها.

كيف تطير الطائرة
تطير الطائرات بسبب إحداث أجنحتها لقوى الرفع Lift وهي القوى
الموجهة للأعلى في الطائرة.

عندما يمر الهواء حول الأجنحة تقوم الأجنحة بتغيير اتجاه الهواء،
إن للجناح شكلاً مميزاً له القدرة على إحداث القوة القادرة على رفع
الطائرة و التي تسمى قوة الرفع Lift Force،
إن المقطع العرضي للجناح يأخذ شكل حاجب العين أي أنه متقعر
وهكذا يكون السطح العلوي أطول من السطح السفلي للجناح.
تنتج قوة الرفع في الأساس بسبب دفع أجنحة الطائرة للهواء الذي يمر
بجانبها للأسفل،
و كرد فعل الهواء يقوم الهواء بدفع الجناح للأعلى.

هنالك ما يسمى زاوية الهجوم Angle of Attack وهي الزاوية التي
يصنعها الجناح مع تيار الهواء المار انظر الرسم الإيضاحي آخر الصفحة،
هنالك أيضاً ما يدعى باسم حافة الهجوم Leading Edge وهي الحافة
الأمامية للجناح التي تكون بمواجهة الهواء، وأيضاً توجد حافة الفرار أو الإدبار
Trailing Edge وهي الحافة الخلفية للجناح والتي يترك
عندها الهواء الجناح، في المقطع العرضي تكون كلاً من حافتي الهجوم والفرار
ممثلتين بنقطتين فقط في مقدمة مقطع الجناح وفي مؤخرته.

عندما تكون الطائرة في طور الإقلاع أو الطيران المستوي فإن حافة
الهجوم للجناح تكون أعلى من حافة الفرار أو حافة الإدبار.
و عندما يتحرك الجناح خلال الهواء تقوم زاوية الهجوم بدفع الهواء إلى
أسفل الجناح. الهواء المتدفق أعلى الجناح ينحرف للأسفل أيضاً
لأنه ينساب على الشكل المصمم خصيصاً للجناح.
إن ازدياد زاوية الهجوم يؤدي إلى ازدياد قوة الرفع على الجناح لأن هذا
يؤدي إلى انحراف أكبر للهواء نحو الأسفل، لكن لهذا الازدياد حد
يتحول بعد الجناح إلى حالة الانهيار، وسنتناول هذه الحالة فيما
بعد إن شاء الله.
القانون الثالث من قوانين الحركة التي صاغها الفيزيائي الإنجليزي إسحاق نيوتن
يقول بأن لكل فعل رد فعل يساويه في المقدار ويعاكسه في الاتجاه.
في هذه الحالة دفع الأجنحة للهواء إلى الأسفل هو الفعل، بينما دفع
الهواء للأجنحة إلى الأعلى هو رد الفعل، هذا ما يسبب قوة الرفع للطائرة
و هي القوة العمودية للأعلى في الطائرة

يمكن تفسير قوة الرفع أيضا بواسطة مبادئ برنولي و التي تنص على أنه
عند الحركة السريعة للمائع كالهواء فإنه يتعرض لضغط أقل من الضغط
الذي يتعرض له في حالة الحركة البطيئة للمائع.

سرعة عالية تؤدي إلى ضغط قليل، وسرعة منخفضة تؤدي إلى ضغط
عالي نتيجة لكون سطح الجناح العلوي أصغر من سطح الجناح السفلي
نتيجة لتقعر الجناح فإن الهواء أعلى جناح الطائرة يتحرك
بسرعة أكبر وضغط أقل منه تحت الجناح، الضغط العالي تحت
الجناح يؤدي إلى رفع الجناح، وهكذا يمكن إيجاد قوة الرفع المتولد
بمعادلات مشتقة من مبادئ برنولي.

القوى الأساسية المؤثرة على الطائرة

1-قوة الرفع Lift Force واحدة من القوى الأربع الرئيسية التي
تؤثر على الطائرة، وقد ذكرنا فيما فوق كيفية تولد هذه القوة.

2-الوزن Weight هو قوة تعاكس قوة الرفع لأنه يؤثر باتجاه يعاكس قوة
الرفع، يجب أن يتم التغلب على وزن الطائرة من قبل قوة الرفع الناتجة عن
الأجنحة، فإذا كانت طائرة تزن 4.5 طناً فإن قوة الرفع الناتجة عن
الأجنحة يجب أن تكون أكبر من 4.5 طناً لكي تستطيع الطائرة
الإقلاع عن الأرض. يجب أن يكون تصميم الجناح قوياً بشكل
كافٍ لرفع الطائرة عن الأرض.

3-الدفع Thrust هي القوة التي تدفع الطائرة للأمام، تنشأ من خلال
جملة الدفع سواء كانت مراوح مروحة واحدة في المقدمة أو أكثر
على الأجنحةأو نفاثة أو مزيج من الاثنين معاً.

4-قوة الجر Drag تؤثر على كامل الطائرة قوة رابعة هي قوة الجر أو الإعاقة،
و يتولد الجر لأن حركة أي جسم خلال مائع كعبور الطائرة في الهواء
تسبب احتكاكاً و لأنها يجب أن تزيح المائع من طريقها. سطح الرفع
العلوي للجناح – على سبيل المثال – يولد قوة رفع جيدة جداً،
و لكن بسبب حجمه الكبير فإنه يولد أيضاً كمية لا يستهان بها من
قوة الجر، و لهذا السبب الطائرات المقاتلة و الطائرات القاذفة تكون ذات
أجنحة ضيقة، و على العكس؛ فإن طائرات رش المبيدات
-و التي تطير بسرعة بطيئة نسبيا-ً قد تكون ذات أجنحة كبيرة وثخينة
لأن قوة الرفع العالية أهم من كمية الجر المرافق لها. تصغر قوة
الجر في الطائرات من خلال التصميم الأيروديناميكي الانسيابي للطائرة،
و بأشكال انزلاقية تسهل حركة الطائرة خلال الهواء.

إن تحدي الطيران هو إقامة التوازن بين هذه القوى الأربع.
فعندما تكون الدفع الدفع أكبر من قوة الجر تزداد سرعة الطائرة.
وعندما تكون قوة الرفع أكبر من قوة الوزن ستعلو الطائرة.
و باستخدام سطوح التحكم Control Surfaces وأنظمة دفع مختلفة،
يمكن للطيار الكابتنأن يدير عملية التوازن بين هذه القوى الأربعة لتغيير
الاتجاه و السرعة،
فمثلاً يمكن للطيار أن يقلل من قوة الدفع لكي يبطئ أو ينخفض،
كما يمكنه أن يخفض ذراع الهبوط عجلات الطائرة أو Landing Gear في
تيار الهواء و ينشر حواجب الهبوط على الأجنحةSpoilers لزيادة
الجر والذي يحدث ذات التأثير لتقليل الدفع. يمكن للطيار زيادة الدفع و ذلك
بواسطة ضم ذراع الهبوط و حواجب الهبوط إما لزيادة السرعة أو للصعود .

بنية الطائرة

أ- جسم الطائرة بدن الطائرة

جسم الطائرة هو الحجرة الرئيسية أو بدن الطائرة. غالباً ما يحوي
جسم الطائرة على
قسم قمرة cockpit القيادة عند الطرف الأمامي، حيث يتحكم الطيار بالطائرة.
قسم الكابين cabin وقد يكون قسم الكابين مصمماً لنقل المسافرين
أو الحمولات أو كلاهما.
يكون جسم الطائرة في الطائرات الحربية المقاتلة مستودعاً
للمحركات و الوقود و الإلكترونيات و بعض الأسلحة.

في طائرات مثل الطائرة الشراعية أو الطائرة ultralight airplane
وهي طائرة ذات مقعد واحد أو مقعدين قد يكون لا يكون جسم الطائرةأكثر
من بنية صغيرة تصل الجناحين و الذيل و القمرة و المحركات.

ب- الأجنحة Wings

كل الطائرات – بالتعريف – لديها أجنحة، إلا أن بعضها يكون تقريباً
عبارة عن جناحين مع قمرة صغيرة فقط، ولدى البعض الآخر أجنحة
صغيرة كالمكوك الفضائي.

قبل القرن العشرين، كانت الأجنحة تصنع من الرقائق و العوارض الخشبية
و تغطى بقماش نسيج منسوج بدقة و يتم طلاؤه بالورنيش
ليصمد إلى أقصى الحدود.

يتألف الجناح التقليدي من عارضة Spar ممتدة من طرف الجناح
إلى الطرف الآخر، و يوجد - عمودياً على العارضة - سلسلة من الرقائق
Ribs و التي تمتد من مقدمة الجناح حافة الهجوم أو الحافة الأمامية
و حتى مؤخرة الجناح حافة الفرار أو الحافة الخلفية.

يجب أن يتم تشييد هذه الأجنحة بدقة لتعطي شكل الجناح وفق الشكل
الأيروديناميكي الذي يقرر خواص قوة الرفع.

لقد نجح استخدام الأجنحة الخشبية والقماشية غالباً في بنية الطائرات بسبب خفة
وزنها النسبية و متانتها العالية، كما استخدم الكتان
في صناعة غطاء الجناح.

كانت الطائرات البدائية هي طائرة ذات جناحين biplane غالباً
ما يرتكز أحدهما فوق الآخر بمسافة 1.5متر تقريباً من 5 إلى6 قدم،
إلا أن رواد الطائرات الأوائل رأوا أن بامكانهم بناء جناحين كهذين
بشكل أسهل نسبياً و استخدام الأسلاك لربط الجناح العلوي بالجناح
السفلي وذلك لإنشاء بنية قوية، و من خلال زج كمية من الكابلات و الخشب
و الأقمشة في الهواء فإن هذا التصميم أنشأ قوة جر مقاومة Drag كبيرة،
لذا فإن مهندسوا المركبات الطائرة أخيراً أنتجوا الطائرة أحادية الجناح monoplane،
ولقد أعطى الجناح الواحد لهذه الطائرة الكثير من المميزات كالسرعة
و البساطة و جودة الرؤية بالنسبة للطيار.

بعد الحرب العالمية الأولى 1914-1918 بدأ المصممون بالتحرك
باتجاه أجنحة مصنوعة من الفولاذ و الألمنيوم أو الخلائط الحديثة التقنية،
هذه المعادن ساهمت في تطور الأجنحة المعدنية كلياً ليس فقط لزيادة
قوة الرفع بل أيضاً لإحتواء ذراع الهبوط و الأسلحة و الوقود.

و بمر السنين، اعتقد كثير من مصممي الطائرات بأن الطائرة المثالية
يجب –في الحقيقة- ألا تكون سوى جناحين، و من هنا كانت الأجنحة الطائرة
-كما تدعى- أول ما تم تطويره في الأعوام 1930إلى 1940.

ج- مجموعة الذيل Tail Assembly

جميع الطائرات – عدا الأجنحة الطائرة – لديها مجموعة الذيل و التي تكون
موصولة بمؤخرة جسم الطائرة، وتتألف مجموعة الذيل من أسطح
تحكم أفقية وعمودية والتي تبدو كأجنحة صغيرة.

يتألف الذيل من سطح أفقي ثابت يسمى سطح الموازنة الأفقي
Horizontal Stabilizer يتصل به مفصلياً سطح أفقي متحرك
يسمى دفة العمق Elevator، ويتألف من سطح ثابت عمودي يسمى سطح
الموازنة العمودي Vertical Stabilizer أو الزعنفة Fin و يتصل بها
مفصلياً سطح عمودي متحرك يدعى دفة الاتجاه Rudder وأحياناً
تسمى الدفة، جميع هذه المكونات تسمى مجموعة الذيل empennage

إن وظيفة سطوح التوازن الثابتة هي حفظ توازن و استقرار الطائرة
أثناء الطيران المستقر، أما السطوح المتحركة فتقوم بإعطاء الحركات
المختلفة للطائرة، فمثلاً عند انحراف الدفة دفة الاتجاه Rudder تنعرج
الطائرة يميناً أو شمالاً هذه الحركة تسمى Yawing، أما عند انحراف
دفة العمقelevator فإن الطائرة إما أن ترفع مقدمتها إلى الأعلى
أو تخفضها إلى الأسفل وهذه العملية تدعى Pitching، بالتأكيد أن انحراف
هذه السطوح يتم بناء على أوامر الطيار البشري أو الطيار الآلي.

يتم تحريك دفة الاتجاه بواسطة بدالتين دواستين موجودتين عند
أرجل الطيار، أما دفة العمق فيتم التحكم بها من خلال ذراع القيادة الموجود
عند يدي الطيار وذراع من خلال حركته إلى الأمام و الخلف أما
حركته إلى اليمين و إلى اليسار تسبب دوران الطائرة حول
نفسها بحركة تسمى التدحرج أو الانعطاف Rolling.

منقوله للفائدة والمعلومه