طراحی هواپیما و موشک, هواپیمای بدون سرنشین (پهپاد)

طراحی آیرودینامیکی بال بالزن (۹)

در سال های اخیر پرواز با بالزدن اهمیت قابل توجه ای کسب کرده است. روش غالب تولید نیروهای برآ و پیشران در پرواز طبیعی پرندگان، بال زدن است. مثال های فراوان موجود در طبیعت مانند پرواز پرندگان هم گواهی می دهد که بالزدن یک روش بسیار کارآمد برای پرواز در سرعت پایین است. بالزن پرنده ای مکانیکی است که مانند پرندگان به طور همزمان هر دو نیروی آیرودینامیکی برآ و پیشران لازم برای پرواز خود را توسط بال زدن بال ها فراهم می نماید.

برخلاف پرنده های بال ثابت، آیرودینامیک پرواز با بال زدن هنوز یک موضوع به طور کامل شناخته شده نیست و قوانین ساده ای برای طراحی بالزن دردسترس نیست. لذا برای طراحی بالزن از تدوین روابط نیمه -تجربی می­توان استفاده نمود.

مشخصات عمومی پرندگان دارای ویژگی های مشترک فراوانی هستند و این ویژگی ها در بعضی ماشینهای پرنده نیز مشاهده­ می شود. مطالعات فراوانی برای شناخت این ویژگی­ها صورت گرفته است که اساس آنها بر تحلیل ابعادی و مطالعه­ی مقیاس ها است. روابط نمایی و نتایج حاصل از این مطالعات بین پارامترهای عملکردی و جرم پرنده که ابزار مفیدی در طراحی اولیه­ی بالزن می­تواند باشد درآورده شده است.

برای طراحی سامانه های بالزن، لازم است اجزای مختلف آن شناسایی شوند که یکی از مهمترین آنها، بال انعطاف ­پذیر است. وقتی بالی به صورت تناوبی و با شتاب متغیر در سیال حرکت می­کند، نیروهای مختلفی تولید می شود. برخی از این نیروها مثل آیرودینامیک، نیروی خارجی بوده و مربوط به اندرکنش بال و جریان سیال است و نیروهای دیگر مثل نیروی اینرسی و نیروی داخلی الاستیک تابع سینماتیک حرکت، توزیع جرم بال، خواص مواد و طرح بال هستند.

در حرکت بالزدن نیز این نیروها وجود دارند و باعث خمش و پیچش بال و درنتیجه (Passive Wing Deformation)تغییرشکل انفعالی بال می­شوند که روی عملکرد پرواز اثر می­گذارند. این تغییرشکل انفعالی باید با طرح سازه و خواص مواد بال کنترل شود. به عبارتی طرح سازه ­ی بال و مواد آن باید به گونه­ ای باشد که اجازه تغییر شکل ­های معینی را برای بال به وجود آورد تا این که بال نیروهای آیرودینامیکی مطلوب را با حداقل توان مصرفی تولید نماید.

بنابراین تحلیل آیروالاستیسیته، ترکیب آیرودینامیک ناپایا و الاستیسیته­ی بال، در توصیف حرکت بالزدن نقش مهمی دارد. انجام تحلیل آیروالاستیسیته، نیازمند الگوی آیرودینامیک ناپایای مناسب برای ترکیب با معادلات الاستیسیته­ی سازه است.

 استخراج روابط از طریق تحلیل ابعادی و تشابه هندسی

به طورکلی الگوهای آیرودینامیکی موجود، از دقت و یا سرعت کافی برای تحلیل بالزدن برخوردار نیستند. لذا تحلیل­ های آیرودینامیک برای اینکه در طراحی بالزن مورد استفاده قرار گیرند می­ بایست توسط آزمایش های تجربی تایید شوند. همچنین از فعالیت­ های تحقیقاتی تجربی برای بهینه سازی متغیرهای بال در حرکت بال زدن نیز استفاده می­ شود. این متغیرها به­ طورکلی شامل سه دسته هستند:

  • شکل یا هندسه بال مانند نسبت منظری
  • سینماتیک بال زدن مانند فرکانس بالزدن، دامنه­ ی بال زدن
  • جنس سازه بال مانند سفتی پیچشی و خمشی بال

به­ کمک مطالعه­ ی تجربی می­ توان رفتار این متغیرها را در کمینه­ کردن توان مصرفی برای تولید نیروهای آیرودینامیکی لازم برای پرواز بررسی نمود. بنابراین بهترین راه برای رسیدن به روابطی که بتوان طراحی بال را شروع کرد استفاده از مقایسه ابعادی از طریقه نمودارهای تجربی و مقایسه های هندسی می باشد. در اینجا پارامترهای مربوط به شکل و هندسه بال و سینماتیک بال زن مورد بررسی قرار خواهد گرفت این پارامترها از قرار زیر هستند:

  • Wing loading
  • دهانه بال
  • مساحت بال
  • نسبت منظری بال
  • فرکانس بالزدن

1-1-1- پارامتر Wingloding

در طراحی بال یک جسم پرنده شاید مهمترین پارامتری که یک طراح در ابتدای امر به آن توجه می کند Wing loading می باشد. این پارامتر معرف نسبت وزن یا جرم کل به مساحت بال آن است که به عنوان نسبتی بین وزن و سطح بال شناخته می شود. مقادیر استانداردی که معمولا برای این دو عدد انتخاب می شود بیشترین وزن برخاست و سطح افقی بال است. اگر پرنده را در حالت پرواز افقی در نظر بگیریم، نیروی لیفت با نیروی وزن برابر خواهد بود:

از طرف دیگر وزن و مساحت به ترتیب توان سوم و دوم طول است:

بنابراین:

از تحلیل بالا به نتیجه مهمی میرسیم و آن اینکه wing loading نسبتی از توان اول یا توان 3/1 وزن است از بررسی های اولیه فهمیده می شود که هم وسایل ساخته بشر و هم پرنده های طبیعت بطور کلی این قاعده را پیروی می کنند اگرچه انحرافاتی دیده می شود. در نمودار زیر برای پرنده های بال ثابت در ابعاد هواپیماهای مسافربری تا هواپیماهای سبک و هم چنین پرنده های طبیعی تا ریز پرنده ها، نتایج مهمی رسم شده است. در این نمودار همانطور که مشاهده می شود این نسبت بین W/S و وزن پرنده وجود دارد:

نمودار مهم wingloading بر حسب وزن پرنده

خط مستقیم میانیابی شده تقریبا شیب تقریبی 0.33=1/3 را نشان می دهد. نتیجه حاصل از مشاهدات وجود یک قاعده کلی در مورد ارتباط W/S با اندازه وزن پرنده را نشان می دهد. دلایل فیزیکی زیادی وجود دارد که یک چنین قانون کلی را تصدیق می کند اگرچه انحراف نیز وجود دارد. وجود انحراف به خاطر دلایل آیرودینامیکی و سازه ای است. نکته ای که باید در اینجا توجه داشت این است که افزایش W/S مثلا در یک وسیله پرنده بال ثابت باعث افزایش مسافت نشست و برخاست و همچنین شعاع چرخش بیشتر می شود که این خود باعث افزایش توان مصرفی و کاهش راندمان و در نتیجه کاهش چالاکی و مانورپذیری می شود. به هرحال این نمودارها راهنمای خوبی برای مهندسان و طراحان ریزپرنده های بالزن و غیر بالزن خواهد بود. در رابطه W/S با وزن پرنده مقدار ضریب ثابت k1 برای هواپیماها و پرندگان طبیعی به ترتیب 53 و 30.6 مناسب است

مساحت بال

با بدست آمدن رابطه Wingloading با وزن بال می توان مساحت بال را نیز بدست آورد. طبیعتا برای شروع هر طراحی مناسب است که ابتدا تخمینی از وزن پرنده زده شود و بر اساس این تخمین وزن فراین طراحی ادامه پیدا کند. در اینجا نیز با تعیین وزن، و از رابطه می توان مساحت بال را بدست آورد (Shyy, 2013).

دهانه بال

در بررسی پرندگان بالزن علاقه مندیم که پارامترها را با وزن پرنده مرتبط کنیم. با استفاده از این رویکرد می توان طول بال را توسط رابطه ای که درادامه می آید از مقدار وزن پرنده محاسبه کرد.

رابطه فوق از طیف وسیعی از داده ها بدست آمده است. این داده ها از پرنده هایی با وزن 0.026 نیوتون تا 116 نیوتون و هواپیماهای توربوپراپ و ملخی تا هواپیماهای بوئینگ 747 نتیجه شده است (Shyy, 2013).

نسبت منظری

همانند هواپیما، برای بال پرندگان نیز نسبت منظری تعریف می شود که نسبت مربع دهانه بال به مساحت بال است. در حالت کلی هم برای هواپیماهای ساخت دست انسان و هم برای پرندگان طبیعی، میزان مانورپذیری با کاهش نسبت منظری نسبت مستقیم دارد. پرنده هایی که نسبت منظری بالایی دارند مثل پرنده آلباتراس و یا هواپیمای U-2، به خوبی می توانند در رژیم پایا پرواز کنند اما در رژیم که تغییرات بال زدن سریع وجود دارد، نسبت منظری بالا مناسب نیست (Shyy, 2013).

 

با بدست آوردن دهانه بال و مساحت از روابط قسمت های قبلی می توان برآوردی از نسبت منظری داشت.

فرکانس بالزدن

با توجه به جدول ارزشمندی که گریین والت و راینر ارائه دادند رابطه فرکانس بالزدن با وزن را به صورت زیر ارائه دادند:

جدول مقادیر و پارامترهای آماری بالزن های مختلف بر حسب جرم پرنده

البته این تنها یکی از روابط بدست آمده است و سایر روابط پیشنهادی نیز در جدول فوق بیان شده است که ارزشمند است. در اینجا رابطه فرکانس با وزن به دو دسته مرغ مگسخوار و سایر پرندگان تقسیم شده است (Shyy, 2013):

نوشته های مشابه

1 دیدگاه در “طراحی آیرودینامیکی بال بالزن (۹)

  1. ماهان گفت:

    با سلام و عرض خسته نباشید خدمت شما لطفا منابع انگلیسی در جهت مطالعه ی بیشتر و عمیق تردر رابطه با آیرودینامیک بالزن رو بگید با تشکر

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *