پیکربندی کانارد در هواپیما

هواپیماها پیکربندی مختلفی دارند. مرسوم ترین نوع آنها نیز پیکربندی conventional هست که ترکیب بال در جلو و دم در انتهای بدنه هواپیماست. اما نوع دیگر از چینش اجزای هواپیما وجود دارد که به آن پیکربندی کانارد (canard configuration) گفته می شود. واژه کانارد به معنای اردک در زبان فرانسه است. پیکربندی کانارد تشکیل شده از بال در انتهای بدنه و یک بالچه کوچک در جلوی بدنه هواپیما. همچنین اغلب این هواپیماها از موتور پوشر استفاده می کنند یعنی موتور و ملخ رو به عقب هواپیما نصب می گردد. برای آشنایی بیشتر با این پیکربندی فیلم زیر را مشاهده نمایید:

برای مثال در تصویر زیر چند نمونه از این پیکربندی را مشاهده می کنید:

تاریخچه

 اولین هواپیمای کانارد  همان اولین هواپیمای موتوردار در جهان بود. یعنی هواپیمای برادران رایت در سال ۱۹۰۳ میلادی. این هواپیما به جای دم از بالچه های کانارد به عنوان تعادل و پایداری خود بهره می برد. در فیلم زیر می توانید مشروحی از پرواز اولین هواپیمای جهان را ببینید:

File:Kitty hawk gross.jpg

بعد از این موفقیت بزرگ، نمونه های مختلفی از این نوع پیکربندی ساخته شد. برای نمونه نام چند هواپیما در زیر آمده است:

Focke-Wulf F 19 – Curtiss-Wright XP-55 Ascender – XB-70 Valkyrie –  Saab JAS 39 Gripen –  Eurofighter Typhoon – Chengdu J-10 -Rutan Long-EZ –  Beechcraft Starship

ویژگی های هواپیما با بال کانارد

بهبود عملکرد آیرودینامیکی: در هواپیماهای معمولی، سکان افقی هواپیما را حول مرکز ثقل متعادل نگه می دارد. بال نیز در میان بدنه قرار گرفته است. مرکز ثقل کمی جلو تر از محل اعمال لیفت روی بال هواپیماست. برای تعادل و پایداری هواپیما لازم است که بال لیفت مثبت و دم لیفت منفی ایجاد کند. بنابراین برای هواپیمایی مثل سسنا ۱۷۲ اگر وزن هواپیما ۲۰۰۰ پوند و لیفت منفی دم ۲۵۰ پوند باشد لاجرم بال علاوه بر تامین وزن هواپیما باید لیفت منفی را نیز جبران کند. پس باید ۲۲۵۰ پوند لیفت تولید شود.

همانطور که از مباحث آیرودینامیک بال می دانیم، لیفت بیشتر بال، درگ القایی بیشتری بهمراه دارد، در نتیجه عملکرد و راندمان آیرودینامیکی کاهش می یابد.

172-lift

اما در هواپیما با پیکربندی کانارد، دم افقی که در انتهای بدنه بود، در جلوی بدنه نصب می شود و مرکز اعمال لیفت بال، پشت مرکز ثقل قرار خواهد گرفت. با این پیکربندی برای ایجاد تعادل نیروی حول مرکز ثقل، بالچه کانارد باید لیفت مثبت ایجاد کند. یعنی برخلاف هواپیمای معمولی نه تنها لیفت منفی نداریم، بلکه لیفت مثبتی به کمک بال می آید. برای فهم بهتر موضوع مثالی زده می شود. فرض کنید هواپیمای کاناردی ۱۳۰۰ پوند وزن دارد و کانارد ۲۵۰ پوند لیفت مثبت تولید می کند. بنابراین بال نیاز دارد فقط ۱۰۵۰ پوند نیروی لیفت تولید کند. این موضوع یعنی لیفت کمتر و در عین حال مساحت بال کوچکتر و در نتیجه وزن کمتر (یک بازی برد-برد!!).

long-ez-lift

به عبارت دیگر در هواپیمای سسنا ۱۷۲ بال باید ۵۰۰ پوند بیشتر از وزن هواپیما تولید لیفت کند در حالی که در هواپیمای کانارد، حتی ۲۵۰ پوند کمتر از وزن هواپیما نیاز به لیفت است و این موضوع یعنی افزایش عملکرد جسم پرنده.

rutan-2
واماندگی هواپیمای کانارد:  در هواپیمای معمولی اگر بال زودتر از دم افقی دچار واماندگی شود، می توان توسط الویتور هواپیما را متعادل کرد و اگر دم زودتر از بال دچار واماندگی شود، هواپیما به صورت طبیعی متعادل خواهد شد زیرا گشتاور نیروی لیفت بال دماغه را پایین خواهد آورد و هواپیما به حالت تعادل خواهد رسید.
اما در هواپیمای کانارد اگر بال زودتر از کانارد وامانده شود، وارد حالت خطرناکی خواهد شد. از آنجایی که مرکز ثقل بین مرکز آیرودینامیکی بال و کانارد است، به محض واماندگی بال (و کاهش شدید لیفت آن) گشتاور حاصل از کانارد دماغه هواپیما را بیش از پیش بالا آورده و هواپیما وارد واماندگی عمیقتری خواهد شد و دیگر هواپیما قابل بازگشت به حالت اولیه نخواهد بود.
animation-wing-first-canard-stall
اما اگر کانارد زودتر از بال وامانده شود هواپیما از واماندگی رهایی خواهد یافت. فیلم زیر استال هواپیماها با پیکربندی کانارد را توضیح می دهد:

خب برای حل این مشکل چه راهکاری باید در پیش گرفت؟ طبیعی است که باید بال را طوری ساخت که دیرتر از کانارد دچار واماندگی شود، یعنی زاویه واماندگی بال افزایش بیابد. با توجه به مباحثی که در زمینه آیرودینامیک بال می دانیم، برای اینکه زاویه واماندگی بیشتر شود، می توان بال را با زاویه عقب گرد بیشتر و همچنین نسبت منظری کمتر ساخت. برای اطلاعات بیشتر این لینک را مطالعه کنید. با این رویکرد کانارد را باید بر عکس هندسه بال ساخت بدین صورت که نسبت منظری آن بالا بوده و هیچ عقب گرد یا جلوگردی نداشته باشد. این امر باعث می شود که کانارد زودتر از بال دچار واماندگی شود.
پایداری هواپیمای کانارد: پایداری یک هواپیما بدین معناست که به هر دلیلی اگر از مسیر خود خارج شود، بدون فرمان خلبان، خود به خود به مسیر تعادل خود برگردد. در هواپیمای معمولی اگر هواپیما دچار عدم تعادل طولی شود (برای مثال در اثر یک باد ناگهانی Wind Gust، دماغه هواپیما بالا رفته و زاویه حمله هواپیما با جریان افزایش یابد)، هواپیما دوباره به حالت تعادل باز خواهد گشت (پایداری طولی). زیرا در اثر افزایش زاویه حمله، لیفت مثبت بال افزایش یافته و در عوض زاویه حمله دم کاهش می یابد (توجه کنید دم افقی لیفت منفی تولید می کند به عبارت دیگر زاویه حمله آن با جریان در حالت تعادل منفی است). این موضوع باعث می شود که گشتاور ناشی از لیفت بال بر گشتاور دم افقی غلبه یابد و در نتیجه هواپیما دوباره دماغه اش پایین بیاید. تصویر زیر به خوبی این موضوع را در هواپیمای سسنا ۱۷۲ نشان می دهد:
172-stability
 اما این موضوع در هواپیمای کانارد صادق نیست. به عبارت دیگر اگر هواپیمای کانارد در اثر یک باد ناگهانی (Wind Gust) دماغه اش بالا رود، هم لیفت بال افزایش می یابد و هم لیفت کانارد. در این وضعیت اگر میزان افزایش گشتاور کانارد بیش از افزایش گشتاور بال باشد، دماغه هواپیما بالا و بالاتر رفته و ناپایدار تر خواهد شد.
long-ez-stability
 برای حل این مشکل، طراحان  بار بال را افزایش می دهند (high wing loading). این پارامتر برای هر سطحی که تولید لیفت می کند مطرح می شود و در کانارد یعنی اینکه نسبت لیفتی که بالچه کانارد تولید می کند به مساحت آن زیاد است. این موضوع باعث می شود که با افزایش زاویه حمله، میزان افزایش لیفت کمتر از حالتی باشد که بار بال کم است (Low wing loading). اگر بار بال کانارد (canard wing loading) زیاد باشد، درگ القایی بیشتری تولید می کند. بنابراین برای کاهش درگ القایی نسبت منظری بال را افزایش می دهند. برای مشاهده اثر نسبت منظری بر کاهش درگ القایی اینجا را مطالعه کنید. در تصویر زیر هندسه های بال و کانارد را مشاهده می کنید:
rutan-3

مکان دم عمودی: نکته بعدی اینکه بهتر است که دم عمودی عقب تر از مرکز ثقل هواپیما قرار بگیرد. یک پیکربندی مرسوم این است که دو سکان عمودی در دو سر بال قرار بگیرد که هم نقش پایدار کنندگی داشته باشد و هم کار سر بالک (winglet) را انجام دهد.

rutan-1

 منابع:

۱٫ boldmethod
۲٫ http://www.airplanesandrockets.com/airplanes/canard-pointers-april-1968-american-aircraft-modeler.htm

یک دیدگاه درباره “پیکربندی کانارد در هواپیما

پاسخ دهید

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