ارتعاشات بال هواپیما

مقدمه

بال ها اجزای اصلی تامین کننده نیروی برآ هستند. بال های هواپیما از لحاظ آیرودینامیکی طوری طراحی شده اند تا نیروی برآ مورد نیاز پرواز را تامین نمایند. از بال علاوه بر تولید نیروی برآ، برای حمل سوخت و نصب موتورها استفاده می شود. بال ها باید نیروی برآی کافی به منظور حمل تمام وزن هواپیما را تولید کنند. هدف اصلی یک بال بهینه تولید نیروی برآ و کاهش نیروی پسا در حد امکان است. با عبور جریان هوا از یک بال با زاویه حمله مناسب، گرادیان فشار بوجود می آید. ناحیه کم فشار در سطح بالایی بال، در حالیکه ناحیه پر فشار در سطح زیرین بال ایجاد می شود. تفاوت در فشار دو سطح، نیروی برآی رو به بالا را تولید می کند. در هواپیماهای تجاری، جنگنده ها و جت ها، بال تنها به منظور تولید نیروی برآ در طی فازهای مختلف پروازی طراحی نمی شوند بلکه نقش ها و وظایف دیگری نیز دارا می باشند. در هواپیما های تجاری بال ها به عنوان مخزن اصلی برای سوخت مورد نیاز پرواز استفاده می شوند. سوخت معمولا درون مخزنی که داخل جعبه بال قرار دارد، حمل می شود. مخازن تعبیه شده در بال مستقیما سوخت را به موتورها می رسانند. نصب این موتورها بر روی بال بارهای سازه ای ایجاد می کند. در طول پرواز، بال در معرض نیروهای آیرودینامیکی، تندباد، نیروهای آیروالاستیک و سازه ای قرار دارد. بنابراین بال باید از لحاظ آیرودینامیکی و سازه ای به خوبی برای فراهم کردن کارایی بهینه در همه فازهای پروازی طراحی شود.

-۲- پیکربندی بال

بر اساس نوع ماموریت و رژیم­های پروازی متفاوت مادون صوت، در حد صوت، مافوق صوت و ماوراء صوت بال دارای پیکربندی و پلن فرم­های[۱] متفاوت است.

۲-۲-۱- انواع بال

شکل­های گوناگونی از بال با توجه به ماموریت هواپیما بر روی هواپیماها به کار می­روند. انواع بال­ها را می­توان از نظر شکل و محل نصب در دو دسته کلی تقسیم بندی کرد.

بال­ها غالبا از نظر شکل شامل پیکربندی­های زیر هستند:

۱- بال­های مستطیل شکل: به بال­هایی که اندازه طول وتر بال در تمام قسمت­های بال یکسان است و شکل آن­ها به صورت مستطیل می­باشد، گفته می­شود. این نوع بال مخصوص هواپیماهای سبک و کم سرعت است و از نظر ساختمانی بسیار ساده و هزینه ساخت آن کمتر از بال­های دیگر است.

۲-بال­های مثلثی: در شرایطی که لبه حمله بال­ها عمود بر بدنه نباشد زاویه­ای با آن تشکیل می­دهد که به آن زاویه عقب­گرد[۲] بال می­گویند. اگر زاویه عقب­گرد بال حدود ۴۵ درجه و یا بیشتر باشد، آن را بال مثلثی می­نامند.

۳-بال­های با وتر متغیر: اندازه وتر مقطع این بال­ها در تمام طول بال یکسان نیست و معمولا هر قدر به نوک بال نزدیک­تر می­شویم از طول وتر کاسته می­شود ولی ضخامت آن بجز قسمت نوک بال ثابت می­باشد.

۴-بال­های با ضخامت متغیر: طول وتر در این نوع بال­ها ثابت بوده ولی هر اندازه به نوک بال نزدیک­تر شویم از ضخامت بال کاسته می­شود.

۵-بال­های با ضخامت و طول وتر متغیر: این نوع بال­ها ویژگی هر دو نوع بال۳و۴ را دارا می­باشد به طوریکه هر اندازه به نوک بال نزدیک می­شویم هم از طول وتر و هم از ضخامت آن کاسته می­شود.

 

۲-۲-۲- جایگاه و شکل بال

زمانی که جایگاه نصب بال به بدنه و شکل بال تغییر کند، پیکربندی­های متفاوتی ایجاد می­شود که برخی از آن­ها در شکل ۲-۲ نشان داده شده است.

۲-۳- اجزای تشکیل دهنده بال

بال هواپیما به منظور تولید نیروی برآ دارای مقطعی دوکی شکل است که به آن ایرفویل می­گویند. بال­ها به بدنه هواپیما متصل شده و محل اتصال را ریشه­ی بال می­نامند. ساختمان بال از نظر سازه­ای از اجزایی مانند تیرک­های طولی، دنده­های عرضی، اجزای طولی تقویت کننده و اجزای استحکام بخش تشکیل شده است. بال در بعضی از هواپیماها به کمک نگهدارنده[۱] به بدنه متصل می­گردد و در شرایطی که بال بدون نیاز به نگهدارنده و وایرهای خارجی به بدنه متصل گردد از نوع بال طره­ای است.

بارگذاری

هواپیما همواره تحت بارگذاری قرار دارد، ساده­ترین حالت زمانی است که هواپیما بر روی زمین تحت وزن خود قرار دارد. بارهای وارده به هواپیما بر اثر فشار هوا، نیروهای اینرسی و یا عکس العمل نسبت به زمین هنگام فرود ایجاد می­شود. بارهای دیگری ممکن است در شرایط خاص مانند برخاست پرتابی و نشست با ابزار متوقف کننده به سازه وارد شود. تعیین بارهای طراحی شامل مطالعه فشار هوا و نیروی اینرسی در طول مانور مشخص در زمین یا هوا می­باشد. بارهای ایجاد شده در هنگام نشست از طریق ارابه فرود جذب و سپس به اجزای سازنده هواپیما منتقل میشود. سازه هواپیما باید به اندازه کافی مستحکم باشد تا میدان فشار حول هواپیما را به همراه بارهای اینرسی ایجاد شده در مانورهای پروازی تحمل کند.

میزان تحلیل­های استفاده شده در استخراج بارهای هواپیما به اندازه، پیچیدگی و اطلاعات و داده­های موجود بستگی دارد. المان زمان نیز در این فرایند بسیار مهم می­باشد. طراحی سازه به بار­های وارده بستگی دارد. بنابراین بارهای وارده به هواپیما باید در مراحل اولیه تعیین شود تا از تاخیر فرایند طراحی جلوگیری شود. بازه زمانی موجود، میزان تحلیل در تعیین بارهای وارده را مشخص می­کند. تحلیل دیگری که در محدوده تحلیل بارهای وارده انجام می­شود، میزان وزن سازه می­باشد. به دلیل اینکه وزن همیشه مهمترین عامل می­باشد. در طراحی سازه انواع مانورها، سرعت­ها، بارهای مفید و وزن ماکزیمم هواپیما در نظر گرفته می­شود. این پارامترها در کنترل اپراتور هواپیما است. به علاوه در طراحی سازه باید عواملی مانند مانورهای سهوی، اثرات اغتشاشات جریان هوا و شدت تماس زمینی در حین نشست نیز باید در نظر گرفته شود. معیارهای عمده طراحی که بارهای طراحی را مشخص می­کند، کاملا به نوع هواپیما و استفاده تعیین شده بستگی دارد. گروه بعدی از پارامترهای طراحی آنهایی هستند که خلبان روی آنها کمتر کنترل داشته و یا کنترلی روی این عوامل ندارد. استحکام لازم برای این شرایط کاملا بر حسب داده­های آماری می­باشد. آمارها دائما جمع­آوری شده و شرایط طراحی سازه با تفسیر این داده­ها بهبود داده می­شود. این آمارها را می­توان به سادگی برای طراحی هواپیمای مشابه با هواپیمایی که داده­های آماری از آن جمع آوری شده استفاده کرد. متاسفانه این داده­ها را همیشه نمی­توان برای اعمال شرایط جدید، بکار برد.

در طراحی سازه­ای هواپیما عوامل مختلفی دخالت دارند. پیکربندی، شکل آیرودینامیکی هواپیما، ملاحظات وزنی، هزینه، استانداردهای ایمنی هوایی، خستگی، تحمل خرابی، جلوگیری از ارتعاشات خطرناک و غیره برخی از این عوامل و معیارها هستند.

از نظر سازه­ای، ایمنی هواپیما به سه عامل عمده؛

الف- استحکام[۱] هواپیما

ب- سختی[۲] هواپیما

ج- مشخصه­های خستگی[۳] هواپیما

بستگی دارد. در طراحی سازه­ای هواپیما، هدف طرح سازه­ای است که در صورت وارد آمدن بیشترین بارهای ممکن هیچ گونه تغییر شکل دائمی نداشته باشد. تغییر شکل­های موقت اغلب وجود دارد و در صورت دقت دارای مزایایی نیز می­باشد.

وظایف اصلی سازه هواپیما انتقال بارهای وارده و مقاومت در برابر بارهای وارده به منظور حفظ شکل آیرودینامیکی و نیز محافظت از جان مسافران و سیستم­ها در شرایط مختلف پروازی و جوی است.

سازه­ها می­توانند بر دو اساس، طراحی و ساخته شوند.

الف- عمر ایمن[۴]

ب- ایمنی شکست[۵]

سازه­ای عمر ایمن دارد که در صورت وارد شدن بار در طول پرواز به هواپیما، تمامیت سازه حفظ شود و هیچگونه شکستی در سازه ملاحظه نگردد. از آنجا که بارهای وارده و اثرات آن­ها بر سازه هواپیما به طور کامل قابل پیش بینی نیست، ایده ایمنی شکست مطرح شده است. بر طبق این ایده اگر قسمتی از سازه بر اثر بارهای وارده دچار شکست شود، سازه بایستی بتواند آن ماموریت را بدون هیچ خطری به اتمام برساند. بر طبق قوانین FAR سازه هواپیما باید طوری طراحی شود که عمر ایمن داشته باشد ولی بال باید دارای ایمنی شکست باشد.

بارهای وارده به هواپیما در واقع تعیین بارهایی است که هواپیما باید آنها را در شرایط مختلف تحمل کند. منشاء قسمت عمده این بارها جریان هوای اطراف هواپیما است که مطالعه رفتار این بارها بر عهده آیرودینامیک می­باشد.

در طی کاربری هواپیما و پرواز آن انواع بارها به بدنه، بال و دم­ها وارد می­شود. بارهای هوایی ناشی از مانور، باد، وزن، ارتعاش، نیروی محرکه موتور و مانند اینها است. مجموعه­ای از این بارها در شکل ۳-۱ نشان داده شده است.