هواپیما

هَواپیما (aeroplane)
اولین هواپیما، ساخت برادران رایت
وسیلۀ نقلیه ای موتوردار و سنگین تر از هوا که با بال های ثابت به پرواز درمی آید. نیروی رانشهواپیماها را فشار موتور جت، موتور موشک یا ملخ، و یا ترکیبی از آن ها، تأمین می کند. هنگام طراحی بدنۀ هواپیما، باید ملاحظات آیرودینامیک را در نظر گرفت، زیرا این کار بازدهی پرواز را به حداکثر می رساند. نخستین هواپیمای موتوردار دوباله را برادران رایتدر ۱۹۰۳ در کیتی هاوک، واقع در کارولینای شمالی امریکا، به پرواز درآوردند. ( ← پرواز) با اعمال اصول آیرودینامیک می توان از ایجاد امواج ضربه ای روی سطح بدنه و بال ها، که باعث بی ثباتی و افت قدرت می شود، جلوگیری کرد. برش مقطعی بال هواپیما به شکل سطح هوابُر (برگۀ هوابُر) است؛ یعنی جلوی آن پهن و قوس دار، زیر آن مسطح و گاه با انحنایی جزئی به سمت بالا، و بالای آن خمیده است و انتهای آن رفته رفته باریک و به لبه ای تیز ختم می شود. علت این نحوۀ طراحی آن است که سرعت هوایی که از روی بال عبور می کند افزایش یابد و فشار آن از فشار جوّ کمتر شود و سرعت هوایی که از زیر آن عبور می کند کاهش یابد و در نتیجه، پرفشارتر شود. اثر این دو مکمل یکدیگر و تابع اصل برنولیاست. حاصل این دو نیرویی است که به صورت عمودی رو به بالا اثر می کند و به نیروی بالابری که در جهت عکس وزن هواپیما عمل می کند، معروف است. هنگام پرواز افقی، نیروی بالابر با وزن برابر است. بال ها در زمان حرکت سریع در هوا نیروی بالابر کافی برای نگهداری هواپیما را ایجاد می کنند. نیرویی که هواپیما را به پیش می راند (نیروی رانش) ناشی از واکنش در برابر جریان هوایی است که ملخ آن را با فشار به عقب می راند یا گازهایی که با فشار از خروجی موتور جت خارج می شوند. هنگام پرواز، نیروی رانش موتور باید بر مقاومت هوا، معروف به نیروی بازدارنده، غلبه کند. نیروی بازدارنده بستگی به سطح پیشین، که مثلاً در مسافربری ها، بزرگ و در جنگنده ها، کوچک است، و ضریب نیروی بازدارنده دارد. هنگام پرواز افقی، نیروی بازدارنده با نیروی رانش برابر است. با آیرودینامیکی کردن هواپیما، نیروی بازدارنده کاهش و درنتیجه، سرعت پرواز افزایش می یابد و مصرف سوخت برای نیرویی فرضی کاهش می یابد. هنگامی که برای طی مسافتی مشخص نیاز به حمل سوخت کمتری باشد، ظرفیت بیشتری برای حمل بار یا مسافر وجود دارد. مهمترین عامل تعیین کنندۀ شکل هواپیما سرعتی است که با آن پرواز می کند (← هوانوردی). آیرودینامیکی کردن شکل هواپیمایی که قرار است با سرعتی بسیار کمتر از سرعت صوت، حدود ۹۶۵ کیلومتر در ساعت، حرکت کند، چندان الزامی نیست و برای این هواپیما، می توان بال هایی پهن عمود بر بدنه طراحی کرد. شکل هواپیمایی که نزدیک به سرعت صوت حرکت می کند، باید تا حد ممکن آیرودینامیک باشد و بال هایی روبه عقب داشته باشد تا از ایجاد امواج ضربه ای روی سطح بدنه و بال ها، و درنتیجه ناپایداری و افت شدید قدرت جلوگیری کند. شکل هواپیماهای مافوق صوت باید کاملاً آیرودینامیکی و دارای مشخصات زیر باشد: دماغۀ سوزنی شکل، بال هایی کاملاً روبه عقب، و بدنه ای کمرباریک، مشهور به بدنۀ بطری کوکا. این شکل به هواپیما امکان می دهد که بدون آن که دستخوش اغتشاش های نامطلوب شود، از دیوار صوتی عبور کند. شکل هندسی برخی از هواپیماهای مافوق صوت را برای افزایش انعطاف پذیری آن ها در سرعت های متفاوت با بال های متحرکطراحی می کنند. بال ها در سرعت های کم باز، و در سرعت های زیاد در کنار بدنه جمع می شوند و شکل بسیار کارآمد بال مثلثیرا به خود می گیرند. طراحان هواپیما طرح های گوناگون خود را در تونل باد آزمایش می کنند و با این کار کنش طرح های خود را در عمل مشاهده می کنند. در دهۀ ۱۹۹۰، جت های جنگنده را به منظور دستیابی به سرعت عمل بیشتر به لحاظ آیرودینامیکی به عمد بی ثبات طراحی می کردند. هواپیمای جنگندۀ اروپایی، محصول مشترک انگلستان، آلمان، ایتالیا، و اسپانیا، از آن جمله بود. به این منظور، بال اصلی را با شکلی دائماً متغیر طراحی می کنند که جریان هوای روی آن را قطعه ای کوچک تر از بال تنظیم می کند که سطح آن با سطح بال زاویه تشکیل می دهد. با به کارگیری مصالح مقاوم در برابر گرما، که برخی از آن ها با جذب امواج رادار، هواپیما را از دید سامانه دفاعی دشمن نیز دور نگه می دارند، هواپیماهای جدید را سبک تر و سریع تر ساخته اند. برخی از این هواپیماها با سرعت سه ماخیعنی سه برابر سرعت صوت، حرکت می کنند. هواپیماها را با آلیاژهای سبک ولی مقاوم آلومینیوم، مانند دورآلومینمی سازند. در هواپیماهای مافوق صوت، ممکن است در مناطقی که در معرض افزایش شدید دماست، از فولاد ضد زنگ مخصوص و تیتانیوم استفاده می کنند. روکش اسکلت هواپیما، شامل بال ها و بدنه، را ورقه های آلیاژ تشکیل می دهد که در فواصل معین با ستون های طولی و عرضی (دنده و کش) تقویت می شوند. بدنه هواپیما را با پَرچ یا چسب های قوی، مثل رزین های اپوکسی، به هم متصل می کنند. در برخی از نقاط حساس و مهم، که فشارهای بسیاری را تحمل می کنند، مانند محل اتصال بال به بدنه، قطعات بدنه را برای مقاومت بیشتر از فلز یک تکه قالب گیری می کنند. هنگامی که هواپیما روی زمین است، روی چرخ هایش قرار می گیرد که شامل چرخ های متعدد زیر بال ها و یک یا چند چرخ زیر دماغه است .در همۀ هواپیماها، غیر از برخی هواپیماهای سبک، ارابۀ فرودیا چرخ های هواپیما هنگام پرواز بسته می شوند تا نیروی بازدارنده کاهش یابد. هواپیماهای دریانشین، که فرود و بلندشدن آن ها از روی آب صورت می گیرد، با هیدروفویل های بسته شدنی سازگار می شوند. برای تعادلبال هابه تنهایی کافی نیستند و هواپیما برای ایجاد ثبات به دُم احتیاج دارد. دُم از یک بالک افقیو یک بالک عمودیتشکیل می شود که سکان افقی و عمودی نام دارند. در انتهای بالک افقی، باله هایی لولایی و متحرک قرار گرفته اند که بالابرنام دارند و میزان شیب را تنظیم می کنند. بالا آوردن این بالابرها دم را به پایین می راند و بال ها را به سمت بالا متمایل می کند و در نتیجه، زاویۀ یورشرا افزایش می دهد. این امر باعث می شود که سرعت جریان هوای روی بال ها افزایش یابد و درنتیجه، نیروی بالابر از وزن بیشتر شود و هواپیما اوج بگیرد. البته، هرچه شیب پرواز بیشتر باشد، نیروی بازدارنده نیز افزایش می یابد و درنتیجه، برای حفظ سرعت به قدرت بیشتری نیاز است و دریچۀ سوخت موتور باید باز شود. حرکت بالابرها در جهت مخالف نتیجه معکوس می دهد؛ زاویۀ یورش کم می شود و هواپیما رو به پایین حرکت می کند. در صورت کم نکردن قدرت موتور، سرعت افزایش می یابد. چرخش یا تغییر مسیر با حرکت دادن سکان عمودی هواپیما که به انتهای بالک عمودی متصل است و نیز از طریق کج کردن هواپیما صورت می گیرد. کج کردن را با حرکت دادن شهپرها صورت می دهند. شهپرها باله هایی متصل به یکدیگرند که در انتهای بال ها قرار دارند و در جهت مخالف هم، یعنی یکی به بالا و یکی به پایین حرکت می کنند. در هواپیماهایی که بال مثلثی شکل دارند، مثل کانکرد، شهپرها و بالابرها ترکیب شده اند .دیگر سطوح تنظیم کنندۀ متحرک، که بالهنام دارند، در انتهای بال ها و در کنار بدنه قرار می گیرند. به منظور افزایش پهنا و انحنای بال هنگام برخاستن و فرود، کاملاً آن ها را باز می کنند و با این کار نیروی بالابر را افزایش می دهند. در عین حال، قطعات متحرک لبۀ جلوی بال، تیغهها، را نیز بیرون می آورند و باز می کنند تا هوا بهتر جریان یابد. برای فرود، دماغۀ هواپیما را بالا می کشند تا زاویۀ یورش بال ها از حد بحرانی بیشتر شود و جریان هوای اطراف آن ها کاهش یابد. بدین ترتیب، نیروی بالابر از بین می رود؛ حالتی که افت ناگهانی ارتفاعنام دارد، و هواپیما روی باند فرود می آید. برخی از هواپیماها، مثل هری یر، روش جدیدی برای فرود آمدن و پرواز دارند که در آن، با چرخاندن سر لولۀ اگزوز، موتور جت را به سمت پایین هدایت می کنند تا پرواز و فرود هواپیما به صورت عمودی صورت می گیرد. در بالگردو هواپیمای تبدیلی، به منظور دستیابی به نیروی بالابر برای برخاستن عمودی هواپیما از بال های گردان استفاده می کنند. سطوح کنترل هواپیما را خلبان در کابین و با استفاده از فرمان و پدال ها به کار می اندازد. اهرم های کنترل با سیستم های هیدرولیکی کار می کنند. وجود خلبانِ خودکار امکان حرکت هواپیما در مسیری مشخص و با سرعتی ثابت را مهیا می کند. در هواپیماهای پیشرفتۀ پرسرعت آزمایشی، معروف به هواپیمای دارای آرایش تنظیمی، از سیستم کنترل پیچیدۀ رایانه ای استفاده می شود. در این هواپیماها، خلبان دستور حرکتی را که هواپیما باید صورت دهد، به رایانه می دهد و رایانه با استفاده از داده های دریافتی از مجموعه حسگرهای نصب شده در اطراف هواپیما که ارتفاع، سرعت و گردش موتور آن را اعلام می کنند، سیگنال هایی را به سطوح کنترل و دریچۀ سوخت می فرستد تا امکان حرکت لازم فراهم شود.