الفصل الأول – ديناميكا الهواء PDF
Document Details
Uploaded by DurableTelescope
Tags
Summary
هذا الفصل يدور حول مبادئ الديناميكا الهوائية وتطبيقاتها في تصميم الطائرات والسيارات والسفن. يقدم نظرة عامة على أهمية هذه المبادئ في تصميم الطائرات ويشمل مفهوم الطائرات المسيرة.
Full Transcript
الفصل األول CHAPTER 1 مقدمة عامة الديناميكا الهوائية هي الطريقة التي تتحرك بها االجسام عبر الهوا...
الفصل األول CHAPTER 1 مقدمة عامة الديناميكا الهوائية هي الطريقة التي تتحرك بها االجسام عبر الهواء وهي دراسة القوى والحركة الناتجة لألجسام عبر الهواء وكما ان الديناميكا الهوائية هي فرع من علم الفيزياء يتناول حركة الهواء والسوائل الغازية األخرى ومعا القوى املؤثرة على االجسام التي تمر عبر هذا السائل وتسعى الديناميكا الهوائية على وجهه الخصوص الى شرح املبادئ التي تتحكم بطيران الطائرات والصواريخ والقذائف كما تهتم بتصميم الطائرات واملقذوفات والسيارات والقطارات فائقة السرعة والسفن وكذلك تشييد الهياكل مثل الجسور واملباني الشاهقة لتحديد مدى مقاومتها للرياح العاتية . معا في غمار تفاصيل الرياح وأسرار الرفع ،والقوى لنستكشف قوانين التحليق ونتأمل في تفاعالت في هذا الكتاب ،نخوض ً الهواء حول األجسام املتحركة.إنها رحلة تعليمية ستأخذنا من تحت أجنحة الطائرة إلى أبعد نقاط الفهم اإليروديناميكي، ممزوجة بأمواج اإللهام واإلبداع. إن فهم أساسيات ديناميكا الهواء ،مفيد ومهم للغاية عندما يتعلق األمر بتصميم الطائرات الخاصة بك.لكن حتى لو كنت ً فقط تقوم بمهمة الطيار ،او تعمل في إنتاج الطائرة ،فإن معرفة هذه األشياء مفيد جدا.يمنحك املعرفة ويساعدك على تشخيص املشاكل وخطورة اجراء التعديالت على شكل الطائرة الخارجي إن فهم أساسيات ديناميكا الهوائية يعني تمييز املتغيرات الديناميكية الهوائية األساسية بما في ذلك الضغط والكثافة والسرعة ودرجة الحرارة باإلضافة الى عوامل مثل القوى املؤثرة وأنواع التدفق وتصميم الجنيح هذه املفاهيم األساسية واهميتها في تصميم الطائرة. من املهم جدا خالل دراستنا لاليروديناميك فهم أسطح التحكم في طيران الطائرة وكيف تتحكم بالتيارات الهوائية للتحكم بحركة الطائرة وهذه االسطح هي أجهزة ديناميكية هوائية تسمح للطيار بضبط اتجاه طيران الطائرة والتحكم فيه كان تطوير مجموعة فعالة من أسطح التحكم في الطيران بمثابة تقدم حاسم في تطوير الطائرات .نجحت الجهود املبكرة في تصميم الطائرات ذات األجنحة الثابتة في توليد قوة رفع كافية إلخراج الطائرة من األرض ،ولكن بمجرد أن ارتفعت الطائرة، ثبت أنها ال يمكن السيطرة عليهاً ، وغالبا ما كانت النتائج كارثية .إن تطوير ضوابط الطيران الفعالة هو ما سمح برحلة مستقرة ستخدم اإليروديناميكا في العديد من املجاالت ،بما في ذلك: الطيران :تستخدم األيروديناميك لتصميم الطائرات وتحسين أدائها. السيارات :تستخدم األيروديناميك لتصميم السيارات وتحسين أدائها. السفن :تستخدم األيروديناميك لتصميم السفن وتحسين أدائها. الطاقة :تستخدم األيروديناميك في توليد الطاقة من الرياح. الهندسة املدنية :تستخدم األيروديناميك في تصميم املباني والجسور واألنفاق. الطائرات املسيرة الطائرة املسيرة أو الطائرة بدون طيار باإلنجليزية ): (Unmanned Aerial Vehicle - UAVهي نوع من الطائرات التي تعمل بدون وجود طيار على متنها.يتم التحكم في هذه الطائرات عن ُبعد أو يمكن أن تكون مبرمجة لتنفيذ مهامها بشكل آلي.تستخدم الطائرات املسيرة في مجموعة واسعة من التطبيقات ،بما في ذلك الرصد واالستطالع ،واالستكشاف ،والتصوير الجوي، والبحث واإلنقاذ ،واالستخدامات العسكرية. ً حاسما في تصميم الطائرات املسيرة ،ويستخدم في العديد من التطبيقات العملية.إليك بعض علم اإليروديناميكا يلعب ً دورا أمثلة على تلك التطبيقات: .1تصميم األجنحة واملظالت :يستخدم علم اإليروديناميكا في تصميم شكل ومقاطع األجنحة واملظالت لتحقيق تدفق هوائي فعال وتوليد رفع مطلوب بأقل قدر ممكن من السحب.يتم تحسين توزيع الضغط على األجنحة وتشكيلها لضمان استقرار الطائرة وتقليل االهتزازات الجوية. .2تحسين األداء والكفاءة :يستخدم علم اإليروديناميكا في تحسين أداء الطائرات املسيرة وزيادة كفاءتها الحركية يتم تحليل وتصميم الطائرة بحيث يتم تقليل السحب واملقاومة الهوائية العامة ،وذلك من خالل تحسين تدفق الهواء حول الهيكل وتقليل التشوهات والتغيرات في الضغط. .3تصميم الذيل والتوجيهات :يستخدم علم اإليروديناميكا في تصميم الذيل والتوجيهات األفقية والرأسية للطائرة املسيرة.تحليل التدفق الهوائي حول هذه األجزاء يساعد في تحقيق االستقرار الطولي واألفقي للطائرة وتحسين التحكم في الحركة واملناورات. .4تحسين التحكم األوتوماتيكي :يستخدم علم اإليروديناميكا في تصميم وتحسين أنظمة التحكم األوتوماتيكية للطائرات املسيرة.يتم تحليل تأثير الهواء على األجزاء املتحركة مثل األجنحة املتحركة واملراجل واألذيل ،وذلك لتحديد املتغيرات التحكمية وتصميم نظام التحكم بحيث يمكنه التعامل مع التغيرات في الظروف الجوية بكفاءة عالية. .5تحليل األداء الجوي :يستخدم علم اإليروديناميكا في تحليل أداء الطائرات املسيرة ،مثل التنبؤ بالقدرة على الطيران والسرعة القصوى واملدى وحمولة الطائرة.يتم استخدام نتائج اختبارات اإليروديناميكا والنماذج الرياضية لتقييم وتحسين األداء الجوي للطائرة. هذه مجرد بعض التطبيقات العملية لعلم اإليروديناميكا في تصميم الطائرات املسيرة.هناك العديد من االستخدامات األخرى لعلم اإليروديناميكا في هذا املجال ،وتتطور باستمرار مع التقدم التكنولوجي واالبتكار في مجال الطيران املسير تتكون الطائرات املسيرة من مجموعة متنوعة من املكونات ،بما في ذلك: ً مصنوعا من مواد خفيفة الوزن وقوية ،مثل الكربون فايبر .1الجسم :هو الهيكل الخارجي للطائرة املسيرة.عادة ما يكون أو البالستيك. .2األجنحة :هي املسؤولة عن توليد قوة الرفع التي تبقي الطائرة املسيرة في الهواء.يمكن أن تكون األجنحة ذات أشكال ً اعتمادا على حجم ووزن الطائرة وأحجام مختلفة، املسيرة وتطبيقها. كما يؤثر شكل األجنحة على قدرة الطائرة املسيرة على توليد قوة الرفع واالستقرار .على سبيل املثال ،تتمتع األجنحة ذات الشكل املنحني بقدرة أفضل على توليد قوة الرفع ،مما يسمح للطائرة املسيرة بالطيران بسرعة أكبر أو ً ارتفاعا أكبر.ويؤثر حجم األجنحة على مقدار قوة الرفع التي يمكن توليدها .على سبيل املثال ،تتمتع األجنحة األكبر ً حجما بقدرة أفضل على توليد قوة الرفع ،مما يسمح للطائرة بالطيران بحمولة ثقيلة أو في ظروف جوية صعبة.كما تالحظ في الصورة. هاما في استقراردورا ً .3الذيل :الذيل في الطائرات يلعب ً وتحكم الطائرة.إليك بعض الفوائد الرئيسية للذيل في الطائرات: .1استقرار االرتفاع :يعمل التمثال الرأس ي في الذيل (الذيل العمودي) على توجيه الطائرة في االتجاه الرأس ي والحفاظ على استقرارها في االرتفاع.عندما يواجه الطائر تيار هوائي جانبي أو اضطرابات ،يعمل التمثال الرأس ي على توجيه الطائرة للحفاظ على مسارها الرأس ي املستقيم. أيضا على توجيه الطائرة في االتجاه األفقي (امليل الجانبي).عند.2توجيه الطائرة :يعمل التمثال الرأس ي ً استخدام الطارة املوجودة على التمثال الرأس ي (الطارة الرأسية) ،يمكن للطيار تغيير اتجاه الطائرة وإجراء املناورات الجانبية. .3استقرار الطائرة :يلعب التمثال األفقي في الذيل ً دورا في استقرار الطائرة في االتجاه األفقي (امليل األمامي والخلفي).يتم تعديل زاوية التمثال األفقي باستخدام اللوائح املوجودة عليه (اللوائح األفقية) ،وهذا يساعد في تعديل الرفع واملقاومة واستقرار الطائرة. .4توازن الطائرة :يساهم الذيل في تحقيق توازن الطائرة.بفضل التصميم السليم للذيل وتوزيع األحمال الجيد، يمكن للطائرة الحفاظ على توازنها أثناء الطيران واملناورات باإلضافة إلى هذه األجزاء األساسية ،قد تحتوي الطائرات املسيرة ً أيضا على أجزاء أخرى لها عالقة بالديناميكا الهوائية ،مثل: .1الزعانف :هي أسطح صغيرة تقع على األجنحة أو الذيل أو السطح السفلي للطائرة املسيرة.تساعد الزعانف على تحسين االستقرار أو التحكم في الطائرة املسيرة. .2املثبتات :هي أسطح صغيرة تقع على األجنحة أو الذيل أو السطح السفلي للطائرة املسيرة.تساعد املثبطات على تقليل سرعة الطائرة املسيرة أو تغيير اتجاهها. .3سطح التحكم في الرفع واالنعراج :هو سطح أفقي يقع على الجزء العلوي من الطائرة املسيرة.يستخدم سطح التحكم في الرفع لزيادة أو تقليل قوة الرفع واالنعراج للطائرة املسيرة. يتم تصميم أجزاء الطائرات املسيرة الخارجية بعناية لتحسين الديناميكا الهوائية للطائرة.يساعد ذلك على تحسين أداء الطائرة املسيرة واستقرارها وتحكمها .4املحرك :هو املسؤول عن توليد قوة الدفع التي تدفع الطائرة املسيرة إلى األمام.يمكن أن تكون املحركات ذات أنواع مختلفة، مثل املحركات النفاثة أو املحركات املكبسية أو املحركات الكهربائية. system and controlالنظام والتحكم أجهزة يتم التحكم في الطائرات املسيرة باستخدام نظام تحكم يتكون من أجهزة استشعار ومعالج وأجهزة تحكم. ُ االستشعار :تستخدم أجهزة االستشعار لقياس سرعة وارتفاع واتجاه الطائرة املسيرة.تتضمن أجهزة االستشعار الشائعة املستخدمة في الطائرات املسيرة ما يلي: أجهزة االستشعار :تُستخدم أجهزة االستشعار لقياس بيانات الطيران ،مثل السرعة واالرتفاع واالتجاه المعالج :يعالج البيانات من أجهزة االستشعار ويصدر األوامر إلى أجهزة التحكم المعالج أجهزة التحكم :تقوم أجهزة التحكم بتشغيل المحركات وتوجيه األجنحة أجهزة االستشعار: ُ تستخدم أجهزة االستشعار لقياس بيانات الطيران ،مثل السرعة واالرتفاع واالتجاه.تتضمن أجهزة االستشعار الشائعة املستخدمة في الطائرات املسيرة ما يلي: مقياس التسارع :يقيس مقياس التسارع تغيرات السرعة. مقياس االرتفاع :يقيس مقياس االرتفاع ارتفاع الطائرة املسيرة. الجيرسكوب :يقيس الجيرسكوب االتجاه والدوران للطائرة املسيرة. الكاميرا :يمكن استخدام الكاميرا لرؤية العالم من حول الطائرة املسيرة. رادار :يمكن استخدام الرادار لقياس املسافة واالتجاه إلى األجسام القريبة. املعالج: يعالج املعالج البيانات من أجهزة االستشعار ويصدر األوامر إلى أجهزة التحكم.يقوم املعالج بتنفيذ خوارزميات التحكم التي تحدد كيفية توجيه وتشغيل الطائرة املسيرة. أجهزة التحكم: تقوم أجهزة التحكم بتشغيل املحركات وتوجيه األجنحة.تتضمن أجهزة التحكم الشائعة املستخدمة في الطائرات املسيرة ما يلي: محرك :يقوم املحرك بدفع الطائرة املسيرة لألمام. جناح :يولد الجناح قوة الرفع التي تبقي الطائرة املسيرة في الهواء. دفة :تتحكم الدفة في االتجاه والدوران للطائرة املسيرة. رفرف :يتحكم الرفرف في االرتفاع للطائرة املسيرة. التحكم اليدوي في التحكم اليدوي ،يقوم الطيار بتوجيه الطائرة املسيرة باستخدام جهاز تحكم عن بعد.يقوم الطيار باستخدام جهاز التحكم عن بعد لتحديد سرعة وارتفاع واتجاه الطائرة املسيرة. التحكم اآللي في التحكم اآللي ،يقوم الكمبيوتر بتوجيه الطائرة املسيرة باستخدام البيانات من أجهزة االستشعار.يمكن أن يشمل التحكم اآللي ميزات مثل: التحكم اآللي في الهبوط :يمكن لنظام التحكم اآللي في الهبوط توجيه الطائرة املسيرة إلى الهبوط بأمان على سطح مستو. ٍ تجنب العقبات :يمكن لنظام تجنب العقبات استخدام أجهزة استشعار الكتشاف العقبات وتوجيه الطائرة املسيرة ً بعيدا عنها. ً مسبقا. التوجيه الذاتي :يمكن لنظام التوجيه الذاتي توجيه الطائرة املسيرة إلى مسار محدد السالمة: يتم تصميم أنظمة التحكم في الطائرات املسيرة لضمان سالمة الطائرة.تتضمن ميزات السالمة الشائعة ما يلي: .1التحكم في االرتفاع املنخفض :يمكن لنظام التحكم في االرتفاع املنخفض منع الطائرة املسيرة من االقتراب من األرض أو املاء. .2التحكم في الحد من السرعة :يمكن لنظام التحكم في الحد من السرعة منع الطائرة املسيرة من الطيران بسرعة أكبر من السرعة املحددة. .3التحكم في الحد من التسارع :يمكن لنظام التحكم في الحد من التسارع منع الطائرة املسيرة من التسارع بسرعة أكبر من السرعة املحددة. املستقبل: تستمر تكنولوجيا أنظمة التحكم في الطائرات املسيرة في التطور.مع استمرار التطورات في هذا املجال ،ستصبح الطائرات املسيرة أكثر ً أمانا وكفاءة وقدرة على املناورة. فيما يلي بعض االتجاهات املستقبلية في أنظمة التحكم في الطائرات املسيرة: الذكاء االصطناعي :يمكن استخدام الذكاء االصطناعي لتحسين قدرات التحكم في الطائرات املسيرة.على سبيل املثال، يمكن استخدام الذكاء االصطناعي لتحسين قدرات الطائرة املسيرة على تجنب العقبات واتخاذ القرارات املستقلة. التعلم اآللي :يمكن استخدام التعلم اآللي لتحسين قدرات التحكم في الطائرات املسيرة.على سبيل املثال ،يمكن استخدام التعلم اآللي لتدريب الطائرة املسيرة على الطيران في ظروف جوية صعبة. واقع املعزز والواقع االفتراض ي :يمكن استخدام الواقع املعزز والواقع االفتراض ي لتحسين تجربة التحكم في الطائرات املسيرة.على سبيل املثال ،يمكن استخدام الواقع املعزز لعرض معلومات الطيران على شاشة أمام الطيار. محاور الحركة واسطح التحكم أسطح التحكم الشائعة في الطائرات التقليدية واملسيرة على النحو التالي: الرافع ( :)Elevatorتقع عادة على الذيل األفقي للطائرة وتستخدم للتحكم في الحركة الرأسية للطائرة.عند رفع الطارة ،يتحرك خلف املحور الرئيس ي للطائرة ويساهم في تحقيق حركة الصعود ،بينما عند خفض الطائرة ،يساهم في تحقيق حركة الهبوط. األجنحة ( :)Aileronsتقع عادة على األجنحة وتستخدم للتحكم في الحركة األفقية الجانبية (امليل الجانبي).تعمل األجنحة على زيادة الرفع على جناح واحد وتقليله على الجناح اآلخر ،مما يسبب حركة االنحراف.عند رفع األجنحة على جانب واحد وخفضها على الجانب اآلخر ،يتحرك الطائرة حول محور األمام والخلف (املحور الطولي). ُ الدفة الجانبية ( :)Rudderتقع على الذيل العمودي للطائرة وتستخدم للتحكم في الحركة الرأسية (امليل الرأس ي).تستخدم يسارا عن طريق تحريكها ً يمينا أو ً يسارا.تساعد الطارة الجانبية في تعديل مسار الدفة الجانبية لتوجيه الطائرة ً يمينا أو ً الطائرة وتعويض أي انحراف جانبي ناتج عن تأثيرات خارجية مثل التيارات الجوية الجانبية. محاورالحركة: هناك محاور رئيسية تتحرك عليها الطائرة أثناء التحليق والتحكم.هذه املحاور هي: .1املحور الطولي (Longitudinal Axis):يمتد عبر الطائرة من األمام إلى الخلف ويمر عبر مركز الجاذبية.تتحرك الطائرة حول هذا املحور عند استخدام الطارة (الذيل األفقي) للتحكم في امليل األمامي والخلفي (حركة الصعود والهبوط). .2املحور العرض ي (Lateral Axis):يمتد عبر الطائرة من جانب آلخر ويمر عبر مركز الجاذبية.تتحرك الطائرة حول هذا املحور عند استخدام األجنحة (األجنحة واألجنحة الفرعية) للتحكم في امليل الجانبي (حركة االنحراف). .3املحور الرأس ي (Vertical Axis):يمتد عبر الطائرة من أعلى إلى أسفل ويمر عبر مركز الجاذبية.تتحرك الطائرة حول ً ويسارا). هذا املحور عند استخدام الطارة الجانبية (الذيل العمودي) للتحكم في امليل الرأس ي (حركة االتجاه ً يمينا Primaryضوابط الطيران األساسية عناصر التحكم األساسية هي الجنيحات والرافع والردر ،والتي توفر القوة الديناميكية الهوائية لجعل الطائرة تتبع مسار الرحلة املطلوب. الر افع :ELEVATOR عندما يحرك الطيار أدوات التحكم في الراديو لألمام ،تنحرف سطح دفة الرفع لألسفل.وهذا يزيد من انحناء املثبت األفقي مما يؤدي إلى زيادة الرفع .يؤدي الرفع اإلضافي على سطح الذيل إلى دوران حول املحور األفقي للطائرة ويؤدي إلى تغير في موضع الطائرة باالنخفاض من األمام.يحدث العكس مع حركة أدوات التحكم للخلف في قمرة القيادة. ُ دفة االنعراج او االنحراف :AILERONSتتحكم هذه الدفات باالنعراج حول املحور الطولي .ت َّثب ُت هذه الدفات على الحافة وصل هذه الدفات بعصا التحكم من خالل نظام كهربائي الخلفية الخارجية لكل جناح وتتحرك في اتجاهات متعاكسة ُ.ت َ ميكانيكي.عندما يحرك الطيار عصا التحكم في الراديو إلى اليسار ،تنخفض الدفة في الجناح األيمن الى االسفل ،مما يزيد الرفع على ذلك الجناح .في الوقت نفسه ،ترتفع الدفة في الجناح االيسر ،مما يقلل الرفع على ذلك الجناح .هذا الخلل في الرفع يجعل الطائرة تنعطف إلى اليسار .بعكس ذلك ،يؤدي تحريك عصا التحكم إلى اليمين إلى عكس التأثير ،مما يجعل الطائرة ً حاسما في ضمان قدرة الطائرة على املناورة واالستقرار أثناء الطيران . تنعطف إلى اليمين .بشكل عام ،تلعب هذه الدفات ً دورا تتيح قدرتها على التحكم باالنعراج للطيار البدء باالنعطافات وتسوية األجنحة وتصحيح االضطرابات في الهواء. دفة الرادر:RUDDER لزيادة في انحراف هذه الدفة يؤدي إلى زيادة في انحراف الطائرة ولكن هذا بدوره يسبب زيادة في االعاقة.تسبب هذه اإلعاقة ً اإلضافية في تباطؤ الطائرة قليال مما يؤدي إلى دوران حول املحور الرأس ي ،والذي ُيشار إليه باليو.للتغلب على هذا الياو، يتطلب إدخال الدفة الجانبية أثناء دخول وخروج من منعطف.لتقليل كمية الياو الضار الناتجة أثناء املنعطف.وعند توجيه عصا التحكم في الراديو الى اليسار تتوجه الدفة الى اليسار أيضا وعند توجية عصا التحكم في الراديو الى اليمين تتوجه الدفة الى اليمين أيضا أما بالنسبة للمصطلحات اإلنجليزية املستخدمة ،فهي كما يلي: Longitudinal Axisاملحور الطولي. Pitchالصعود والهبوط. Elevatorالرافع الطائرة (الذيل األفقي). Lateral Axisاملحور العرض ي. Roll:االنحراف (الحركة الجانبية). Ailerons:األجنحة الرئيسية. Flaps:األجنحة الفرعية. Vertical Axis:محور الرأس ي. Yaw:االتجاه اليمنى واليسرى. Rudder:طارة الطائرة (الذيل العمودي).