بخشی از مقاله
چکیده
تأثیر تغییرات باد بر روی هواپیما با واﮊه »ویندشیر« تعریف میشود. درویندشیرهای قوی در مقایسه با حالت استاندارد خلبان به اطلاعات اضافی احتیاج دارد تا توانایی یک عکس العمل مناسب برای پرواز موفقیت آمیز را داشته باشد.بادر نظر گرفتن این نکات بررسی تاثیرات ویندشیر بر هواپیما از طریق وارد کردن مولفه های مربوط به آن در معادلات پروازی در شرایط مختلف پروازی مدنظر قرار دارد. لذا به منظورارتقاﺀ ایمنی پرواز بایستی اطلاعات در مورد تأثیرات ویندشیر افزایش یابد و به یک مدل ساده مهندسی منتقل شود. مهمترین هدف این است که این نتایج بصورت راهنماییهای مناسب برای خلبان تبدیل شود.
مقدمه
هوا بستر پرواز است و تمامی اتفاقاتی که در آن میافتد بر روی مأموریت پروازی تأثیر میگذارد. امروزه شرایط هوا باعث ۰۳ تا ۰۵ درصد از حوادث هوایی است که اتفاق میافتد]۱.[ یکی از فاکتورهای مهم در پاسخ هواپیما فرکانس تغییرات است،لذاآنالیز فرکانس باد در تکنولوﮊی پرواز باید اتخاذ گردد. در فرکانسهای بالا و متوسط ساختار هواپیما تحت فشار قرار میگیرد و تأثیر نامطلوبی بر روی راحتی مسافرین میگذارد اما در فرکانسهای پایین حرکات باد بیشتر بر مسیر پرواز، انرﮊی هواپیما و ایمنی آن تأثیر میگذارد. اهمیت تغییرات بادهای کم فرکانس تا مدت زمان زیادی ناچیز شمرده شده و به واسطه چشمپوشی از اینگونه پدیدههای جوی بسیاری از حوادثی که در اثر این پدیدهها رخ میداد به اشتباه خلبان ربط داده میشد.
به هر حال رسیدگی دقیق به این حوادث باعث آشکار شدن نقش نامناسب این پدیدههای اتمسفری مزاحم گردید. در این مقاله به بررسی تأثیرات ویندشیر بر هواپیما وانرﮊی آن به خصوص در زمان نشستن و برخاستن و نحوه تغییرات آن پرداخته میشود.در مرحله بعد نشان دادن این مسئله که در هر قسمت از جریان چه اتفاقی برای هواپیما روی می دهد، جهت افزایش اطلاعات خلبان مد نظر قرار دارد.
تعریف ویندشیر
با در نظر گرفتن سیستم مختصات به صورتی که صفحه Xg Yg صفحهای موازی با سطح زمین در نظر گرفته شود،بردار باد به این صورت شرح داده میشود:
باد تابعی از مکان و زمان مشاهده است:
برای میدان باد متغیر دیفرانسیل کامل نسبت به زمان، باد بصورت:
نوشته می شود و به آن شتاب ذاتی گفته می شود که این شتاب شامل دو قسمت است:
که ترم اول آن شتاب محلی است که تغییرات نسبت به زمان در یک نقطه ثابت است و ترم دوم شتاب انتقالی است که تغییرات باد نسبت به تغییرات نقطه مورد نظر است. با فرض قرار گرفتن بر روی یک هواپیما هنگامی که در میدان باد متغیر پرواز میکند هر دو قسمت شتاب که تعیین شدند فقط بصورت مجموع است، چون جدا کردن آن از سیستم ثابت زمینی امکان پذیر نیست. مؤلفههای منفرد قابل اندازهگیری عبارتند از:
که به آن ویندشیر گفته می شود. در بعضی از مراجع ویندشیر منحصراﹰ بصورت تغییرات باد افقی شناخته میشود]۲[،اما در اینجا ویندشیر بصورت تغییرات کم فرکانس مقدار - و / یا - جهت تمام بردارهای باد شناخته میشود.
معادلات حرکت هواپیما در صفحه متقارن
با فرض اینکه هواپیما بصورت یک جسم صلب است و با جرم ثابت حرکت میکند، آنگاه از قانون حرکت نیوتن داریم:
که RA نیروی آیرودینامیکی، T تراست و W وزن هواپیماست. همچنین داریم:
که I ممنتوم اینرسی، Ω بردار سرعت زاویه ای، MA ممنتوم آیرودینامیکی و MT ممنتوم تراست است. این یک کار معمول است که حرکت کامل یک هواپیما به دو مؤلفه تقسیم شود، یکی حرکت در صفحه افقی - حرکت جانبی - و دیگری حرکت در صفحه عمودی - حرکت طولی - . در رابطه با مانورهای نشستن و برخاستن حرکت مهم حرکت طولی است. با بررسی تصادفها مشخص میشود که انحراف جانبی از مسیر پرواز مورد نیاز کمتر از تغییرات ارتفاع بر ایمنی پرواز تأثیر میگذارد]۳.[ توزیع باد
در حرکت عرضی به افزایش بار کاری خلبان منتهی می شود، برای مثال تغییرات در باد جانبی باید توسط زاویه باد نمایی مخالف برای نگه داشتن مسیر پرواز طراحی شده نسبت به زمین جبران شود. همچنین توزیع نامتقارن باد عمودی بر روی سطح بال باعث ممان چرخشی میشود و بایستی بوسیله تغییرات ایلرون متعادل شود. با توجه به حرکت طولی، بردار باد
- معادله ۱ - به مؤلفههای افقی و عمودی تجزیه میشود و دیاگرام بردارها بصورت ساده شکل شماره ۱ تبدیل میشود. حرکت هواپیما نسبت به زمین به وسیله بردار سرعت مسیر پرواز VK توضیح داده میشود که تشکیل شده از سرعت پرواز نسبت به هوا V و سرعت حرکت باد نسبت به زمین :
نرخ تغییرات با زمان بردار سرعت مسیر پرواز به وسیله دیفرانسیل معادله ۱۱ تعیین میشود.
زاویه مسیر پرواز γ بصورت مجموع زاویه آیرودینامیکی مسیر γa و زاویه حمله باد αw می شود:
سپس با توجه به شکل شماره ۱ زاویه حمله باد بصورت زیر در می آید:
بنابراین بر اساس معادله ۹ و ۱۱ معادله نیرو در سیستم مختصات آیرودینامیکی بصورت زیر مشخص میشود:
معادله ممنتوم - معادله ۰۱ - نقش تابع را در رسیدگی به حرکت مسیر پروازی بازی میکند. اساساﹰ با کمک الویتور فقط میتوان زاویه حمله α را تغییر داد. بنابراین از معادله ۰۱ چشم پوشی میشود، اما زاویه حمله یک متغیر قابل کنترل است. معادلات ١٥ و ١٦ فقط شامل تأثیرات باد متغیر با زمان است . بنابراین باد یکنواخت تأثیری بر شرایط آیرودینامیکی پرواز هواپیما ندارد گرچه در حرکت هواپیما نسبت به زمین تأثیر میگذارد . با توجه به شکل ۱ داریم :
