بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
تأثیرات ویندشیر بر ایمنی پرواز
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.
واﮊههای کلیدی : ویندشیر،ایمنی پرواز، انرﮊی هواپیما، میکروبرست ،دون برست
مقدمـه
هوا بستـر 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 فرکانــسهای بالا و متوسط ساختار هواپیما تحت فشــار قرار مـیگیرد 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 از طریق وارد کردن مولفه های مربوط به ان در معادلات پروازی در شرایط مختلف 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 ویــندشیر بصورت تغییرات کم فرکانس مقدار (و / یا) جهت تمام بردارهای باد شناختـــه 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 تــوجه به حرکت طولی، بردار باد
(معادلــه ۱) به مؤلفههای افقی و عمـودی تجزیه مـیشود 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 : VW
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:
معــادله ممنتوم (معادله 10) نقش تابع را در رسیدگی به حرکت مســـیر پروازی بازی میکند. اساساﹰ با کمک الویتور فقط میتوان زاویه حمله α را تغییر داد. بنابراین از معادله 10 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 :
معادلات ١٥ تا ١٨ معادلات حرکت هواپیما در صفحه متقارن هستند.
شرایط انرﮊی هواپیما در حالت کلی
نشستن و برخاستن دو مرحله مختلف پرواز هستند. در نشستن هواپیما با یک زاویه فرود مشخص برای رسیدن به نقطه معین برخورد با زمین((Toch down در ابتدای باند پرواز میکند. برای بلند شدن اگر همه موتورها در حال کارکردن باشند ، فقط سرعت اسمی مشخص است که در حالت کلی بصورت ) V 2 کمترین سرعت اسمی مورد نیاز برای برخاستن ) بعلاوه مقداری اضافه برای در نظر گرفتن گاست((Gust است . در نشستن و برخاستن ایمنی پرواز در مؤلفههای سرعت هوائی و انحراف ارتفاع مجاز از مسیر پرواز اسمی خلاصه میشود . با در نظر گرفتن این محدودیتها، خلبان اگر احتیاج داشته باشد میتواند از انتقال بین انرﮊی جنبشی و پتانسیل استفاده کند.انتقال از انرﮊی جنبشی به انرﮊی پتانسیل میتواند به صورت تعریف انرﮊی کل محاسبه شود:
و با توجه به وزن هواپیما انرﮊی ارتفاع بصورت زیر میشود :
از آنجا که تغییرات سرعت پرواز نسبت به سرعت پرواز اسمی کوچک است، رابطه تغییرات سرعت و ارتفاع به صورت زیر میشود:
با توجه به رابطه بالا مشاهده می شود که به طور مثال برای مدت زمان کوتاهی که مقدار سرعت پرواز به علت تأثیر ویندشیر کاهش مییابد، از تغییر ارتفاع برای جبران آن می توان استفاده کرد. این محدوده سرعت که بالاتر از سرعت استال در نظر گرفته میشود به طور قابل توجهی تعیین کننده شاخصه ایمنی است.به کارگیری این شاخصه ایمنی،فقط برای شرایط ناگهانی قابل قبول است.برای در نظر گرفتن ایمنی محدودهای مورد نیاز است که در شرایط نرمال پرواز هواپیما با حداقل فاصله از روی موانع عبور کند]۴. [
کارایی پرواز و شرایط انرﮊی در برخاستن
در بلند شدن نقطهای که برای کارآیی در فاز پرواز نامگذاری میشود، به طور واضح توسط زاویه مسیر پرواز γ و سرعت عمودی &H مشخص میشود. از معادلات ١٣ و ١٨ وابستگی شدید این پارامترها به وضعیت باد واضح است . با فرض زاویه کوچک و V ثابت ، زاویه آیرودینامیکی مسیر پرواز در میدان باد شتابدار از معادله ١٥ به صورت زیر بدست میآید :
نسبت تراست به وزن برای سرعت پرواز داده شده و تراست معلوم میتواند به عنوان ثابت فرض شود. با شرط اولیه تغییرات فرکانس پایین باد، فقط نیاز است که تغییرات آرام مسیر پرواز مورد مورد توجه قرار گیرد و چون تغییرات بار بزرگی ظاهر نمیشود ، فرضnz ≈1 را میتوان در نظر گرفت . بنابراین با جایگزینی زاویه انحراف مسیر پایدار γas میدان باد ثابت در معادله ٢٢داریم:
معادله ٢٢ نشان میدهد که زاویه آیرودینامیکی مسیر پرواز به وسیله میدان باد ثابت تأثیر نمیپذیرد . بوسیله معادلات ٢٢ و ٢٣ زاویه آیرودینامیکی واقعی مسیر در میدان باد شتابدار میتواند از مقادیر پایدار آن بدون هیچ تأثیری از باد مشخص شود
بر اساس معادلات ١٣ و ١٤ تأثیرات مؤلفه های باد برای زوایای کوچک به صورت زیر است :
بنابراین تأثیرات میدان باد متغیر بر مسیر پرواز می تواند به صورت زیر توضیح داده شود (شکل ٢):
١-تأثیر شتاب باد واقعی &uwg , &wwg باعث تغییر در زاویه آیرودینامیکی مسیر پرواز γa میشود .
٢-مؤلفههای باد واقعی uwg , wwg که بوسیله زاویه برخورد باد αw نشان داده میشود مستقیماﹰ بر زاویه مسیر پرواز γ تأثیر میگذارد.
مهمترین تغییرات باد که بر ایمنی پرواز تأثیر می گذارد در طوفانها اتفاق می افتد. از جریانی که در طوفانها جاریست
اغلب به عنوان میکروبرست((microburst یا بدلیل جریانهای قوی رو به پائینی که در آنها وجود دارد ، به عنوان دون برست((downburst یاد می شود . طبیعت و شرایط جریانهای اینچنینی از برخاستن موفقیت آمیز با از دست دادن موتور جلوگیری میکند.بنابراین در ادامه اساس کار بر این است، که توانائی کارائی هواپیما بطور کامل است در حالی که تمام موتورها در حال کارکردن میباشند. برای برخاستن در چنین شرایطی مسیر پرواز بخصوصی نمیتوان طراحی کرد. به دلایل مترولوﮊیکال در طوفانها فقط گرادیان باد عمودی منفی((wwz ≤ 0 و گرادیان باد افقی مثبت((U wx ≥ 0 مهم هستند. فقط این مؤلفه ها هستند که می توانند باعث به وجود آمدن جریانهای رو به پائین و ویندشیر از جانب دم شوند]۵. [ از معادله ١٨ و همچنین معادله ٢٢ کاملاﹰ مشاهده میشود که مؤلفه عمودی یک دونبرست به تنهایی نمیتواند منجر به برخورد با زمین شود.
هواپیما توانائی آنرا دارد که به ارتفاعی صعود کند، که در آن جریانهای رو به پائین شبیه سرعت صعود پایدار بدون تأثیر باد است. بطور کلی می توان گفت که با بکارگیری انرﮊی جنبشی ذخیره شده در هواپیما، فقط شرایط طوفانهای بسیار قوی و بنابراین کمیاب هستند که در نهایت منجر به برخورد هواپیما با زمین میشوند. به هر حال، بعضی از تصادف ها خارج از این شرایط هستند. این مسئله دلالت دارد بر هواپیماهایی که در مجموع گرادیانی با پایهuwx ≥ 0.03s−1 پرواز می کنند و محل شروع پرواز در روی محور مختصات قبل از مرکز دون برست بوده است. با توجه به نقطه نظرات مربوط به انرﮊی هواپیما، بهترین و مناسبترین حالت برای عبور از مرکز دونبرست، حالتی است که هواپیما تا جایی که امکان دارد نزدیک زمین پرواز کند،البته اگر شرایط موانع اجازه دهد.
