بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به طراحی یک وسیله نقلیه ترکیبی تحت عنوان هاورکرافت پرنده پرداخته شده است. امروزه به دلیل پایین بودن راندمان هاورکرافت استفاده انبوه از آن در بسیاری مناطق منسوخ گردیده، اما به دلیل کاربرد هاورکرافت در مناطق دریایی که با محدودیت آبخور روبرو هستند استفاده از آن هرچند با راندمان پایین را توجیه میکند. در این مقاله، با اضافه کردن بال به هاورکرافت کاربردی جدید به دامنه خدمات آن اضافه شده و خصوصیات و کاربردهای آن مورد بررسی قرارگرفته است.
پارامترهای طراحی بر اساس روابط موجود در طراحی هاورکرافت و همچنین روابط حاکم بر طراحی هواپیما بدست آمده است. از جمله پارامترهای ارائه شده، فشار خروجی هوا، دبی و سرعت هوای خروجی، مساحت سوراخهای دامن هاورکرافت، مساحت بال، اندازه نازل و ... می باشد. همچنین پس از پایان عملیات محاسبهء نیروها و طراحی هاورکرافت پرنده با نرم افزار سالیدورک و شبیه سازی جریان حول بدنه آن با CFX، نتایج بدست آمده از تست مدل رادیوکنترل ساخته شده ، ارائه گردیده است.
مقدمه
هاورکرافت نوعی شناور است که با بهره گیری از نیروی آیرواستاتیک بر روی بالشتکی از هوا معلق می ماند. این کار با دمیدن هوا با فشار به زیر هاورکرافت صورت میگیرد و تاثیر این فشار بر سطح زیرین هاورکرافت نیروی لازم جهت شناور ماندن آن در هوا را تامین میکند. این شناوری به هاورکرافت امکان می دهد که علاوه بر آب، در خشکی نیز بتواند فعالیت کند. به دلیل شناور بودن هاورکرافت در هوا، نیروی درگ وارد بر آن به شدت کاهش یافته و امکان رسیدن به سرعتهای بالاتر را مقدور میسازد، از این رو هاورکرافت را در مجموعهء شناورهای تندرو دسته بندی میکنند.
امروزه حمل و نقل - کالا و مسافر - یکی از مهمترین فعالیت هایی است که دولت ها بر روی آن سرمایه گذاری میکنند. حمل و نقل از طریق خودرو، قطار، هواپیما و همچنین کشتی ها صورت میگیرد، اما به دلیل محدودیت هایی چون مناطق صعب العبور فاقد خطوط ریلی و جاده ای و همچنین مناطق دریایی با محدودیت آبخور، نیاز به ابزاری چون هاورکرافت احساس میشود.
اما یک سوال مطرح میشود که اگر یک هاورکرافت در مسیر عبور خود به کوه یا جزیره ای برسد، چه باید کرد؟
ساده ترین جواب قطعا این خواهد بود که میبایست کوه را دور بزند! اما به دلایل زیر این کار به صرفه نیست:
-1 مصرف سوخت بیشتر
-2 مدت زمان بیشتری برای طی کردن مسیر باید صرف کرد
که باعث نارضایتی مالکان کالا یا مسافران خواهد شد؛ از اینرو با اضافه کردن بال به هاورکرافت امکان پرواز را به آن اضافه کرده تا در صورت قرار گرفتن مانعی بر سر راه آن، بتواند با پرواز از آن عبور کند، همچنین فواید دیگری خواهد داشت که در ادامه به آن اشاره خواهد شد.
هاورکرافت شناوری است که به عنوان "وسیله نقلیهء بالشتک هوایی" یا به اصلاح "$LU &XVKLRQ 9HKLFOH - $&9 - " شناخته شده است. این وسیلهء نقلیه که اولین بار در سال 1959 در انگلستان ساخته شد، توانایی حرکت در آب، خشکی، یخ و دیگر سطوح را نیز دارد. همانطور که گفته شد بالش هوای بوجود آمده در هاورکرافت این امکان را میدهد که به راحتی بدنه را از سطح جدا سازد - این کار با ایجاد فشار بین بدنه و سطح زیرین امکان پذیر است - در نتیجه همانند شناورهای هیدروفویلی مقاومت آب از بین میرود، در این حالت، وسیله نقلیه میتواند به کمک ملخ با سرعت 80 گره 150 - کیلومتر بر ساعت - حرکت کند.
شکل - - 1 قسمتهای عملیاتی و اصلی یک هاورکرافت را نشان میدهد. به طور خاص برای هاورکرافت مورد مطالعه، چهار گروهی اصلی، شامل: سازه، نیروی برآ، تراست و سیستم های فرماندهی خواهیم داشت. که در شکل - - 1 نشان داده شده است.
شکل - : - 1 اجزای سیستم یک هاورکرافت
در سیستم نشان داده شده، در شکل - 1 - یک فن محوری برای تولید گردابه و افزایش انرژی جنبشی مورد استفاده قرار گرفته، که با استفاده از یک مکانیزم اجکتوری هوای بالشک و همچنین نیروی رانش را تامین میکند. هوا به نوعی دامن انعطاف پذیر وارد شده و به هاورکرافت این امکان را میدهد که بین 30 تا 50 میلیمتر از سطح جدا شود و با سرعت 36 کیلومتر بر ساعت حرکت کند.
امروزه معمولا هاورکرافت به صورت تخصصی برای حمل و نقل در امداد رسانی، نیروی زمینی در سواحل و شناسایی و همچنین در ورزش و سرویس به مسافران کاربرد دارد. نسخه های بسیار بزرگتر آن برای حمل تانک ها، سربازان و تجهیزات سنگین در مناطع ناهموار زمین به کار گرفته میشود. در مناطق رودخانه ای به یک ناوگان حمل و نقل نیاز است که سریع، اقتصادی، ایمن و کم هزینه باشد. هاورکرافت به دلیل داشتن بهترین عملکرد در خشکی و دریا، نسبت به یک قایق در زمان کمتری خدمات می دهد
شکل - : - 2 طرح کلی بدنه هاورکرافت
در این طرح از یک سیستم یکپارچه شامل دو فن، یکی برای تولید نیروی برآ و دیگری برای تولید نیروی تراست استفاده شده است. برای بهبود راندمان سیستم تولید نیروی برآ، فن را در قسمت جلوی بدنه نصب کردیم، به همین دلیل جلوی بدنه هاورکرافت با زاویه حدود 20 درجه طراحی شد که باعث افزایش راندمان و ورود حجم بیشتری از هوا به بالشتک می شود. همچنین برای افزایش راندمان پروانهء تولید تراست در پرواز کروز میبایست یک بدنهء کاملا خط جریانی داشته باشیم که شبیه سازی های انجام شده این موضوع را تایید میکند. استفاده از این فرم بدنه گزینه های اقتصادی را توجیه میکند.
مدل سازی جریان حول بدنه اصلی بدون ملحقات:
شکل : - 3 - خطوط جریان شکل : - 4 - کانتور فشار و سرعت
همانطور که در شکل - 2 - نشان داده شده است، بدنهء اصلی هاورکرافت یک بدنه کاملا خط جریانی است. جسم خط جریانی - Streamlined - body جسمی است که شکل هندسی آن موجب می شود جدایش ناشی از نیروهای مقام در حین حرکت در سیال، تا حد ممکن به تاخیر بیفتد. این پدیده موجب کاهش نیروی مقاوم و در نتیجه کاهش تلفات انرژی می شود. از این ویژگی در طراحی وسایل نقلیه مانند هواپیماها، خودروها و حتی کشتی استفاده می شود
یک جسم خط جریانی زمانی که در شاره ای از هوا یا آب قرارگیرد، سیال این امکان را دارد که تمام طول جسم را بدون جدایش طی کند. همانطور که در شکل - 3 - مشاهده میکنید، خطوط جریان بدون جدایش طول جسم را طی میکند. این طراحی خط جریانی به دلیل وجود نازل و موتور در عقب هاورکرافت پرنده می باشد. این عمل باعث میشود که پروانه توانایی اعمال انرژی به حجم زیادی از هوا را داشته باشد.
همچنین در شکل - 4 - به طور همزمان کانتورهای تغییرات سرعت و فشار بر روی بدنهء اصلی هاورکرافت پرنده نمایش داده شده است که بر اساس رابطهء برنولی، افزایش سرعت موجب کاهش فشار شده و کاهش سرعت باعث افزایش فشار خواهد شد.
طراحی قطعات اصلی
- بدنه و محاسبات مربوط به دامن - - Skirt
قصد ما این است که هاورکرافت مدل بسازیم بنابراین وزن کل مورد نظر 4.5 کیلوگرم محاسبه گردیده که 1 کیلوگرم به عنوان وزن محموله - بار - در نظر گرفته شده است. 3.5 کیلوگرم دیگر شامل وزن بدنه، دامن، سیستم فرمان، موتور، پروانه و ... می باشد. در شکل - 5 - ابعاد بدنه اصلی هاورکرافت را مشاهده میکنید.
