مقاله کاربرد سرو موتور در کىترل هواپیما

بخشی از مقاله

چکیده:

امروزه به وسیله هواپیما میلیونها نفر در سراسر دنیا از نقطه ای به نقطه ای دیگر ، در زمانی ناچیز در حال جابجایی هستند. این جابجایی ها باید مطمئن ، راحت ، دقیق و در کمال امنیت جانی کامل صورت گیرد؛ انسان به تنهایی قادر به انجام این امر نیست و نیاز به تجهیزاتی دارد که او را در این امر یاری کند. با توجه به اصول آیرودینامیک و سازه هواپیما که در این مقاله به آنها اشاره شده است در می یابیم که در طراحی یک هواپیما فاکتورهای وزن ، دقت و سرعت در کنترل و استحکام از فاکتورهای بسیار مهم به شمار می آیند و با بزرگتر شدن هواپیماها ، نیاز به آلیاژهای فلزی مقاوم تر ، ترکیبات شیمیایی جدیدتری جهت استحکام بخشیدن به هواپیما و نیز تجهیزات مدرن جهت کنترل هواپیما محسوس تر می شود.

از آنجایی که موتورهای الکتریکی دارای خصوصیاتی نظیر وزن کم ، انرژی مصرفی پایین ، دقت بالا و از همه مهمتر قابلیت برنامه ریزی می باشند در صنعت هواپیما سازی استفاده از آنها رواج پیدا کرده است. سرو موتور گونه از موتورهای الکتریکی است که قادر به کنترل وضعیت به صورت پیوسته، بادقّت بالا و سرعت پاسخ بالا است در عین حال این موتور جزو موتورهای الکتریکی سبک و کم حجم است و می توان با یک طراحی خوب، بهترین نتیجه را درکنترل وضعیت و موقعیت سطوح کنترلی و در نهایت کنترل هواپیما کسب نمود. این نتیجه در شبیه سازی یک میکرو سرو موتور در هواپیمای بدون سرنشین نیز مشاهده شد.

-1-1 مقدمه

انسان از دیرباز آرزوی پرواز در آسمان بیکران آبی را داشته است. امروزه این آرزو در سایه صنعت هوانوردی تحقق یافته است و روزانه ایده های جدیدتری در این صنعت مطرح و اجرا می شوند.

به وسیله این اختراع روزانه میلیونها نفر درسراسر دنیا در زمانی ناچیز از نقطه ای به نقطه دیگر در حال جابجایی هستند که این جابجایی ها باید با اطمینان ، راحت و امنیت جانی کامل صورت پذیرد تا از تلفات و ضررهای احتمالی جلوگیری گردد. ولی انسان به تنهایی قادر به انجام این امر نیست؛ لذا یک هواپیما نیاز به سیستمها و مدارات الکتریکی و کنترلی قابل برنامه ریزی دارد تا انسان به کمک آنها هواپیما را با امنیت بیشتر و کمترین خطا هدایت نماید. لذا مبحث کنترل هواپیما بیش از پیش مورد بررسی قرار گرفته شده است. اهمیت این موضوع در سرعتهای بالا بیشتر است.

موتورهای الکتریکی به دلایل حجم کم ، وزن کم ، انرژی مصرفی مناسب و دقت و سرعت پاسخ دهی بسیار بالا و قابل برنامه ریزی بودن جای خود را در صنعت هوایی باز کرده اند و روز به روز به موارد استفاده آنها افزوده می شود. کاربرد اعظم این قبیل موتورها در هواپیما در سطوح کنترل و فرامین هواپیما است.

در این مقاله به بررسی اهمیت و کاربرد سرو موتور در سطوح کنترلی هواپیما می پردازیم؛ در ابتدا توضیح مختصری در رابطه با علم هوانوردی ، اصول سازه هواپیما ، تعادل ، کنترل ، معرفی سطوح کنترل و تغییر مسیرها بیان می کنیم و سپس به جزئیات عملکرد ، نحوه نصب و شبیه سازی این موتور در کنترل هواپیما می پردازیم.

انسان برای پرواز در آسمان ، این آرزوی به نظر دست نیافتنی ، اقدام به طراحی وسایل مختلفی برای تحقق آن کرد که اولین ایده ساختن بالی شبیه بال پرندگان بود که نتیجه ای را به دنبال نداشت. اولین شخصی که در علوم هوانوردی از خودش فعالیت نشان داد Francesco Melzi بود. اما اولین طراحی موفق توسط نابغه ایتالیایی - داوینچی - در بیش ار 400 سال پیش مطرح شد که چیزی شبیه چرخ بال امروزی بود.

اولین پرواز با هواپیما توسط برادران Wright انجام شد. و به دنبال آن اولین کسانی که در صنعت هوانوردی از موتور الکتریکی استفاده کردند برادران نیاندیه در سال 1883 بودند.

در طراحی های شکست خورده اولیه که توسط دانشمندان انجام می شد یک سری اصول معروف به اصول آیرودینامیکی رعایت نمی شد! در ادامه این اصول را توضیح می دهیم.
 
-2 علم آیرودینامیک [ 1 ] - [ 4 ]

آیرودینامیک مبحثی از علم مکانیک است که درباره اجسام شناور در هوا به خصوص چگونگی پرواز صحبت می کند 

هوا نیز مانند تمام موجودات از مولکول تشکیل شده است. هوا در یک تقسیم بندی دیگر از لایه های افقی روی هم به نام الیاف هوا تشکیل شده که این الیاف از بینهایت مولکول تشکیل شده اند به عبارتی دیگر مولکولهای هوا درمجاورت هم و در یک طبقه تشکیل الیاف هوا را می دهند . این مولکول ها با هم در ارتباطند و به هنگام اعمال یک تغییر ، آن را مانند مواکول های یک رسانا به مولکولهای بعد از خود منتقل می کنند.

در ساختمان یک هواپیما مهمترین اصل صاف و صیقل بودن سطوح خارجی هواپیماست. زیرا کوچکترین ناصافی باعث بر هم زدن نظم الیافها و در نتیجه ایجاد انواع درگ سطحی در هواپیما می گردد. در مورد اتصالات نیز باید از این قوانین طبعیت کنیم تا درگهای مربوطه - اینترفیس درگ ، لایه مرزی ، جریانهای حلقوی و غیره - را به حداقل برسانیم.

دانشمندان با مطالعه بر روی بال پرندگان و مشاهده چکیدن قطره آب به این نتیجه رسیدند که سطح مقطع بال نباید سطحی تخت باشد بلکه باید شکل سطح مقطع بال به شکلی قوس دار است که به آن ایرفول - Air foil - یا شکل آیرودینامیکی می گویند. بر حسب سرعت مأموریت و هدف هواپیما ، هواپیماها دارای ایرفول های مختلفی هستند .

در هنگام حرکت هواپیما ، الیاف هوا با لبه حمله بال - اولین نقطه بال که با هوا برخورد می کند - برخورد می کنند که در صورت نا متقارن بودن ایرفول ، سرعت الیاف هوای روی بال و زیر بال با هم فرق می کنند و طبق قانون برنولی - بیان می کند که هرگاه سرعت هوا افزایش یابد فشار استاتیکی آن کاهش می یابد و بالعکس - لذا باعث اختلاف فشار بین رو و زیر بال شده و باعث ایجاد نیرو بالا رونده و یا پایین رونده می کند. طراحی هواپیما قوس روی بال را بیشتر می گیرند تا به این ترتیب نیروی بالا رونده - یا Lift - به وجود می آید. توجه داشته باشید که رعایت این امر به رفع درگ شکلی نیز کمک می کند.

-3 ساختمان کلی هواپیما

هواپیماها بر اساس نوع مأموریتی که دارند - از قبیل حمل و نقل ، جنگ و گریز هوایی و غیره - و نیز بر حسب مانورهایی که در پرواز انجام می دهند - نظیر شیرجه رفتن ، نشستن ، زاویه اوج گرفتن و غیره - دارای سرعتهای پروازی مختلف و متغیری هستند. سرعت در نظر گرفته شده برای یک هواپیما نقش مهمی در تعیین وزن ، مقاومت آلیاژ مورد استفاده در ساخت و به ویژه طراحی شکل و حالت بالها ، دم و دماغه آن دارد.
 

هواپیما باید به گونه ای طراحی و ساخته شود که به راحتی بتواند هوا را بشکافد ، روی الیاف هواسُر بخورد و بالا رود. البته این طراحی باید به گونه ای باشد که تمام نیروهای وارد بر هواپیما پیشبینی و محاسبه شده باشد و هواپیما تحمل آن نیروها را داشته باشد و از هم گسیخته نشود. محاسبات انجام شده باید دقیق باشند و از هرگونه ساده سازی پرهیز کرد. گاهی چند ده هزارم اعشار آنچنان تأثیری در طراحی دارد که صرف نظر از آنها مشکلات جدیی را در پی خواهد داشت. پس ظرافت از یک سو و پایداری و مقاومت از سوی دیگر ، طراحی یک هواپیما را پیچیده می کنند. لذا این موضوع طراحی هواپیماهای ما فوق صوت را پیچیده تر و حساس کرده است.

یک ساختمان اصلی هواپیما به پنج قسمت تقسیم می شود:

F/S -1 یا بدنه هواپیما

Wing -2 یا بال

Stabilizer -3 یا سکانهای عمودی وافقی

Control surfaces -4 یا سطوح کنترلی

landing gear -5 یا چرخها - ابزار فرود -

به منظور فرم گرفتن ، استحکام  و داشتن فضا داخل بدنه ، در ساختمان بدنه هواپیما از Formers و Balked ، Cranks که به روشی مناسب به هم متصلند ، استفاده می کنند. به دلایل ذکر شده در ساختمان بال ها نیز از Rib و Spar استفاده می کنند. برای رعایت سبکی و داشتن فضای دا خل تمام فرم دهنده ها را خالی می کنند. البته به گونه ای که استحکام کاهش نیابد.

-4 پایداری و کنترل هواپیما در پرواز

هر هواپیما دارای سه محور است که می تواند رو هر یک از آنها دو نوع حرکت دورانی و انتقالی انجام دهد. این سه محور بر هم عمود بوده و از مرکز ثقل هواپیما - - C.G یا - - Center of Gravity می گذرند که عبارتند از:

-1 محور طولی - : - Longitudinal axis خطی فرضی است که دماغه - - Nose هواپیما را به دم - - Tail وصل می کند. این خط در صفحه تقارن هواپیما قرار دارد.

-2 محور عرضی - : - Lateral axis خطی که به موازات Span - خطی است که دو نوک بال - - Tip را به هم وصل می کند - کشیده شده است.

- 3 محور عمودی : - Vertical axis - خطی که از مرکز ثقل گذشته و بر دو محور قبلی عمود است.

نکته: هواپیما به هنگام پرواز در هوا شناور است و به خاطر طراحی

آیرودینامیکی به راحتی می تواند در هوا به هر جهتیسُر بخورد. اما اینسُر خوردن نباید باعث به هم خوردن تعادل هواپیما در هوا شود.

منظور از پایداری هواپیما در پرواز این است که چنانچه هواپیما در هنگام پرواز به هر دلیلی از وضعیت پروازی خود خارج شود ، خود به خود تمایل بازگشت به وضعیت اولیه را داشته باشد - مانند یک فیدبک منفی - . به عبارتی دیگر چنانچه هواپیما حول یکی از سه محور به حرکت درآید مجددا به حالت اول برگردد . باید در نظر داشت که حرکت هواپیما حول هر سه محور باید حرکتی پایدار - - Stable باشد .

در چنین حالتی کنترل هواپیما برای خلبان به مراتب راحت تر می شود. بایستی توجه داشت که پایداری هواپیما با چالاکی یا قدرت ما نور هواپیما نسبت عکس دارد. معمولا هواپیماهای مسافربری را پایدارتر طراحی می کنند تا کنترل آن ساده تر شود که در عوض قابلیت مانور آن کمترمی شود در حالیکه هواپیماهای نظامی باید دارای قدرت مانور بیشتری باشند که در نتیجه کنترل آنها مشکلتر است و پرواز با آنان برای خلبانان خسته کننده تر می شود و کوچکترین حرکت اشتباه هواپیما را در گرداب مرگ فرو می برد!

در هواپیما تعادل جانبی - - Lateral Stability توسط بال - - Wing ، تعادل طولی - - Longitudinal stability توسط سکان افقی - - Horizontal Stabilizer و تعادل سمتی توسط سکان عمودی - - Vertical Stabilize تأمین می گردد.

-1-5 کنترل هواپیما 

گاهی خلبان در حین پرواز ناچار است که مسیر پرواز هواپیما را به منظور رسیدن به مقصد و انجام یک پرواز ایمن - - Safe تغییر دهد. برای این منظور در هواپیما سطوح فرامین متحرک طراحی شده است که از داخل کابین خلبان قابل کنترل می باشند. خلبان می تواند با حرکت مناسب استیک سطوح مذکور را به حرکت درآورد و هواپیما را حول هر یک از سه محور خود دوران دهد. این سطوح شامل:

-1 سطوح فرامین اصلی که شامل Aileron - شهپر - ، Elevators و Rudder می باشد.

-2 سطوح فرامین کمکی شامل ...و Speed brake ، Flap ، Spoiler می باشد.

-2-5 شهپرها - - Ailerons

شهپرها سطوح متحرکی هستند که در لبه فرار - آخرین نقطه بال که هوا از روی آن خارج می شود - هر بال قرار دارند. در هواپیماهای معمولی و کم سرعت تعداد آنها یک جفت - در هر بال یک عدد - و در هواپیماهای بزرگ و آکروباسی تعداد آنها تا دو جفت - هر بال دو عدد - هم می رسد. کنترل شهپرها از داخل کابین خلبان و توسط Stick یا Wheel صورت می گیرد. حرکت شهپرها به صورت هم زمان اما در خلاف جهت هم می باشد. نحوه عملکرد آنها به این صورت است که وقتی خلبان Stick را به سمت چپ حرکت می دهد ، شهپر سمت راست به سمت پایین و شهپر سمت چپ به سمت بالا حرکت می کنند که این امر باعث کاهش نیروی Lift بر بال چپ و افزایش این نیرو بر بال راست می گردد. که نتیجه آن غلطیدن هواپیما به سمت چپ است

عکس عمل فوق موجب غلطیدن هواپیما به سمت رااست می گردد. باید توجه داشت که میزان بالا و پایین رفتن شهپرها باید کنترل شده و به گونه ای باشد که هواپیما از تعادل خود خارج نشود. لازم است که هر دو الران همزمان حرکت کرده ، زیادتر از حد مجاز بالا یا پایین نروند ودقیقاً به میزان لازم تغییر وضعیت دهند. از آنجایی که در هنگام گردش هواپیما شهپر پایین آمده مربوط به بالیست که بیرون دایره دوران قرار دارد و سرعت بال مذکور بیشتر از بال داخل دایره دوران است ، لازم است که میزانی که یک شهپر پایین می آید کمتر از میزانی باشد که شهپر دیگر بالا می رود تا Lift هماهنگی تولید گردد.

-3-5 سکان افقی متحرک - - Elevator

الویتور سطوح متحرکی هستند که در قسمت دم - - Tail هواپیما و در لبه فرار سکان های افقی ثابت نصب می شوند. حرکت آنها به صورت همزمان ودر موافق جهت حرکت یکدیگر است. تعداد آنها در هواپیما یک جفت است. کنترل آنها از داخل و توسط Stick یا Wheel انجام می شود. وقتی خلبان Stick را به سمت جلو حرکت دهد الویتورها هر دو به سمت پایین حرکت کرده و باعث افزایش Lift در دم هواپیما می شود که به این ترتیب دم هواپیما بالا و دماغ آن - - Nose پایین می آید و هواپیما حول محور عرضی خود می چرخد که ای باعث می شود تا هواپیما به سمت پایین شیرجه زند - . - Dive عکس عمل فوق هواپیما را در وضعیت صعود Climb - - قرار می دهد. در بعضی از هواپیماهای ما فوق صوت الویتورها را در نزدیک دماغ هواپیما می گذارند و به آنها Canard می گویند. در این حالت نیز با محدودیت هایی نظیر صعود و نزول مواجه هستیم.