هواپیما چگونه پرواز می‌کند؟ سفری به دنیای آیرودینامیک هواپیما

پرواز همیشه یکی از آرزوهای بزرگ بشر بوده است. انسان‌ها با مشاهده پرندگان در آسمان، همواره در پی یافتن راهی برای غلبه بر نیروی گرانش و پرواز در آسمان بوده‌اند. این رویا سرانجام در سال ۱۹۰۳ میلادی و به دست برادران رایت به واقعیت تبدیل شد. پس از آن بود که هواپیما به‌سرعت جای خود را در سیستم حمل‌ونقل دنیا باز کرد. با این همه، هنوز هم برای بسیاری از افراد این سوال مطرح است که چگونه یک هواپیما با آن همه وزن می‌تواند بر نیروی گرانش زمین غلبه و در آسمان حرکت کند؟ اگر شما هم در جست‌وجوی پاسخ این سوال هستید، این مقاله برای شما است. در ادامه قصد داریم جوانب مختلف این موضوع رو کامل بررسی کنیم.

بلند شدن هواپیما از زمین برای ما در قرن بیست‌ویکم شاید چندان عجیب نباشد؛ اما در واقع یکی از شگفت‌انگیزترین پدیده‌های دنیای مهندسی است. هواپیما برای اینکه بتواند از روی زمین بلند شود، به تعادل چهار نیروی آیرودینامیکی مهم نیاز دارد. این نیروها شامل گرانش، بالابر، جلوبرنده و پسا هستند. در ادامه به نقل از سایت عماد علم، توضیح خواهیم داد که چگونه این نیروها باعث می‌شوند هواپیما از زمین جدا شود و به پرواز درآید.

نیروی گرانش (وزن) همان نیرویی است که زمین به هواپیما وارد می‌کند و آن را به سمت پایین می‌کشد. این نیرو همیشه در جهت مرکز ثقل زمین وارد می‌شود (رو به پایین) و میزان آن به جرم هواپیما بستگی دارد. اینکه هواپیما چگونه بر این نیرو غلبه می‌کند، مربوط به نیروی بالابر بال‌های آن می‌شود.

نیروی بالابر (لیفت) همان نیرویی است که باعث می‌شود هواپیما از زمین جدا شود و در آسمان پرواز کند. این نیرو به‌وسیله بال‌های هواپیما تولید می‌شود و جهت آن رو به بالا است. شکل خاص بال‌ها یا همان پروفیل آیرودینامیکی آن‌ها باعث می‌شود سرعت جریان هوا در بالای بال بیشتر از سرعت جریان هوای زیر آن باشد. این اختلاف سرعت، باعث می‌شود که فشار بالای بال کمتر از فشار زیر آن‌ شود. در این مرحله، نیرویی خالص رو به بالا ایجاد خواهد شد که به آن لیفت می‌گویند.

• نکته ۱: برای اینکه هواپیما از زمین بلند شود، نیروی بالابر باید بیشتر از نیروی گرانش باشد.
• نکته ۲: هرچه هواپیما سنگین‌تر باشد، نیروی بالابر بیشتری برای برخاستن نیاز دارد.

نیروی جلوبرنده، «تراست» یا رانش، نیرویی است که باعث حرکت هواپیما به سمت جلو می‌شود. این نیرو توسط موتورهای جت یا موتورهای پروانه‌ای یا ملخی تولید می‌شود. بدون نیروی جلوبرنده، هواپیما نمی‌تواند به‌سرعت لازم برای ایجاد نیروی بالابر برسد.

• نکته: برای بلند شدن از زمین، نیروی جلوبرنده باید از نیروی پسا بیشتر باشد.

نیروی پسا، نیروی مقاومت هوا یا درگ، نیرویی است که در خلاف جهت حرکت هواپیما عمل می‌کند. این نیرو ناشی از برخورد مولکول‌های هوا به بدنه و بال‌های هواپیما است. برای اینکه هواپیما بتواند به این نیرو غلبه کند، بدنه آن به‌صورت آیرودینامیک طراحی می‌شود تا کمترین میزان مقاومت هوا ایجاد شود.

• نکته: اگر نیروی جلوبرنده بیشتر از نیروی پسا باشد، هواپیما شتاب می‌گیرد و به‌سرعت مناسب برای برخاستن می‌رسد.

حال که با این چهار نیروی آیرودینامیکی مهم آشنا شدیم، وقت آن است که ببینیم هواپیما چگونه از روی زمین بلند می‌شود. پس از آماده‌سازی هواپیما و مقدمات پرواز، خلبان موتورهای هواپیما را روشن می‌کند تا نیروی تراست (جلوبرنده یا رانش) افزایش یابد. این نیرو که توسط موتورهای جت یا ملخی تولید می‌شود، هواپیما را به سمت جلو حرکت می‌دهد. در این مرحله، سرعت هواپیما به‌تدریج افزایش می‌یابد تا به‌سرعت لازم برای تیک‌آف برسد. این سرعت به‌اندازه و نوع هواپیما بستگی دارد؛ اما معمولاً بین ۲۴۰ تا ۲۹۰ کیلومتر در ساعت است.

هنگامی‌که هواپیما به‌سرعت مناسب برسد، خلبان زاویه ‌بال‌ها را افزایش می‌دهد که این کار باعث بالا رفتن دماغه هواپیما می‌شود. در نتیجه، نیروی لیفت آن‌قدر زیاد می‌شود که بتواند بر وزن هواپیما غلبه و آن را از زمین جدا کند. پس از جدا شدن از زمین، هواپیما وارد مرحله صعود می‌شود. در این مرحله، خلبان زاویه ‌بال‌ها و نیروی رانش را به نحوی کنترل می‌کند که هواپیما با سرعت مناسب و زاویه‌ درست به ارتفاع مورد نظر برسد. در همین حین، خلبان وضعیت باله‌های متحرک و چرخ‌های فرود را به‌گونه‌ای تنظیم می‌کند تا کمترین میزان درگ (مقاومت هوا یا پسا) وجود داشته باشد. هنگامی‌که هواپیما به ارتفاع مورد نظر رسید، نیروی تراست کاهش می‌یابد و هواپیما در حالت پرواز پایدار باقی می‌ماند.

بال‌های هواپیما بر اساس اصول آیرودینامیکی طراحی می‌شوند. این طراحی خاص باعث می‌شود که هوای بالای بال هواپیما با سرعت بیشتری نسبت به هوای پایین آن حرکت کند. این اختلاف سرعت خود باعث ایجاد اختلاف فشار و شکل‌گیری نیروی بالابر یا نیروی لیفت می‌شود. نیروی بالابر همان نیرویی است که بر نیروی گرانش غلبه می‌کند و باعث جدا شدن هواپیما از زمین می‌شود. نکته مهمی که باید درباره ‌بال‌ها به او اشاره کرد، این است که زاویه حمله بال‌ها نسبت به جریان هوا و سرعت حرکت هواپیما، تاثیر زیادی بر میزان نیروی بالابر دارد.

هدایت هواپیما یکی از بخش‌های پیچیده و مهم در پرواز است. همانند هر وسیله نقلیه دیگری برای تغییر مسیر هواپیماها هم به سیستم‌های کنترلی نیاز داریم که در عین شبیه بودن به سیستم‌های کنترلی وسایل نقلیه روی زمین، تفاوت‌های اساسی هم  دارند.

به نقل از سایت آکادمی هوانوردی آنا، هواپیما وقتی تغییر مسیر می‌دهد، یکی از بال‌هایش پایین‌تر از بال دیگر قرار می‌گیرد و در نتیجه یک نیروی مرکزگرا به وجود می‌آید. این نیرو در واقع همان نیرویی است که باعث چرخش هواپیما حول یک محور می‌شود. به‌طورکلی، حرکت هواپیما به سمت بالا به‌مراتب بیشتر از تغییر جهت به سمت راست یا چپ است. به همین دلیل است که اگر خلبان نتواند تعادل را حفظ کند، ارتفاع هواپیما کم و کمتر می‌شود. خلبان برای جلوگیری از این اتفاق از چند کنترل استفاده می‌کند که اهرم آن‌ها داخل کابین و سیستم آن‌ها در ‌بال‌ها و دم هواپیما قرار دارد.

در ادامه عملکرد چند تا از مهم‌ترین سیستم‌های کنترل هواپیما را توضیح می‌دهیم:

• بالابر: از این سیستم برای کنترل حرکت عمودی هواپیما و تغییر زاویه حمله استفاده می‌شود.
• سکان: از این سیستم برای کنترل چرخش هواپیما حول محور عمودی استفاده می‌شود.
• اسپویلرها: از این سیستم برای کاهش سرعت و نیروی بالابر در زمان‌های خاص استفاده می‌شود.
• ترمزهای هوایی: از این سیستم‌ها در مواقع ضروری برای توقف یا کاهش سرعت هواپیما استفاده می‌شود.

برای اینکه هواپیما در هوا معلق باشد یا به عبارتی بتواند هم‌راستا با افق و با سرعت ثابت در آسمان حرکت کند، باید چهار نیروی موثر بر آن، به‌طور کامل با هم در تعادل و توازن باشند؛ به‌عبارت‌دیگر، دو شرط زیر باید هم‌زمان اتفاق بیفتد:

مقدار نیروی بالابرنده برابر با مقدار وزن هواپیما باشد

نیروی بالابرنده به‌وسیله بال‌ها ایجاد می‌شود و هواپیما را به سمت بالا می‌برد. این نیروی بالابر باید دقیقا معادل نیروی وزن هواپیما باشد که آن را به سمت پایین می‌کشد. وقتی‌که این دو نیرو برابر باشند، هواپیما در ارتفاع ثابت باقی می‌ماند و نه بالا می‌رود و نه پایین می‌آید.

نیروی رانش با نیروی پسا برابر باشد

نیروی رانش موتورهای هواپیما که موجب حرکت رو به جلوی آن می‌شود، باید دقیقا با نیروی درگ یا پسا برابر باشد تا هواپیما بتواند با سرعت ثابت به جلو حرکت کند؛ نه سریع‌تر و نه کندتر!

هواپیما هم مثل هر وسیله نقلیه دیگری، بخش‌های مختلفی دارد که عملکرد کلی آن به درست کار کردن همه این بخش‌ها بستگی دارد. در ادامه برخی از مهم‌ترین بخش‌های یک هواپیما را به نقل از اسنپ، بررسی خواهیم کرد:

هواپیماها برای روشن شدن و بعد حرکت کردن نیاز به سوخت دارند. مخازن سوخت هواپیماها معمولا در داخل بال‌های بزرگ آن‌ها جاسازی می‌شوند تا ایمنی پرواز حفظ و از فضای داخلی هواپیما هم به بهترین شکل استفاده شود.

ارابه فرود هواپیما که شامل چرخ‌ها و تایرهای بزرگ می‌شود، برای نشستن و برخاستن هواپیما استفاده می‌شوند. این چرخ‌ها از طریق لوله‌های هیدرولیکی به بدنه زیرین هواپیما متصل می‌شوند. از دیگر کاربردهای این سیستم می‌توان به کاهش مقاومت هوا در زمان پرواز و افزایش سرعت هواپیما اشاره کرد.

در گذشته مانند دوران برادران رایت، هواپیماها نیاز به رادیو و رادار نداشتند چون پروازها نزدیک به زمین انجام می‌شدند و هیچ خطری از سوی دیگر هواپیماها وجود نداشت؛ اما امروزه با توجه به تعداد زیاد پروازها در شرایط مختلف جوی، استفاده از رادیو، رادار و سیستم‌های ماهواره‌ای برای مسیریابی ضروری است. این سیستم‌ها همچنین از برخورد هواپیماها با هم جلوگیری می‌کنند.

با افزایش ارتفاع از سطح زمین، فشار هوا کم می‌شود. این کاهش فشار باعث مشکلاتی مانند کمبود اکسیژن به‌ویژه در ارتفاعات بالاتر از قله اورست خواهد شد. هواپیماهای جت که در ارتفاع بالاتر از این قله پرواز می‌کنند، نیاز به سیستم‌هایی دارند که فشار کابین را تنظیم کنند. کابین‌های فشار، هوای گرم را با فشار بالا به داخل کابین وارد می‌کنند تا مسافران بتوانند راحت نفس بکشند.

موتور هواپیما اصلی‌ترین بخش در تولید نیروی رانش است. ابتدا هوا در کمپرسور موتور فشرده می‌شود. پس از آن هوای فشرده وارد محفظه احتراق خواهد شد و بعد با تزریق سوخت و احتراق آن، انرژی لازم برای حرکت هواپیما تولید می‌شود.

هر هواپیما سقف پرواز مشخصی دارد که نباید از آن فراتر برود. این سقف پرواز با در نظر گرفتن عوامل مختلفی ازجمله قدرت موتور، طراحی و جثه هواپیما، میزان سوخت، شرایط جوی و فشار کابین، تعیین می‌شود.

هواپیماهای مسافربری تجاری معمولاً در ارتفاع ۱۰,۰۰۰ تا ۱۲,۰۰۰ متری (۳۳,۰۰۰ تا ۴۱,۰۰۰ فوت) پرواز می‌کنند. این ارتفاع با در نظر گرفتن موارد زیر انتخاب شده است:

• کاهش مقاومت هوا: در این ارتفاع هوا رقیق‌تر است و مقاومت کمتری دارد، از این رو مصرف سوخت کاهش می‌یابد.
• افزایش کارایی موتور: موتورهای جت در این محدوده عملکرد بهتری دارند.
• کاهش تلاطم‌های جوی: میزان تلاطم‌های ناشی از جریان‌های جوی در این ارتفاع بسیار کمتر است.

هواپیماهای نظامی و جت‌های جنگنده به دلیل طراحی خاصی که دارند، می‌توانند در ارتفاع‌های ۱۵,۰۰۰ تا ۲۰,۰۰۰ متری (۵۰,۰۰۰ تا ۶۵,۰۰۰ فوت) یا بیشتر هم پرواز کنند.

• نکته: هر هواپیما سقف پروازی خاص خود را دارد و نباید از آن فراتر برود، زیرا در ارتفاع‌های خیلی بالا، چگالی هوا به‌شدت کاهش می‌یابد، نیروی لیفت (بالابرنده) کم می‌شود و در نتیجه کنترل هواپیما از دست خلبان خارج می‌شود.

 اگر اطلاعات جذابی درباره هواپیماها و عملکردشان دارید که در این متن به آن‌ها اشاره نکرده‌ایم، خوشحال می‌شویم نظراتتان را با ما و کاربران کجارو به اشتراک بگذارید.