هر آنچه که درباره ایرفویل باید بدانید

نویسنده: محمد جعفری 

آیا تا به حال فکر کرده اید که چگونه ممکن است هواپیماهای ساخته شده از چنین فلزات سنگینی در هوا بمانند؟ هواپیماها به دلیل لیفت ایجاد شده توسط ایرفویل ها قادر به پرواز هستند. نیروی بالابر ایرفویل با چرخاندن جریان هوا تولید می شود. تعامل بین جریان هوای ورودی و ایرفویل منجر به لیفت آیرودینامیکی می شود. ساختار ساده یک ایرفویل در ایجاد این بالابر مهم است.

بیایید بررسی کنیم که چگونه یک ایرفویل نیروی بالابر ایجاد می کند و چه عواملی بر لیفت ایرفویل تأثیر می گذارند.

ایرفویل چیست؟

ایرفویل ( Aerofoil/Airfoil ) یک شکل مقطعی است که با سطحی منحنی طراحی شده است که مطلوب ترین نسبت بین لیفت و درگ در پرواز را به آن می دهد. لیفت مولفه ای است که نیرو بر جهت حرکت عمود باشد، و درگ جزء موازی جهت حرکت است. ایده مشابهی در طراحی هیدروفویل‌ها ( hydrofoils ) استفاده می‌شود. ایرفویل ها اشکال بالابر بسیار کارآمدی هستند، زیرا نسبت به صفحات مسطح با اندازه مشابه در همان ناحیه، با درگ بسیار کمتری، بالابری بیشتری ایجاد می‌کنند.

  طراحی ایرفویل به ویژگی های آیرودینامیکی که بیشتر وزن، سرعت و هدف هواپیما است، بستگی دارد. اینها به اصطلاحات خاصی بستگی دارند که برای درک طرح باید تعریف شوند. ریاضیدان آلمانی مکس مونک( ( Max Munkبرای اولین بار ایرفویل را ابداع کرد و توسط آیرودینامیک‌دان بریتانیایی هرمان گلائرت ( Hermann Glauert ) و دیگران در دهه 1920 اصلاح شد.

ایرفویل چگونه نیروی بالابر (Lift) تولید می کند؟

یک ایرفویل با اعمال نیروی رو به پایین ( downward force ) بر روی هوا در حین عبور از آن بالابر ایجاد می کند. طبق قانون سوم نیوتن، هوا باید نیرویی برابر و مخالف (به سمت بالا) روی ایرفویل که بلند می شود، وارد کند. جریان هوا هنگام عبور از ایرفویل تغییر جهت می دهد و مسیری را دنبال می کند که به سمت پایین خمیده است.

ایرفویل ها در طراحی هواپیما، ملخ ها، پره های روتور، توربین های بادی و دیگر کاربردهای مهندسی هوانوردی استفاده می شوند. در هواپیماها نیروی لیفت نیرویی است که با وزن هواپیما مخالف است و در اثر حرکت رو به جلو ایجاد می شود. هنگامی که هوا از بال ها عبور می کند، مجبور می شود بین بالا و پایین بال تقسیم شود. سطح منحنی و زاویه رو به بالای بال باعث افزایش مقدار هوای جاری در زیر بال می شود که به سمت پایین جابجا شده و هواپیما را به سمت بالا هُل می‌دهد و باعث بالا رفتن می‌شود. این بدان معناست که نیروی قوی‌تری وجود دارد که بال را به سمت بالا فشار می دهد و به هواپیما اجازه پرواز می دهد. نیروی لیفت روی نقطه‌ای از وتر بوجود می‌آید که به آن center of lift می‌گویند. این نقطه با افزایش AOA به سمت جلو و با کاهش آن به سمت عقب حرکت می‌کند که %75 نیروی لیفت از روی بال و %25 آن از زیر بال ایجاد می‌گردد.

ضریب بالابر (Lift Coefficient)

 ضریب بالابر یک ضریب بدون بُعد است که بین لیفت تولید شده توسط بدنه بالابر با چگالی سیال، سرعت سیال و ناحیه مرجع مرتبط، رابطه برقرار می‌کند. نمایش ریاضی آن به شرح زیر است:

CL: lift coefficient ( ضریب بالابر)

L: lift force (نیروی بالابر)

S: relevant surface (سطح مربوطه)

q: fluid dynamic pressure (فشار دینامیکی سیال)

⍴: fluid density (چگالی سیال)

u: flow speed  (سرعت جریان)

اصلاحات ایرفویل (Aerofoil Terminology):

سطح بالایی (Upper Surface): لبه سطح بالایی با سرعت بالا و فشار استاتیک کم همراه است که به سطح مکش (suction surface) نیز معروف است. این سطح از ایرفویل بین LE و TE، در سمت بالا است.

سطح پایینی (Lower Surface): سطح پایین یک ایرفویل سطحی با فشار استاتیک بالاتر است که به عنوان سطح فشار (pressure surface) نیز شناخته می شود. این سطح از یک ایرفویل بین LE و TE، در سمت پایین است.

لبه حمله (Leading edge): لبه‌ای از ایرفویل است که ابتدا به ذرات هوا برخورد می‌کند.

لبه فرار (Trailing edge): لبه ای از ایرفویل است که در آخر به ذرات هوا برخورد می کند.

خط وتر (Chord line): خط وتر، خط مستقیمی است که Leading edge و Trailing edge را به هم متصل می‌کند.

وتر (Chord): وتر را می توان به عنوان فاصله بین Leading edge ، در جلوی ایرفویل که دارای حداکثر انحنا است و Trailing edge ، در پشت ایرفویل، یعنی نقطه ای با حداکثر انحنا در امتداد وتر تعریف کرد. این فاصله بین LE و TE است که در امتداد خط وتر اندازه گیری می شود.

حداکثر ضخامت (Maximum Thickness): حداکثر فاصله سطح پایینی از سطح بالایی است.

خط میانی انحنا (Mean Camber Line): خطی است که LE و TE یک ایرفویل را در فاصله مساوی از سطوح بالایی و پایینی به هم می پیوندد.

حداکثر انحنا (Maximum Camber): حداکثر فاصله mean camber line از خط وتر است.

باد نسبی (Relative wind): جریان هوایی است که در اثر حرکت هواپیما در هوا بوجود می‌آید و در جهت مخالف و به موازات جهت پرواز است.

زاویه حمله (Angle of attack): به زاویه ای که باد نسبی با وتر می‌سازد گفته می‌شود.

متخصصان آيروديناميک و طراحان هواپيما برای انتخاب ايرفويل مناسب معمولا به چند منحنی مهم كه از ايرفويل‌ها بدست می‌آيد توجه مي كنند... اين منحني ها به شرح زير هستند:

1_ منحنی تغييرات ضريب برآ به زاويه حمله (CL-alpha)

2_ منحنی تغييرات  L/Dبه زاويه حمله (L/D-alpha)

3_ منحني تغييرات ضريب گشتاور ايرفويل به زاويه حمله (CM-alpha)

4_ منحنی تغييرات ضريب پسا به ضريب برآ (CD-CL)

--انواع ایرفویل--

ایرفویل متقارن(Symmetrical aerofoil)

این نوع ایرفویل دارای سطوح بالایی و پایینی یکسان است به طوری که خط وتر (chord line) و خط میانی (mean camber line) یکسان هستند و در زاویه حمله صفر (AOA)، هیچ بالابری تولید نمی کنند. اینها در بیشتر هلیکوپترهای سبک، در پره های روتور اصلی خود کاربرد دارند.

ایرفویل نامتقارن(Non-symmetrical aerofoil)

ایرفویل نامتقارن، به عنوان ایرفویل خمیده نیز شناخته می شود. این ایرفویل دارای سطوح بالا و پایین متفاوت است به طوری که خط وتر با انحنای زیاد در بالا قرار می گیرد. این ایرفویل‌ها خط وتر و خط میانی متفاوتی دارند. از مزایای ایرفویل نامتقارن این است که نسبت بالابر به درگ و ویژگی های واماندگی (stall) بهتر است و بالابری مفیدی در زاویه حمله صفر تولید می شود، و معایب آنها در تولید گشتاور نامطلوب است.