نویسنده : شهروز محمدی
این ها Winglet هستند . آیا میدانید که به جز زیبایی ظاهری چه نقش دیگری دارند؟ آیا دلیل وجود آنها را می دانید ؟ ممکن است که بدانید برای حرکت هواپیما ها سودمند باشند ؛ اما چرا؟ با جریانات حلقوی نوک بال آشنایی دارید؟ در ادامه ، به همه ی این موضوعات می‌پردازیم.
گاها ممکن است که در سفر های خود با هواپیما ، با تماشای منظره خارج از هواپیما ، متوجه شکلی خاص از نوک بال های هواپیما شده باشید .
به آن ها Winglet یاWing Tip Device می‌گویند.Winglet به بخش انتهایی بال هواپیما گفته می شود که بصورت عمودی در انواع مختلف با تاثیرات متفاوت اغلب در هواپیما های بزرگ دیده می شوند که برای کمک به حرکت بهینه تر هواپیما های بال ثابت ، با کاهش پسا ( Drag ) در راستای کاهش جریانات حلقوی نوک بال یا Wing Tip Vortices به وجود آمده اند. در ادامه باعث کاهش مصرف سوخت ، کاهش نیروی مورد نیاز موتور ها برای پرواز و افزایش بُرد پروازی از جمله وظایف Winglet ها می‌باشد. ممکن است که برای شما عجیب باشد اما در ادامه به آن ها و دلایلشان اشاره می‌کنیم.
بنا به تعریف ، پسا نیروی مخالفی است که با حرکت هواپیما به سمت جلو مقابله می‌کند
حال فهمیدیم که دلیل اصلی وجود Winglet ها بر روی بال ، جریانات حلقوی در نوک بال می‌باشد که در Performance یا عملکرد هواپیما تاثیر می‌گذارد.
جریانات حلقوی نوک بال به دلیل اختلاف فشار هوا میان سطوح بالایی و پایینی بال به وجود می آیند. برای اصل عملکرد بالها، لازم است به تئوری آیرودینامیکی آن ها توجه کنیم. برای این کار باید نگاهی بیندازیم به تئوری پیدایش نیروی برآ یا Lift Theory .
طبق تئوری پیدایش برآ هنگامی که بال هواپیما در برابر جریان هوا قرار میگیرد ، الیاف هوائی با فشار کم تر از فشار اتمسفر از روی آن و با فشار بیشتر از فشار اتمسفر از زیر آن عبور می‌کنند که این اختلاف فشار عامل اولیه به وجود آمدن نیروی Lift است . به دلیل اینکه جریان هوا همیشه از سمت فشار زیاد به سمت فشار کم حرکت می کند ، باعث به پرواز در آمدن هواپیما می شود.
بال های هواپیما که باعث ایجاد نیروی برآ و در نتیجه به پرواز در آمدن هواپیما می شوند در برخی موارد باعث ایجاد نیروی پسا می‌شوند.
همانطور که گفتیم ،مهمترین تاثیر مکانیزم Winglet ها ، کاهش جریانات حلقوی نوک بال و در نتیجه نیروی پسا است . برای درک بهتر قبل از توضیحات بیشتر ، بهتر است که درباره جریانات حلقوی یا Vortices بر روی بال ها صحبت کنیم.
حال می‌دانیم که زیر بال منطقه پر فشار و بالای آن منطقه کم فشار است و فشار زیاد تمایل نفوذ به فشار کم دارد . از این جهت در نوک بال که این دو منطقه پر فشار و کم فشار در مجاورت هم قرار می‌گیرند و همین حرکت هوا از پایین به سمت بالا باعث ساخته شدن جریانات حلقوی در نوک بال می شود که به آن Wing Tip Vortices گویند. جریانات حلقوی باعث ایجاد Drag و کاهش Lift می‌شود .
این جریانات در هوای عادی هیچ اثری از خود باقی نمی‌گذارند اما در هوای مرطوب قابل مشاهده هستند .
جریانات حلقوی ایجاد شده توسط نوک بال های هواپیما، به دلیل اثرات خطرناکشان بر ایمنی پرواز، همچنین برای صنعت هوانوردی و سازندگان هواپیما به طور ممتد نگران کننده است. علاوه بر این، جریانات حاصل از تیغه ها و پروانه های روتور هلیکوپتر ها هم میتواند باعث ایجاد نویز و لرزش بیش از حد روتور شود. بنابراین، برای کاهش زمان پرواز و مدت زمان برخاستن هواپیما از باند و یا فرود آن، و همچنین برای کاهش درگ و نویز ناشی از این جریانات ، ویژگی‌های آن ها باید به دقت اندازه‌گیری و پیش‌بینی شود و در صورت امکان ، کاهش یا حذف شود.
برای کاهش آن راه های متفاوتی مورد استفاده سازندگان قرار میگیرد که یکی از آن ها استفاده از Winglet ها می‌باشد
شبیه سازی های انجام شده نشان می‌دهد که یک رابطه قوی بین اندازه جریانات حلقوی نوک بال و پارامترهای آیرودینامیکی مانند Lift ( برآ ) ، Drag ( پسا ) و جا به جایی لحظه ای بال ناشی از انعطاف پذیری آن وجود دارد. Wingletهای چند نوک در پراکندگی انرژی حلقوی و کاهش پسای القایی موثرترین اند. بهینه سازی تعداد نوک‌ها برای افزایش ضریب نیروی برآ و در عین حال کاهش نیروی پسای اصطکاکی ( Skin Friction Drag ) و نیروی جریانات حلقوی بسیار مهم است.
( Skin Friction Drag عبارت است از نوعی پسا در لایه ای در مجاورت پوسته بدنه هواپیما ، که سرعت هوا در این لایه ، با سرعت هوای اصلی متفاوت است که به این لایه Boundary Layer یا لایه مرزی گفته می‌شود.)
نتایج نشان می‌دهد که افزودن Winglet ها به طور قابل توجهی میدان جریانات در اطراف بال را تغییر می‌دهد. علاوه بر این، مشخص شده است که طراحی و پیکربندی‌های سطح مقطع خاص بال ها ، توزیع فشار بال را بهبود می‌بخشند.
در واقع برای آزمایش Winglet ها یا بخش های مختلف هواپیما، تونل باد اندازه گیری‌های Lift و Drag را فراهم می‌کند و جریانات لیزری ، اطلاعات جریانات حلقوی نوک بال را به دست می‌آورد.
این نتایج نشان می‌دهد که طراحی بهینه بال نه تنها میتواند به بهره گیری انرژی بالاتر در ناحیه نوک روتور ها کمک کند، بلکه میتواند با تحریک یک برهم کنش جریانات حلقوی نوک سریع تر ، بر بازیابی میانگین انرژی جنبشی تأثیر مثبت بگذارد.
ایده اولیه تحولات در این زمینه برای اولین بار توسط مهندس انگلیسی Frederick W. Lanchester در سال 1897 میلادی به ثبت رسید . او با الهام از طبیعت فهمید که میتواند با استفاده از صفحات انتهایی بال به عنوان روشی برای کنترل جریانات حلقوی نوک بال به استفاده کند . او دید که نوک بال های عقاب در هنگام پرواز به سمت بالا می‌رود ؛ اما صفحات انتهایی تخت ساده باعث کاهش پسا نشدند، زیرا افزایش پسای نیمرخ بیشتر از کاهش پسای القایی بود .
سیزده سال بعد ، یعنی در سال 1910 بود که مهندس اسکاتلندی William E. Somerville اولین Winglet های کاربردی را در ایالات متحده به ثبت رساند .
پنج پیکربندی بیونیکWinglet (Bionic) های چند نوک، با الهام از شکل‌های اصلیِ پَر و حالت نوک بال پرندگان، برای سرکوب و مقابله با ساختار جریانات حلقوی نوک بال ، در اطراف نوک بالها طراحی شده‌اند. هر یک از پیکربندی‌های Winglet بیونیک با چند نوک ، از چندین بالِ پَر شکل تشکیل شده است که شبیه به یک شکل نوک بال دو وجهی است و کاهش پسای القائی تخمین زده شده توسط این Winglet حدود 15٪ است .
در واقع بیونیک به اشیاء یا تکنولوژی هایی که شبیه به بیولوژی انسان یا حیوانات هستند اشاره دارد .
آشفتگی های اولیه در گردابه های نوک بال به طور بالقوه می تواند منجر به ناپایداری هایی شود که به طور قابل توجهی طول عمر هواپیما را در پی آنها کاهش می دهد.
Winglet های کامپوزیت ماکرو فیبر پیزوالکتریک (یا piezoelectric Macro Fiber Composite MFC) برای کنترل شروع و توسعه گرداب‌های نوک بال طراحی و توسعه داده شده‌اند که هدف آن تضعیف جریانات حلقوی مضر نوک بال با ایجاد ناپایداری های کنترل‌شده از طریق آشفتگی‌های مکانی و زمانی است که توسط یک بال در حال نوسان ایجاد می‌شود.
یکی از بارزترین ویژگی های یک هواپیما که در ارتفاع بالا پرواز می کند، کانتریل سفید آن است. این contrails، که توسط تراکم بخار آب خروجی موتور تشکیل می شود، به وضوح محل جریانات حلقوی نوک بال را مشخص می کند