أهمية مركز الثقل للطائرات أثناء الطيران

مقدمة

ما زلت أتذكر كم مرة، في طفولتي، قمت ببناء نماذج لطائرات مصنوعة من الورق المقوى. كانت تبدو مثالية — مقاسة بدقة ومشكلة بعناية ومتوازنة ظاهريًا. لكن سرعان ما كان الحماس يتحول إلى خيبة أمل عندما تتحطم الطائرات عند أول رمية. في ذلك الوقت، لم أكن أعرف سبب فشلها في الانزلاق. لم أكن أعلم أن السر الحقيقي للطيران المستقر لم يكن فقط في الشكل أو التماثل — بل كان يكمن في مركز الثقل (CG).
الآن أدرك أن العنصر الأهم الذي يمكن أن يجعل الطائرة تنزلق بسلاسة هو مركز الثقل.

ما هو مركز الثقل (CG)؟

مركز الثقل (CG) هي النقطة التي يعتبر أن الوزن الكلي للطائرة يتركز فيها.
إنه يشبه توازن مسطرة على إصبعك. في عالم الطيران، تحديد مركز الثقل بشكل صحيح أمر حاسم لتحقيق الطيران المستقر والآمن.
إذا كان مركز الثقل غير صحيح، فقد تصبح الطائرة غير مستقرة أو صعبة التحكم أو حتى غير قابلة للطيران.

ما هي أهمية مركز الثقل؟

• الاستقرار: يضمن مركز الثقل الصحيح أن تبقى الطائرة مستقرة أثناء الطيران خصوصًا في المحور الطولي (الانحناء للأعلى أو للأسفل).
• التحكم: يسمح مركز الثقل السليم للطيار بالحفاظ على سيطرة كاملة على الطائرة. إذا كان بعيدًا جدًا للأمام أو الخلف، قد تفقد الأسطح المتحركة (مثل الرافع) فعاليتها.
• السلامة: قد يؤدي مركز الثقل غير الصحيح إلى حالات فقدان السيطرة مثل الانقلاب الحاد أو السقوط المفاجئ.

كيف يتم ضبط مركز الثقل بشكل صحيح؟

في معظم التصاميم، يجب أن يكون مركز الثقل أمام مركز الرفع الهوائي للطائرة بقليل.

نصائح رئيسية:

• غالبًا ما يقع مركز الثقل بين 25% إلى 33% من طول وتر الجناح (من الحافة الأمامية).
• بالنسبة لطائرات التحكم عن بعد (RC)، يمكن قياسه من الحافة الأمامية للجناح وتحديد نقطة التوازن.
• يتم استخدام نقل مواضع البطارية أو إضافة أوزان صغيرة لضبط المركز بدقة.

اختبار مركز الثقل قبل الإقلاع

قبل الإقلاع، من الضروري اختبار مركز الثقل كالتالي:

1. ضع أصابعك أو قاعدة توازن تحت النقطة المحددة كمركز الثقل.
2. يجب أن تستقر الطائرة بشكل مستوٍ أو مع ميل خفيف للأمام.
3. إذا مالت الطائرة للخلف، فهذا يعني أنها ثقيلة الذيل.
4. إذا مالت للأمام بشكل واضح، فهي ثقيلة المقدمة.

الضبط الدقيق لمركز الثقل عبر أول رحلة تجريبية

بعد اختبار مركز الثقل الساكن، يجب ضبطه بدقة عبر الطيران الفعلي.

1. تنفيذ رحلة تجريبية أولى

قم بإطلاق الطائرة ولاحظ سلوكها:

• إذا غاصت بسرعة أو شعرت بأنها ثقيلة، فمن المحتمل أن مركز الثقل متقدم أكثر من اللازم.
• إذا ارتفعت بشدة أو توقفت فجأة أو كانت مفرطة الحساسية، فربما يكون مركز الثقل متأخرًا أكثر مما ينبغي.

2. ضبط مركز الثقل

بناءً على الملاحظات، قم بتحريك مكونات مثل البطارية أو إضافة أوزان صغيرة للأمام أو للخلف.

3. التكرار والتحسين

كرر العملية حتى تجد نقطة التوازن المثالية حيث تطير الطائرة بثبات وتستجيب بشكل طبيعي للأوامر.

ماذا يحدث إذا كانت الطائرة ثقيلة الذيل؟

• تميل لرفع مقدمتها بشكل مفرط.
• تتوقف بسهولة ويصعب استعادتها.
• تصبح خطرة خاصة للطيارين غير المتمرسين.

الحل: انقل الوزن للأمام عن طريق تحريك البطارية أو إضافة أوزان في المقدمة.

ماذا يحدث إذا كانت الطائرة ثقيلة المقدمة؟

• تميل للغوص للأمام والطيران بسرعة عالية.
• تتطلب تصحيحًا مستمرًا عبر الرافع (elevator).
• أكثر استقرارًا لكنها أصعب في الإقلاع والهبوط.

الحل: انقل الوزن للخلف لتخفيف الضغط على المقدمة.

خلاصة

ضبط مركز الثقل بشكل صحيح أمر أساسي ولا يمكن تجاهله في بناء الطائرات واختبارات ما قبل الإقلاع.
سواء كنت تصنع طائرة نموذجية أو حقيقية:

• التزم بنطاق مركز الثقل الموصى به في المخططات أو الكتيبات.
• استخدم أدوات حساب مركز الثقل أو برامج المحاكاة.
• قم بالاختبار والتعديل بعناية قبل كل رحلة.

اختبار مركز الثقل في الطائرات النموذجية مقابل الطائرات الحقيقية

في حين يمكن لاختبار مركز الثقل في طائرات التحكم عن بعد أن يتم يدويًا، إلا أن الطائرات الكبيرة تحتاج إلى حسابات رياضية دقيقة لضمان السلامة.

1. حسابات الوزن والتوازن

قبل كل رحلة، يقوم الطيارون أو المسؤولون عن الشحن بحساب مركز الثقل بناءً على:

• الوزن الفارغ الأساسي للطائرة.
• وزن الوقود وموقع خزاناته.
• وزن الحمولة وموقعها (كل حمولة لها ذراع — المسافة من خط مرجعي يسمى خط القياس أو الـ Datum).
• وزن الركاب ومقاعدهم (إن وجدوا).

ويتم حساب العزم (Moment) لكل عنصر:

العزم=الوزن × الذراع

ثم يتم حساب:

2. خطط تحميل الحمولة

• يتم اتباع كتيبات تحميل تحدد الأوزان القصوى لكل حيز.
• يتم توزيع الأوزان بعناية بين الأمام والخلف للحفاظ على مركز الثقل ضمن الحدود المسموح بها.
• قد يتم إضافة أوزان إضافية (Ballast) إذا لزم الأمر لضبط التوازن.

3. أوراق الوزن والتوازن

قبل الإقلاع:

• يتم إعداد ورقة حساب الوزن والتوازن، تتضمن كل عنصر محمل ووزنه وذراعه وعزمه.
• يتم مراجعة الورقة والتوقيع عليها من قبل الطيار أو قائد الطائرة.

مثال عملي: ورقة الوزن والتوازن لطائرة شحن

في هذا المثال، يقع خط القياس المرجعي (Datum) عند مقدمة الطائرة (0 متر).
جميع المسافات (الأذرع) تقاس بشكل موجب بدءًا من مقدمة الطائرة.

المجموع:

• الوزن الكلي = 72,300 كجم
• العزم الكلي =(40,000x 15) + (300 x 10) + (20,000 x 14.5) + (5,000 x 8) + (4,000 x 15.5) + (3,000 x 20)

العزم الكلي = 1,055,000 كجم·متر

موقع مركز الثقل:

النتيجة:
مركز الثقل يقع على بعد 14.6 متر من مقدمة الطائرة.
إذا كان المدى المسموح به بين 14.0 متر و16.0 متر، فإن الحمل آمن.

أهمية توزيع الحمولة

• إذا كانت الحمولة الخلفية أثقل من اللازم ➔ مركز الثقل يتحرك للخلف ➔ خطر فقدان السيطرة أو التوقف المفاجئ.
• إذا كانت الحمولة الأمامية أثقل ➔ مركز الثقل يتحرك للأمام ➔ صعوبة في الإقلاع ورفع مقدمة الطائرة.

4. لا يوجد اختبار توازن جسدي

• لا يتم رفع الطائرات الحقيقية يدويًا لاختبار التوازن.
• يتم الاعتماد على الحسابات الدقيقة وتوزيع الحمولة والمراجعات قبل الطيران.

5. أنظمة احتياطية

بعض الطائرات الكبيرة والعسكرية مزودة بـ:

• مستشعرات لمراقبة موقع مركز الثقل أثناء الطيران.
• أنظمة نقل وقود لضبط التوازن أثناء الطيران عبر تحريك الوقود بين الخزانات.