فهم نسبة الطول إلى العرض للجناح والذيل في الطيران الديناميكي

1. المقدمة

نسبة الطول إلى العرض (Aspect Ratio) هي معلمة ديناميكية هوائية مهمة تُستخدم لوصف شكل وأداء أجنحة الطائرة والأسطح الذيلية. تُحسب هذه النسبة من خلال قسمة مربع باع الجناح على مساحة سطح الجناح، أو بشكل أبسط قسمة الباع على متوسط الوتر للجناح المستطيل. تؤثر هذه النسبة بشكل كبير على قوة الرفع والمقاومة والاستقرار وقابلية المناورة للطائرة. وتلعب نسب الأجنحة والذيل أدوارًا مختلفة في كيفية طيران الطائرة.

2. حساب نسبة الطول إلى العرض للجناح

يتم حساب نسبة الطول إلى العرض (AR) للجناح باستخدام المعادلة التالية:

AR = \frac{b^2}{S}

حيث:

AR هي نسبة الطول إلى العرض
b هو باع الجناح (بالمتر)
S هي مساحة الجناح (بالمتر المربع)

بالنسبة للأجنحة المستطيلة، يمكن تبسيط المعادلة إلى:

AR = \frac{b}{c}

حيث c هو متوسط طول الوتر.

تقدير مساحة سطح الجناح: يتم عادةً حساب مساحة الجناح عن طريق ضرب متوسط طول الوتر في الباع. وللأجنحة ذات الشكل المستطيل أو شبه المنحرف:

للأجنحة المستطيلة

S = b \times c

أما للأجنحة المدببة، فالمعادلة الأدق هي:

S = \frac{b \times (c_\text{root} + c_\text{tip})}{2}

حيث c_root هو وتر الجذر وc_tip هو وتر الطرف. أما الأجنحة المعقدة الشكل فيتم عادةً حساب مساحتها باستخدام نماذج التصميم ثلاثي الأبعاد.

3. نسبة الطول إلى العرض للجناح

نسبة الطول إلى العرض للجناح تؤثر بشكل كبير على الكفاءة الهوائية:

الأجنحة ذات نسبة الطول إلى العرض العالية:

طويلة وضيقة، شائعة في الطائرات الشراعية والطائرات بدون طيار عالية الارتفاع.
تولد رفعًا أعلى مع مقاومة استحثاثية أقل، ما يجعلها مثالية للطيران الطويل والفعال.
تتطلب وزنًا هيكليًا أكبر وتتعرض لإجهاد انحناء أكبر.

الأجنحة ذات نسبة الطول إلى العرض المنخفضة:

قصيرة وعريضة، تُستخدم غالبًا في الطائرات المقاتلة والاستعراضية.
توفر معدل لفة أعلى وقدرة أكبر على المناورة، لكن مع مقاومة استحثاثية أعلى.
أكثر متانة وأفضل في الطيران بسرعات عالية.

4. نسبة الطول إلى العرض للذيل

الأسطح الذيلية، سواء الأفقية أو العمودية، لها أيضًا نسب طول إلى عرض تؤثر على سلوك الطائرة:

الذيل ذو النسبة العالية:

يوفر تحكمًا دقيقًا في الانحدار والانحراف.
يعزز من استقرار الطائرة.
يُستخدم في الطائرات المصممة للطيران المستقر والطويل.

الذيل ذو النسبة المنخفضة:

شائع في الطائرات الصغيرة والمقاتلة.
يعطي مزايا هيكلية ويوفر مساحة سطحية أقل.
قد يفقد بعض التحكم الدقيق مقابل المتانة وتقليل المقاومة.

يؤثر تصميم الذيل أيضًا على الكفاءة، فمثلاً تصميم الذيل على شكل حرف T أو الصليبي يغير من تدفق الهواء حول الذيل مما يتطلب إعادة ضبط النسبة المثلى.

7. أمثلة من الواقع

الطائرة الشراعية Schleicher ASH 31
- باع الجناح: 21.0 متر
- مساحة الجناح: 12.6 متر مربع
- نسبة الطول إلى العرض: 35.0
- نسبة الرفع إلى السحب: حوالي 56:1
- وزن الطائرة: 525 كغ (الحد الأقصى)
- حمل الجناح: 41.7 كغ/م²

Schleicher ASH 31 Glider Soaring High in the sky

طائرة Cessna 182M Skylane
- باع الجناح: 10.97 متر
- مساحة الجناح: 16.2 متر مربع
- نسبة الطول إلى العرض: 7.4
- نسبة الرفع إلى السحب: حوالي 13:1
- وزن الطائرة: 1250 كغ (وزن الإقلاع الأقصى)
- حمل الجناح: 77.2 كغ/م²

الطائرة المقاتلة F-16 Fighting Falcon
- باع الجناح: 9.96 متر
- مساحة الجناح: 27.87 متر مربع
- نسبة الطول إلى العرض: 3.6
- نسبة الرفع إلى السحب: حوالي 5.0 (تختلف حسب السرعة والتكوين)
- وزن الطائرة: 12000 كغ (بدون تسليح)
- حمل الجناح: 430.6 كغ/م²

8. الخلاصة

تُعد نسبة الطول إلى العرض من أهم المعايير التصميمية في هندسة الطيران. فالنسب العالية توفر كفاءة ديناميكية هوائية واستقرارًا أكبر، بينما تتيح النسب المنخفضة قدرة مناورة أكبر وكفاءة هيكلية وحجم داخلي أكبر. ويجب على المهندسين تحقيق توازن بين هذه العوامل وفقًا لمتطلبات المهمة وأداء الطائرة والقيود الفيزيائية.

ومن خلال فهم تأثير نسبة الطول إلى العرض للجناح والذيل، يمكن تصميم طائرات تلبي أهداف متعددة من الطيران الانزلاقي الفعال إلى الطيران المقاتل عالي المناورة.

أو بإمكانك إستكشاف تصنيفات أخرى

عالم الإلكترونيات

A DIY made aircraft rc model with a transmitter

الفيزياء وميكانيكا الطيران

Children looking into a microscop in turns

نسبة الطول إلى العرض للجناح والذيل