تثبیت‌کننده عمودی

تثبیت‌کننده عمودی یا باله دم بخش ثابت دم عمودی هواپیما است. این اصطلاح معمولاً به مجموعه این سطح ثابت و یک یا چند سکان متحرک متصل به آن اطلاق می‌شود. نقش آنها فراهم کردن کنترل، پایداری و تنظیم زاویه انحراف (که به عنوان پایداری جهت‌دار یا پایداری بادنما نیز شناخته می‌شود) است. این بخشی از بدنه هواپیما، به ویژه تثبیت‌کننده‌های آن است.^[۱]^[۲]^[۱]

دم عمودی معمولاً در بالای بدنه عقب نصب می‌شود و تثبیت کننده‌های افقی در کنار بدنه نصب می‌شوند (پیکربندی‌ای که «دم معمولی» نامیده می‌شود). گاهی از پیکربندی‌های دیگری مانند دم دوقلو به جای آن استفاده می‌شود.

تثبیت‌کننده‌های عمودی گاهی در ورزش‌های موتوری، به عنوان مثال در مسابقات نمونه اولیه لمانز، مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

عملکرد

اصل

دم عمودی هواپیما معمولاً از یک پایدارکننده عمودی ثابت یا باله تشکیل شده است که یک سکان متحرک روی آن نصب شده است. به‌طور مشابه، یک زبانه تنظیم ارتفاع نیز می‌تواند روی سکان نصب شود. نقش آنها در کنار هم، فعال کردن تریم در جهت انحراف (جبران گشتاورهای انحراف ایجاد شده توسط هرگونه عدم تقارن در نیروی رانش یا پسا)، فعال کردن کنترل هواپیما در جهت انحراف (به عنوان مثال، ایجاد لغزش جانبی در هنگام فرود در باد مخالف)، و همچنین ایجاد پایداری در جهت انحراف (پایداری جهتی یا بادنما) است.

هرچه موقعیت آن از مرکز ثقل هواپیما دورتر قرار بگیرد، دم عمودی می‌تواند مؤثرتر باشد؛ بنابراین شرکت‌های هوایی، هواپیماهای کوچک‌تر را طوری طراحی می‌کنند که تثبیت‌کننده عمودی بزرگتر باشد؛ برای مثال، تثبیت کننده عمودی ایرباس آ۳۱۸ بلندتر از دم عمودی هواپیماهای بزرگتر در خود در خانواده ای۳۲۰ است.

اثربخشی تثبیت کننده عمودی به راندمان آن و ضریب حجمی دم عمودی (که نسبت حجمی نیز نامیده می‌شود) بستگی دارد، که مساحت و بازوی آن را با ابعاد بال اصلی بدون بعد می‌کند:

$V_{\text{v}}={\frac {S_{\text{v}}L_{\text{tail-CG}}}{S_{\text{w}}L_{\text{w}}}}$

(یک نمونه که در آن شاخص‌ها $V$ و $W$ به ترتیب برای دم و بال عمودی در نظر بگیرید، $S$ مخفف مساحت است، و $L_{\text{w}}$ معمولاً وتر آیرودینامیکی میانگین است). مقادیر ضریب دم عمودی از یک نوع هواپیما به نوع دیگر تفاوت چندانی ندارد و مقادیر حداکثر آن از ۰٫۰۲ (هواپیمای بادبانی) تا ۰٫۰۹ (هواپیمای جت ترابری) متغیر است.

در راندمان دم هواپیما، نسبت فشار دینامیکی در دم به فشار دینامیکی در جریان آزاد است. دم حداکثر قابلیت خود را زمانی دارد که در جریان آزاد با راندمان یک غوطه‌ور باشد. وقتی که تا حدی در یک دنباله غوطه‌ور باشد، اثربخشی آن کاهش می‌یابد زیرا دنباله فشار دینامیکی کمتری نسبت به جریان آزاد دارد. ممکن است لازم باشد ارتفاع باله افزایش یابد تا در شرایط پروازی خاص، اثربخشی لازم را بازیابد. پاناویا تورنادو برای پایداری جهت‌گیری در زوایای برخورد بالا، باله بلندی داشت.

تنظیم و کنترل در انحراف

سکان، سطح کنترل جهت است و معمولاً به باله یا پایدارکننده عمودی متصل می‌شود. حرکت دادن آن به خلبان اجازه می‌دهد تا انحراف حول محور عمودی را کنترل کند، یعنی جهت افقی که دماغه به آن سمت است را تغییر دهد.

حداکثر انحراف سکان معمولاً توسط یک محدودکننده حرکت سکان کنترل می‌شود. بزرگ‌ترین زاویه قابل دستیابی برای یک سکان در یک شرایط پروازی خاص، حد تخلیه (blowdown limit) نامیده می‌شود. این نشان دهنده تعادل بین نیروهای آیرودینامیکی وارد بر سکان و نیروهای مکانیکی ناشی از مکانیزم محرک است.

هواپیماهای چند موتوره، به ویژه آن‌هایی که موتورهایشان روی بال‌ها نصب شده است، سکان‌های بزرگ و قدرتمندی دارند. آنها موظفند پس از خرابی موتور در هنگام برخاستن با حداکثر وزن و محدودیت باد جانبی و قابلیت باد جانبی در برخاستن و فرود عادی کنترل کافی را ارائه دهند.

برای تاکسی کردن (حرکت تا باند) و در ابتدای برخاستن (جهت حفظ هواپیما در وسط باند)، هواپیماها با ترکیبی از چرخش سکان و همچنین چرخاندن چرخ دماغه یا چرخ دم هدایت می‌شوند. (یعنی خلبان یا کمک خلبان پدال زیر پایش فشار داده و با این کار هواپیما با کمک چرخ جلو به چپ و راست هدایت می‌شود) در سرعت‌های پایین، چرخ دماغه یا چرخ دم بیشترین قدرت کنترل را دارند، اما با افزایش سرعت، اثرات آیرودینامیکی سکان افزایش می‌یابد و در نتیجه، سکان برای کنترل انحراف از مسیر، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. (برای مثال در سرعت ۵ کیلومتر بر ساعت سما به راحتی می‌توانید هواپیما را به چپ و راست هدایت کنید اما با افزایش سرعت برای چرخیدن به نیروی بیشتری نیاز است) در برخی هواپیماها (عمدتاً هواپیماهای کوچک) هر دوی این مکانیسم‌ها توسط پدال‌های سکان کنترل می‌شوند، بنابراین تفاوتی برای خلبان وجود ندارد. در هواپیماهای دیگر، یک اهرم مخصوص وجود دارد که فرمان چرخ‌ها را کنترل می‌کند و پدال‌ها سکان عمودی را کنترل می‌کنند، و میزان محدودی از فرمان چرخ‌ها (معمولاً ۵ درجه فرمان چرخ دماغه) نیز وجود دارد. برای این هواپیماها، خلبانان پس از قرار گرفتن در امتداد باند قبل از برخاستن، استفاده از سکان را متوقف می‌کنند و پس از فرود و قبل از خروج از باند، استفاده از آن را آغاز می‌کنند تا از تصحیح بیش از حد سکان حساس در سرعت‌های بالا جلوگیری شود. همچنین می‌توان از پدال‌ها برای اصلاحات کوچک هنگام حرکت در یک خط مستقیم یا ورود یا خروج از یک پیچ، قبل از استفاده از فرمان، استفاده کرد تا پیچیدن نرم و روان بماند.

با قرار گرفتن کنترل‌ها در موقعیت خنثی، هواپیما ممکن است همچنان به آرامی به یک طرف منحرف شود.

پایداری انحراف

دم عمودی نقش تعیین‌کننده‌ای در پایداری انحرافی ایفا می‌کند و بیشتر گشتاور بازیابی مورد نیاز حول مرکز ثقل را هنگام لغزش هواپیما فراهم می‌کند. پایداری انحراف معمولاً با استفاده از مشتق ضریب گشتاور نسبت به زاویه انحراف اندازه‌گیری می‌شود.

جریان هوا روی دم عمودی اغلب تحت تأثیر بدنه، بال‌ها و موتورهای هواپیما، چه از نظر بزرگی و چه از نظر جهت، قرار می‌گیرد. بال اصلی و پایدارکننده افقی، اگر به شدت متمایل به چپ باشند، می‌توانند به‌طور قابل توجهی در پایداری انحرافی نقش داشته باشند؛ بال‌های متمایل به عقب تمایل به افزایش پایداری انحرافی دارند. با این حال، حرکت جارویی بال و دم افقی یک هواپیمای معمولی، بر روی چرخش هواپیما در حالت انحراف تأثیری ندارد. . پرواز مافوق صوت

صوت دم عمودی با افزایش عدد ماخ به تدریج کم اثر تر می‌شود تا جایی که از دست دادن پایداری دیگرقابل قبول نباشد.^[۳] پایداری کاهش می‌یابد زیرا نیروی بالابر یا نیروی جانبی تولید شده توسط دم با افزایش سرعت به ازای هر درجه زاویه لغزش به پهلو (شیب منحنی بالابر) کاهش می‌یابد. این امر ناشی از توزیع فشار بسیار متفاوت، با امواج ضربه‌ای و امواج انبساطی، در مقایسه با امواج فروصوت است. برای دستیابی به پایداری مورد نیاز در حداکثر سرعت عملیاتی هواپیما، دم عمودی ممکن است بزرگ شود، مانند هواپیمای نورث امریکن اف-۱۰۰ سوپر سیبر (نیاز اولیه به مساحت باله دست کم گرفته شده بود). می‌توان با نصب باله‌های شکمی (مانند نسخه‌های جدیدتر و پرسرعت‌تر هواپیمای ووت اف-۸ کروسیدر) یا نوک بال‌های تاشو (مانند هواپیمای نورث امریکن ایکس‌بی-۷۰ والکری) به فضای بیشتری افزود. این روش در هواپیمای آورو ارو (Avro Arrow) استفاده شد.

واماندگی دم عمودی

یک باله پشتی در پایه دم عمودی این بوئینگ ۷۳۷–۳۰۰ قابل مشاهده است

دم عمودی گاهی دارای یک فیله یا باله پشتی در پایه جلویی خود است که به افزایش زاویه واماندگی سطح عمودی (که منجر به نیروی بالابر گردابی می‌شود) کمک می‌کند و از این طریق از پدیده‌ای به نام قفل شدن سکان یا واژگونی سکان جلوگیری می‌کند. قفل شدن سکان زمانی اتفاق می‌افتد که نیروی وارد بر یک سکان منحرف‌شده (مثلاً در یک لغزش جانبی پایدار) ناگهان معکوس شود و دم عمودی از حرکت بایستد. این ممکن است باعث شود سکان در انحراف کامل گیر کند و خلبان نتواند آن را به حالت اولیه برگرداند.^[۴] باله پشتی در دهه ۱۹۴۰، به عنوان مثال در هواپیمای داگلاس دی‌سی-۴ مدل ۱۹۴۲، معرفی شد که قدمت آن به قبل از خطوط بال هواپیماهای جنگنده توسعه یافته در دهه ۱۹۷۰، مانند اف-۱۶، برمی‌گردد.^[۵]

ملاحظات ساختاری

سکان و باله در یک هواپیمای بزرگ یا سریع، هر کدام تحت تأثیر نیروی قابل توجهی قرار دارند که با انحراف سکان افزایش می‌یابد. یک مورد حاد، انحراف از پرواز کنترل‌شده است که به عنوان واژگونی شناخته می‌شود و در زمینه باله و سکان، به معنای لغزش بیش از حد به پهلو است. برای هواپیماهای ترابری بزرگ، گشتاور پایدارکننده لازم برای بازیابی از باله تأمین می‌شود و نیاز کمی به انحراف سکان دارد. این هواپیماها در این شرایط نیازی به تحمل انحراف تقریباً کامل سکان ندارند زیرا وزن سازه‌ای مورد نیاز برای جلوگیری از شکست سازه‌ای، آنها را از نظر تجاری غیرقابل توجیه می‌کند. از دست دادن کل مجموعه باله و سکان در پرواز شماره ۵۸۷ خطوط هوایی آمریکا زمانی رخ داد که خلبان هنگامی که از آثار بقا مانده از جریان موتور یک جت بسیار بزرگ، از انحراف کامل سکان استفاده کرد. که باعث جدا شکن سکان و کل بخش دم عمودی شد^[۶]

باله‌های دوقلوی مک‌دانل داگلاس اف/ای-۱۸ هورنت در معرض ضربه‌های ناشی از شکست یا ترکیدن گرداب لبه حمله در جلوی دم قرار دارند. اضافه کردن یک حصار به‌طور قابل توجهی ضربه را کاهش داده و عمر خستگی باله را افزایش می‌دهد.^[۷]

پیکربندی‌ها

باله دم تمام متحرک

هواپیماهایی که باله‌های تمام متحرک داشتند، اما وارد خدمت نشدند، نورث امریکن اف-۱۰۷^[۸] و بی‌ای‌سی تی‌اس‌آر-۲ بودند.

لاکهید اس‌آر-۷۱ بلک‌برد و نورث امریکن ایکس-۱۵ از پایه‌های ثابت برای باله‌ها و سکان‌ها برای ارتفاع باقی‌مانده استفاده می‌کردند. سکان‌های معمولی برای اس‌آر-۷۱ کافی نبودند زیرا برای حالت موتور-خارج، انحرافات بیش از حدی لازم بود که باعث ایجاد نیروی پسای غیرقابل قبول می‌شد. پیکربندی‌های اولیه ارائه شده برای ایکس-۱۵ یک باله ثابت معمولی و سکان انتهایی و یک باله شکمی را نشان می‌دهد. این به باله‌های پشتی و شکمی تغییر یافت که هر کدام نیمه بیرونی به عنوان سکان عمل می‌کرد.^[۹]

تاشو برای نگهداری

قسمت بالایی باله عمودی در هواپیمای نورث امریکن ای-۵ ویجیلانت به دلیل محدودیت ارتفاع عرشه آشیانه و جاسازی، به پهلو تا می‌شود.

استفاده در خودرو

دستگاه‌هایی شبیه به دم‌های عمودی در خودروهایی مانند جگوار مدل دی تایپ ۱۹۵۵ یا لامبورگینی وننو مدل ۲۰۱۳ استفاده شده‌اند. در خودروهای مسابقه‌ای، هدف اصلی آن کاهش انحرافات ناگهانی ناشی از سرعت بالا است که باعث می‌شود خودروها به دلیل نیروی بالابرنده در هنگام پیچیدن یا چرخش در معرض زوایای انحراف شدید یا چپ شدن ناگهانی قرار گیرند.

برخی از تیم‌های فرمول یک از یک پایدارکننده عمودی به عنوان راهی برای مختل کردن جریان هوا به بال عقب و کاهش نیروی پسا استفاده می‌کردند، که رادیکال‌ترین سیستم، "مجرای F" است که در مک‌لارن ام‌پی‌فور-۳۵ مدل ۲۰۱۰ و فراری اف۱۰ یافت می‌شود. این سیستم بنا به درخواست راننده، هوا را از مجرایی در جلوی خودرو و از طریق تونلی در باله عمودی به بال عقب هدایت می‌کرد تا آن را متوقف کند و در مسیرهای مستقیم که نیازی به نیروی رو به پایین نبود، نیروی پسا را کاهش دهد و رانندگی را بهتر کند.

منابع

1 2 Barnard, R.H.; Philpott, D.R. (2010). Aircraft Flight (4th ed.). Harlow, England: Prentice Hall. ISBN 978-0-273-73098-9.
↑ Kumar, Bharat (2005). An Illustrated Dictionary of Aviation. New York: McGraw Hill. p. 272. ISBN 0-07-139606-3.
↑ Design For Air Combat, Ray Whitford 1987,شابک ‎۰ ۷۱۰۶ ۰۴۲۶ ۲ISBN 0 7106 0426 2, Fig.204
↑ "NASA Flight Education website" (PDF). Archived from the original (PDF) on February 27, 2009.
↑ Bjorn Fehrm (March 1, 2019). "Bjorn's Corner: Yaw stability, Part 2". Leeham News.
↑ National Transportation Safety Board (26 October 2004). "In-Flight Separation of Vertical Stabilizer American Airlines Flight 587 Airbus Industrie A300-605R, N14053, Belle Harbor, New York, November 12, 2001" (PDF). Archived from the original (PDF) on 30 April 2017. Retrieved 5 October 2021.
↑ AGARD CP 494, Vortex Flow Aerodynamics,شابک ‎۹۲ ۸۳۵ ۰۶۲۳ ۵, p.12-2
↑ Aircraft Design A Conceptual Approach, Daniel P.Raymer 1992,شابک ‎۰ ۹۳۰۴۰۳ ۵۱ ۷, p.437
↑ Hypersonic The Story of the North American X-15, Jenkins and Landis, شابک ‎۹۷۸ ۱ ۵۸۰۰۷ ۱۳۱ ۴, p.35 and 188

[BarnardPhilpott2010-1] 1 2 Barnard, R.H.; Philpott, D.R. (2010). Aircraft Flight (4th ed.). Harlow, England: Prentice Hall. ISBN 978-0-273-73098-9.

[2] Kumar, Bharat (2005). An Illustrated Dictionary of Aviation. New York: McGraw Hill. p. 272. ISBN 0-07-139606-3.

[3] Design For Air Combat, Ray Whitford 1987,شابک ‎۰ ۷۱۰۶ ۰۴۲۶ ۲ISBN 0 7106 0426 2, Fig.204

[4] "NASA Flight Education website" (PDF). Archived from the original (PDF) on February 27, 2009.

[5] Bjorn Fehrm (March 1, 2019). "Bjorn's Corner: Yaw stability, Part 2". Leeham News.

[6] National Transportation Safety Board (26 October 2004). "In-Flight Separation of Vertical Stabilizer American Airlines Flight 587 Airbus Industrie A300-605R, N14053, Belle Harbor, New York, November 12, 2001" (PDF). Archived from the original (PDF) on 30 April 2017. Retrieved 5 October 2021.

[7] AGARD CP 494, Vortex Flow Aerodynamics,شابک ‎۹۲ ۸۳۵ ۰۶۲۳ ۵, p.12-2

[8] Aircraft Design A Conceptual Approach, Daniel P.Raymer 1992,شابک ‎۰ ۹۳۰۴۰۳ ۵۱ ۷, p.437

[9] Hypersonic The Story of the North American X-15, Jenkins and Landis, شابک ‎۹۷۸ ۱ ۵۸۰۰۷ ۱۳۱ ۴, p.35 and 188

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]

[۹]