طراحی بال اجسام پرنده از روی بال پرندگان(wing grid)

[sara_tokli]

طراحی بال اجسام پرنده از روی بال پرندگان(wing grid)


اگر تا كنون سری مقالات تكنولوژی برتر پرواز را دنبال كرده باشید، متوجه شده اید كه به جنبه‏های تكنولوژی بی نظیر و منحصر به فردی در ساختار بدن پرندگان به كار رفته است، همچنین اگر از دیدگاه یك متخصص به این قضیه بنگریم بی شك باید به این مطلب اقرار كنیم كه از احاظ سطح دانش متن به كار رفته در ساختار یك پرنده و قیاس آن با یك هواپیما، به وضوح می‏توان تفاوتهای فاحشی را دید كه كفه ترازوی فناوری را به نفع پرنده سنگینتر كرده است. با نیل به این مطلب و با توجه به درك میزان ظرافت به كار رفته در خلق پرندگان، متخصصان آئرودینامیك چندی است كه یكی از ویژگیهای منحصر به فرد بی نظیرتین بال دنیا (بال یك پرنده) علاقه مند شده و تلاشهایی را جهت به كارگیری گسترده از این ویژگی در هواپیماهای نسلهای آینده آغاز كرده اند. اما این فناوری منحصر به فرد چیست؟ پاسخ یك كلمه است wing-grid .

Wing grid در حقیقت به حالت خاص نوك بال پرندگان اتلاق می‏شود كه حالتی شكبه‏ای دارد.
اگر به نو ك بال یك پرنده با دقت بنگرید خواهید دید كه نوك بال حالتی مانند انگشتان یك دست را دارا می‏باشند. این در حقیقت همان Wing grid است. اما اكنون باید به این سوال پاسخ داده شود كه این حالت چه خصوصیاتی دارد و اصولاً چه می‏كند. در این مورد از دكتر یولاروژ كه پیشگام طراحی بالهایی بانوك شبیه به نوك بال پرندگان است خواسته تا در مورد چگونگی راه یابی این ایده به ذهنش و در مورد ویژگیهای این طرح توضیحاتی ارائه كند. آنچه كه در ادامه می‏آید پاسخ وی به این پرسش است.

زمانی كه ما روی بخشهای معینی از علوم هوانوردی مانند كلاس 224 یا كلاس بین المللی B64C مطالعه می‏كردیم این ایده برای اولین بار به ذهن من رسید. در آن هنگام كه توجه ما به این سؤال جلب شده كه چرا موضوع نحوه پرواز لك لك (Stork) از زمان اتولیلیا نتهال مطرح شده بود تا كنون به موفقیتی دست نیافته است. این مطلب باعث علاقه مندی و كنجكاوی ما برای یافتن پاسخ سؤال شد و اندكی بعد به این نتیجه رسیدیم كه این مسئله قابل حل است (اگر طبیعت می‏تواند این كار را انجام دهد چرا ما انسانها نتوانیم وسیله‏ای مشابه آن را بسازیم و كاری شبیه به آن انجام دهیم؟)

از عواملی كه به من در حل این مسئله كمك كرد این بود كه من علاوه بر اینكه یك متخصص آئرودینامیك بودم پیش زمینه خوبی نیز در مورد توربوماشینها داشتم كه بعدها به من ثابت شد كه آگاهی از این علم از اهیمت فوق العاده‏ای در زمینه مورد مطالعه من برخوردار بوده است زیرا پرهای نوك بالهای لك لك هنگامی‏ كه بالها كاملاُ باز هستند عملاُ مانند شبكه‏ای از هوابرهای (Airfoils) مانند آنچه كه در توربینها استفاده می‏شود عمل می‏كنند كه البته اطلاعات مربوط به نحوه عملكرد توربینها در كتب مربوط به توربوماشینها آورده شده است و نه در كتابهای مربوط به علوم هواپیمایی و تكنولوژیهای طراحی و ساخت بال.

جالب اینجاست كه هر شخصی كه مایل باشد در مورد ساختار wing grid مطالعه كند به زودی متوجه خواهد شد كه كتابهای قدیمی بسیاری در این مورد وجود دارند كه در آنها به این نوع wing grid اشاره شده است. این موضوع نشانگر این است كه ما با یك علم مهندسی كاملاُ قدیمی مواجهیم.
یكی از مشكلاتی كه ما در ابتدای كار با آن مواچه بودیم این بود كه مومضوع بال با نوك شبكه‏ای (Wing grid) در كتب چدید هوایی مورد بحث قرار نگرفته بود و لذا گروه كثیری از آگاهان به علوم هوانوردی به راحتی اذعان می‏كردند كه ساختن چنین بالی برای نصب روی هواپیما به هیچ وجه عملی نخواهد بود مگر اینكه با چشمان خود روزی آن را در حال پرواز روی یك هواپیما ببینید.

اما wing grid چیست؟
ایده این طرح از مشاهده یك تناقض در طبیعت شروع شد و از طبیعت توضیحات لازم و موارد استفاده خود را یافت. پرندگان سرخورنده غیر دریایی یا نسبت سرش بالایی نسبته به پسرعموهای دریایی شان پرواز می‏كنند كه دارای بالهایی با نسبت منظری بسیار بالایی نیز هستند اما چرا؟ لذا این تفكر به وجود آمد كه این پرندگان باید به نحوی از بالهای گسترده و با نوك انگشت مانند خود برای كاهش پسای القایی (induced drag) استفاده كرده باشند. این تناقض نقطه آغازین یك كار جدید و طرحی موفق بود كه نهایتاً به طراحی بالهای شبكه‏ای انجامید.
نوعی كركس آفریقایی با بالهایی انگشتی و نسبت منظری 8 برای بالهایی خود است وهمزمان دارای نسبت سرشی معادل 20 می‏باشد كه در مقایسه با آلباتروس كه بالی با نسبت منظری 20 و نسبت سرشی معادل 25 است بسیار زیاد می‏باشد.

اما پرسش دوم این است كه بالهای دارای Wing grid چه می‏كنند؟
در پاسخ باید بگوییم كه بالی كه دارای طرحی مناسبی از Wing grid در نوك بال باشد دارای ویژگیهای زیر خواهد بود.

1 – پسای القایی بسیار كم – كه در مقایسه با بالهایی معمولی پسای القایی آن تا حدود 60% كمتر شده است. این اثر را می‏توان همچنین تحت عنوان راندمان دهانه بال نیز باین كرد یعنی دهانه بال دارای wing grid در مقایسه با یك بال معمولی و با نسبتهای سرش یكسان. با این وصف، بالهای دارای wig grid دارای راندمان تا 3 برابر بیشتر از بالهای معمولی هستند كه این خاصیت منحصر به فرد و مهم توسط انجام یك آزمایش نا متقارن روی یك هوا سر مجهز به این نوع بال نیز به اثبات رسیده است


2 – افزایش كارایی بال در برابر و اماندگی (stall) نوك بال. هواپیمای مدل مورد آزمایش مقاومت بسیار زیادی را در مقابل این نوع واماندگی حتی در شرایط مرطوب جوی (هوای بارانی) از خود نشان داد. بنابراین مسلماً این ویژگی می‏تواند بهبود دهنده ایمتی پرواز خصوصاُ در شرایط سخت جوی باشد.

3 – وجود wing grid توزیع برآیی مستطیل شكل به همراه دارد كه باعث افزایش 127 درصدی میزان برای (lift) تولیدی كل و كاهش اثر سطحی زمین (ground effect) در زمان نشست و برخاست می‏شود.

4 – wing grid باعث افزایش راندمان بالچه‏ها (flaps)به دلیل وجود توزیع برآی مستطیلی و مقاومت در برابر واماندگی سربال می‏شود.

به طور كلی و در یك نگاه اصول كاركرد wing grid را می‏توان در سه اصل خلاصه كرد:
1 – چرخش آئرودینامییك (circulation) توسط wing grid درطول وتر بال خنثی شده است.

2 – چرخشهای موضعی به سمت انتهای شبكه این نوع بالها منتقل می‏شود كه این امر باعث افزایش منطقه اثر گردابه‏ها می‏شود.

3 – توزیع برآء‌ روی تعداد زیادی از بالچه‏های انتهایی شبكه باعث كاهش منطقه اثر انرژی گرادبه‏ها می‏شود.