آیرودینامیک پهپادهای آینده

با آغاز تحقیقات بر روی ریزپرنده ها تحقیقات بر روی تغییرات دایهدرال گسترش یافت و در نتیجه آن در تکنولوژی های جدید و نسل آینده پهپادها تغییر زاویه دایهدرال دور از دسترس نیست.

تغییرات دایهدرال:

تغییرات زاویه دایهدرال در پرواز پرندگان و حشرات به صورت گسترده دیده می شود و شرایط آیرودینامیکی و کنترل پرواز را به بسیار بهینه می کند. اما پیچیدگی های سازه ای امکان استفاده گسترده از این روش را محدود ساخته است به خصوص در هواپیماهای سنگین تغییر دادن زاویه دایهدرال بسیار دشوار است و نیازمند سنگین سازی بیش از حد وزن بال است که در نتیجه آن در تضاد با بهبود عملکرد هواپیماست.

هواپیمای بدون سرنشین با دایهدرال متغیر در دانشگاه فلوریدا ساخته و تست شده است. در این تحقیقات هدف از ساخت هواپیما بررسی عملکرد آیرودینامیکی و کنترل و پایداری این هواپیما بوده است و از مکانیزم های ابتدایی و اولیه برای ساخت آن استفاده شده است :

در ساختار سازه ای این هواپیما از مواد کامپوزیت بهره گرفته شده که بسیار به سبک سازی آن کمک کرده است. ساختار بال این هواپیما از استخوان بندی شبیه به پرندگان استفاده شده جنس هر کدام از قسمت های استخوان بال از کربن می باشد و روکشی نیلونی بر روی آن کشیده شده که قابلیت تغییر شکل را در آن فراهم می سازد.

برای تغییر زاویه بال از سوو های معمول موجود استفاده شده ،این بال دارای دو خاصیت تغیی زاویه می باید یکی در انتهای بال و ایجاد زاویه پیچش و دیگری در ایتدا و محل اتصال بال درونی و بیرونی برای تغییر زاویه دایهدرال.

این هواپیما دارای سه حالت دایهدرال می باشد که دو حالت آن در تصاویر زیر نشان داده شده است که در هر حالت پایداری سمتی آن تغییر می کند و حالت سوم حالت خنثی است.

این تغییرات تاحدود زیادی پرواز این هواپیما را به پرندگان نزدیک کرده است. در این حالت پایداری سمتی قابل تنظیم و است و همچنین اثر مهم دیگر این روش قابلیت استفاده از اثر زمین در حالت برخاست است و با توجه به متغیر بودن دایهدرال هواپیما در هنگان نشست نیز مشکلی نخواهد داشت و باند فرود آن به واسطه اثر زمین طولانی تر نخواهد شد.

اهمیت این تغییرات در بالزن ها بیشتر است چراکه به صورت متغیر زاویه دایهدرال بال تغییر می کند و اثاث پرواز را تشکیل می دهد. در اینگونه پرنده ها کنترل و سازه پیچیده هستند و باید از سازه های منعطف و یا از مکانیزم های لولایی و چرخ دنده ریز استفاده کرد.


بال چرخان (Tilt wing):

بال های چرخان در سال های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این طرح به عنوان یکی از اصلی ترین طرح ها برای نسل آینده پهپادهای با قابلیت برخاست و فرود عمودی (VTOL) می باشد.

این هواپیما دارای موتور هایی بر روی بال خود است که در ابتدای پرواز به صورت ملخ هلیکوپتر عمل کرده و هواپیما را از زمین جدا می کند و سپس با چرخش بال موتور به حالت افقی در آمده و پیشرانش رو به جلوی پهپاد را تامین می کند.

مهمترین برتری این نوع هواپیما نسبت به هلیکوپتر های بی سرنشین سرعت و عملکرد (performance) بسیار بالاتر این طرح است. هرچند این هواپیما در قیاس با پهپادهای بال ثابت دارای مداومت پروازی کتری است و دلیل عمده آن نیز پایین بودن نسبت منظری این هواپیماهاست.

این هواپیما با توجه به داشتن هر دو قابلیت پرواز عمودی و افقی در شرایط مختلف به عنوان یکی از مهمترین امیدهای تحول در حوزه هوایی باسرنشین و بدون سرنشین می باشد.

پیچیده ترین فاز پرواز این هواپیما از نظر مکانیکی و آیرودینامیکی فاز تعویض زاویه موتور این هواپیماست. در این تغییر وضعیت موتور شرایط آیرودینامیکی تغییر کرده و درنتیجه باید کنترل های خاصی بر هواپیما انجام پذیرد.


بال پره دار (Fan wing):

بال پره دار حالتی از بال هواپیماست که در آن تعدادی پره فن در مقابل جریان هوا قرار دارند و علاوه بر ایجاد نیروی پیشرانش، نیروی برا نیز تولید می کنند. در این طرح یک موتور باعث ایجاد چرخش تعدادی پره در سراسر بال می شود این پره ها با حرکت خود و با توجه به محافظی که در زیر و پشت آن قرار دارد باعث ایجاد اختلاف فشار قابل توجهی می شود که این اختلاف فشار در نهایت منجر به تولید نیروی برا می گردد.

در این نوع بال عامل اصلی اختلاف فشار بر خلاف ایرفویل انحنا نیست، بلکه چرخش پره های فن و سرعت دادن به هوا و استفاده از یک حفاظ در پشت این فن عامل اصلی ایجاد اختلاف فشار بالا و پایین بال است.

جریان در ابتدای بال به دو قسمت تقسیم می شود ،قسمت اولیه به زیر حفاظ رفته و قسمت دوم وارد پره های فن می شود و با افزایش سرعت توسط فن فشار آن کاهش می یابد که در نتیجه آن نیروی برایندی به طور مایل به سمت بالا ایجاد می شود که هم قدرت پیشرانشی دارد و نیروی برا.

این طرح ویژگی های ممتازی دارد، که موجب شده تحقیقات وسیعی بر روی آن شکل بگیرد و از آن به عنوان یکی از طرح های نسل جدید پرنده های بدون سرنشین یاد شود.


تغییر ساختار کلی بال :

مورد توجه ترین طرح برای آینده پهپادها ،تغییر کلی ساختار بال است که مرز بین ماموریت ها را برای همیشه از بین می برد و در نتیجه آن یک پهپاد قابلیت گشت زنی و تهاجم و اختفا را به صورت همزمان دارا خواهد بود.

کارایی آیرودینامیکی این نوع از بال ها بر محققان پوشیده نیست، اما دو عامل بسیار مهم سد راه این پیشرفت هستند اول مشکلات سازه ای و دیگری مشکلات مکانیزمی خواهد بود.


عموما این بال در اینگونه هواپیما ها به چند قسمت تقسیم شده اند که در هنگام پرواز با مکانیزم های متنوع ساختار بال تغییر می کند.

نوع دیگری از پهپادها نیز با تغییر مشترک ساختار دم و بال تمام ساختار آیرودینامیکی هواپیما را تغییر می دهند که در نتیجه آن کارایی بالاتر می رود اما مباحث تعادلی و پایداری در آن بسیار بحرانی می باشد.

بال های غیر هم سطح:

بال های غیر همسطح به دلیل کاهش قابل توجه پسا نسبت به بال های معمول بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. پسای ناشی از گردابه های انتهای بال در حالت پرواز کروز ۴۰% از پسای کل را تشکیل می دهد در نتیجه کاهش این نوع از پسا در افزایش برد پروازی تاثیر بسزایی دارد. پسای ناشی ار گردابه ها در سرعت های پایین اثر بیشتری دارد و در نتیجه این مبحث بر روی هواپیماهای بدون سرنشین اثر گذار است. در حالت های برخاست و اوج گیری این پسا به مقدار ۸۰ % از کل می رسد.

برای کاهش ای نوع از درگ طرح های متفاوتی ارائه شده است که معمول ترین روش استفاده از وینگلت ها است.

جریان گردابی نوک بال:

همان طور که میدانیم سرعت جریان بر روی سطح بال بیشتر از سطح زیرین بال است، این اختلاف سرعت با توجه به قانون برنولی باعث اختلاف فشار می شود، لذا در زیر ایرفویل فشار بیشتر از روی آن گشته، نیرویی (برا) به بال وارد می گردد. این اختلاف فشار باعث می شود که جریان هوا فرصت پیدا کند تا در نوک بال از منطقه ی پر فشار به منطقه ی کم فشار حرکت کرده، در نتیجه یک جریان چرخشی در نوک بال ایجاد گردد.