المروحة (علم الطيران)

نموذج للهيلوكوبتر الخيرزان الصيني

منطاد ليوناردو الهوائي

نموذج للهيلوكوبتر الخيرزان الصينية

منطاد ليوناردو الهوائي

جاءت أولى المراجع عن الطيران العمودي من الصين .منذ حوالي 400 سنة قبل الميلاد ،[2] بينما كان الأطفال الصينيين يلعبون بألأعاب البامبو (الخيزران) الطائرة.[3][4][5] والفكرة كانت بمسك عصا وإدارتها بين الأيدي. تلك العصا بها مروحة، وعند إطلاقها ترتفع لأعلى.[2] وفي القرن الرابع بين جى هونج في كتابه أدى داويست باوبوذى (والذى اعتنق مبدأ البساطة) بعض الأفكار المرتبطة لخلق وصنع طائرة بجناح دوار .[6]

مروحة لومونسوف

ظهرت تصاميم مماثلة إلى لعبة هليكوبتر الصينية في لوحات عصر النهضة وغيرها من الأعمال.[7]

المراوح الريشية لطائرة راف هيركليز سى 4

وحتى أوائل 1480، عندما اخترع ليوناردو دا فينشي تصميم لآلة يمكن وصفها بأنها "اللولب الجوي"، وحيث كان أي تقدم محرز في اتجاه الطيران العمودي. وأشارت مذكراته أنه بنى نماذج طيران صغيرة، ولكن لم تكن هناك مؤشرات على أي تدابير لوقف الدوار من جعل المركبة تدور.[8][9] و كلما زادت المعرفة العلمية وأصبحت أكثر قبولا، تواصلت متابعة فكرة الطيران العمودي. كثيرا من تلك النماذج والآلات في وقت لاحق كانت أكثر شبها للخيزران الطيار القديم مع أجنحة الغزل، بدلا من لولب ليوناردو.

وفي يوليو 1754، اخترع الروسي ميخائيل لومونوسوف نموذج محوري بعد الصينيين ولكنه كان يدفع بأداة دفع الهواء [10] وشرحه وقدمه للأكاديمية الروسية للعلوم. كان يعمل بنفخ الهواء، واقترح كوسيلة لرفع أدوات الأرصاد الجوية. في 1783 ،قام كريستيان دى لاونواى ومهندسهه بينفينو بعمل نموذج على خلفية الرأس الصينية ذات المحور المركزي وتكونت شفرات مروحته الدوارة من ريش ديك رومي.[10] وفي 1784 ، أوضحهه للأكاديمية الفرنسية للعلوم. وتم تقديم نموذج للمنطاد ذو محرك من قبل جون بابتيست في 1783. بينت الرسومات طوله حيث كان 260 قدم (79 متر) ومغطى بشكل انسيابي وملحق ببالونات هوائية داخلية تنظم حركة الصعود. صمم ذلك المنطاد للتحرك بثلاث مراوح دافعة. سنة 1784، قام جان بيير بلانشار بتركيب مروحة تعمل بالطاقة اليدوية للبالون، وهي أول وسيلة سجلت لدفع المنطاد عاليا .[11] تأثر جورج جايلاي بسحر الطفولة في الرأس الصينية الطائرة، لذلك وضع نموذجا من الريش مشابه لنموذج لاونواى وبينفينو ولكن مدعوم بأربطة المطاطية . وبحلول نهاية القرن، كان قد تقدم لاستخدام شراع من القصدير للشفرات الدوارة ومنفاخ هواء كمصدر للطاقة. كما أن كتاباته عن تجاربه ونماذجه أصبحت مؤثرة على رواد الطيران في المستقبل .[8]

مروحة بثلاث ريش لطائرة خفيفة

أرسل ويليام بلاند تصاميم لمنطاده الأوتوماتيكى إلى معرض مملوك في لندن ،حيث عرض ذلك النموذج. وكان بالون ممدود بمحرك بخار وبزوج من المراوح تعلق تحته.[12][13] وفي سنة 1870 صمم ألفونس بينود نموذج للعبة هيلكوبتر ذو محور مركزي دوار ومدعومة بأربطة مطاطية. في عام 1872 أطلق دوبوي دي لومي بالون كبير للملاحة، حيث إمتلك مروحة كبيرة تدفع من قبل ثمانية رجال.[14] قام حيرم ماكسيم ببناء مركبة تزن 3.5 طن ،ويصل طول أجنحتها ل 110 قدم (34 متر) ويقوم بدفعها زوج من المراوح والتي يشغلها زوج من المحركات البخارية بقوة 360 حصان (270 ك وات) وفي عام 1894 تم اختبار جهازه مع القضبان العلوية لمنعها من الارتفاع. وأظهر الاختبار أن لديه ما يكفي من الرفع للإقلاع.[15] إحدى ألعاب بينوود ،أعطت إليهم كهدية من أبيهم وكانت إلهام الأخوين رايت لملاحقة حلم الطيران.[16] وقدم الأخوان رايت ما يسمى بالأجنحة الملتوية وهي شكل لمروحة طائرة. وفي الوقت الذي كان فيه مهندسون سابقون يحاولون تصميم المراوح الجوية على أساس المراوح البحرية، أدرك الأخوان رايت أن المروحة مهمة تماما كالجناح، وكانوا قادرين على استخدام بيانات تجارب النفق الهوائي على الأجنحة السابقة، لعمل التواء على طول شفرات المروحة.[17] وكات كفاءة شفرات مروحتهم الأصلية حوالى 82% ،مقارنة بنسبة ال90% للمراوح الحديثة .[18]

قطاع عرضى للمروحة المعيارية لهميتون. تلك الطائرة ثابتة السرعة استخدمت في كثير من المعارك الأمريكية

كان خشب الماهوجانى هو المفضل لعمل المراوح خلال الحرب العالمية الأولى ،ولكن نقص المواد في وقت الحرب شجعت استخدام خشب الجوز والبلوط ،والكرز ،والرماد .[19] وكان ألبرتو سانتوس ديمونت رائد آخر سابق، له تصميم مروحة لطائرته قبل الأخوين رايت (ولو لم يكن بنفس الكفاءة).[20] لقد طبق المعرفة التي حصلها من خبراته مع الطائرات لعمل مروحة بعمود أو ناقل من الصلب وشفرات ألومنيوم لطائرته ذات الجناحين بيس 14 سنة 1906. بعض تصاميمه استخدمت ورقة من الألومنيوم للشفرات، وبالتالي خلق شكل الجنيح. كان به تحدب خطير بالإضافة إلى عدم وجود تطور طولي جعلها أقل كفاءة من مراوح رايت.[21] ومع ذلك، ربما كان هذا أول استخدام للألومنيوم في بناء الطائرات. وأصلا، الجنيح الدوار وراء الطائرة، والذي يدفعها، كان يسمى المروحة، في حين سمي الذي يسحبها من الأمام جرار.[22] مؤخرا أصبح ما يسمى بالدافع منصب في نهاية الطائرة على عكس الجرار المركب بالأمام وكلاهما يعتبر مروحة .وأكتملت تماما الديناميكيات الهوائية لمروحة السرعة المنخفضة في 1920 ،ولاحقا، أصبحت مشكلة الحصول على طاقة أكبر وبحيز قطرى أقل أكثر تعقيدا .

صممت المروحة تصميما جيدا وبشكل نموذجي تصل كفاءتها إلى حوالي 80٪ عندما تعمل في أفضل نظام.[23] وتتأثر كفاءة المروحة من زاوية الهجوم (ألفا (حرف)) .ويعرف ذلك على أنه ألفا (حرف) = فاي (حرف) – ثيتا ،[24] حيث θ هي الزاوية الحلزونية (الزاوية بين محصلة السرعة النسبية واتجاه دوران الشفرة ) و Φ هي زاوية ميل شفة المروحة. الميل الصغير جدا والزاوية الحلزونية يعطيان أداء جيد ضد المقاومة لكن يوفران دفع قليل، بينما الزوايا الأكبر لها تأثير معاكس. وتعتبر أفضل زاوية حلزونية عندما تعمل الشفرات كأجنحة تنتج ارتفاعا أكثر من السحب .وتعتبر زاوية الهجوم مشابهة لنسبة التقدم بالنسبة للمراوح. يتم تحديد كفاءة المروحة كالآتي :[25]

المروحة التربونية إيربص أ 400)

${\displaystyle \eta ={\frac {\hbox{propulsive power out}}{\hbox{shaft power in}}}={\frac {{\hbox{thrust}}\cdot {\hbox{axial speed}}}{{\hbox{resis torque}}\cdot {\hbox{rot speed}}}}.}$

المراوح المستخدمة في قسم الجنيح مشابهة لجناح السحب المنخفض وعموما تكون منخفضة في كفاءة عملها إذا كانت في وضع غير زاوية الهجوم المثلى .ولذلك تستخدم بعض المراوح آلية الميل المتنوع بحيث تتغير زاوية ميل الشفرات مع تغير سرعة المحرك أو الطائرة . مروحة الشفرات الثلاث للطائرة الخفيفة :الناقلة أر في-7أ وهناك اعتبار آخر هو عدد وشكل الشفرات (ريش) المستخدمة .فزيادة نسبة حجم الريش يقلل السحب ولكن كمية الدفع المنتجة تعتمد على منطقة الشفرات، ولذلك استخدام شفرات ذات حجم عالي تؤدى لإفراط في قطر المروحة .وتوازن آخر حيث استخدام عدد أقل من الريش يقلل من آثار التدخل بينها، ولكن لكى نمتلك منطقة شفرات كافية لنقل الطاقة المتاحة في قطر محدد يعني أننا بحاجة إلى حل وسط .وزيادة عدد الشفرات يقلل مسحة العمل التي تحتاجها كل شفرة، مما يحد من عدد ماخ المحلي –حد أداء عالي للمراوح . يعانى أداء المروحة كلما إقتربت سرعة الشفرات من سرعة الصوت .ولأن سرعة الهواء النسبية في أي قسم من المروحة هي حاصل جمع سرعة الطائرة وسرعة الانحراف بسبب الدوران، فإن أطراف شفرات المروحة ستصل لسرعة الصوت قبل الطائرة نفسها .عندما يصل الهواء المتدفق حول طرف الشفرات إلى سرعته الحرجة، تزداد مقاومة عزم الدوران و السحب بشكل كبير وتباعا تزداد موجات التصادمات بشدة .ولذلك لا تطير الطائرات ذات المروحة التقليدية أوسع من ماخ 0.6 رغم وجود طائرة مروحية وصلت لسرعة ماخ 0.8 لكن بالطبع عدم كفاءة المروحة عند تلك السرعة يجعل من النادر حدوثها . وقد كانت هناك جهود لتطوير مراوح الطائرات بسرعات عالية .[26] "الإصلاح" هو مشابه لتصميم الجناح الأسرع من الصوت .حيث تظل السرعة النسبية العظمى أقل بقدر الإمكان بالتحكم الحذر بالميل للسماح للشفرات بالحصول على زوايا لولبية أكبر، ثم تستخدم أقسام شفرة رقيقة فتعيد الشفرات مرة أخرى في شكل السيف (مروحة بحد سيفى) ، يتم استخدام عدد أكبر من الشفرات لتقليل عمل الشفرة وكذلك تقليل طول الدورة، ويستخدم الدوران المرتد .والمراوح المصممة أكثر كفاءة من مراوح التربو وسرعتها الصاروخية (ماخ 0.7 -0.85) مناسبة لطياران الخطوط الجوية، ولكن الضوضاء المتولدة منها هائلة (أنتونوف أن -70 وتوبوليف تى -95)

الغرض من اختلاف زاوية الميل هو الحفاظ على أفضل زاوية للهجوم لشفرات المروحة، وإعطاء أقصى قدر من الكفاءة في جميع أنحاء نظام الرحلة .

تستخدم مراوح عكس الدوران أحيانا مع الطائرات التي تدفع بمحرك زوجى أو متعددة المحركات .فالمراوح المركبة على محركات الأجنحة تدور في اتجاهين متعاكسين .وبصفة عامة، المراوح على كلا محركين الطائرات ذوالمحركين تدور مع عقارب الساعة (كما يرى من خلف الطائرة) .وبالنسبة للمراوح عاكسة الدوران فإنها تدور مع عقارب الساعة في المحرك على اليسار، وتدور عكس عقارب الساعة في المحرك على اليمين . ميزة مراوح عكس الدوران هي لتحقيق التوازن في آثار عزم دوران طاقة كبس المحرك العالية، فضلا عن آثار السبق التوازني (عامل السبق) خلال مناورات الطيران ، والقضاء على مشكلة المحرك الحرجة . ويشار إلى هذه أحيانا باسم مراوح "التسلم" ،منذ وجود نماذج لليد اليسرى واليد اليمنى لكل مروحة .

تقوم المروحة مضادة للدوران بوضع اثنين من المراوح المعاكسة على ناقل حركة مركزي بحيث تعطل أحدهم الآخر .ما يوفر فوائد مروحة الدوران المعاكس لطائرة ذات مولد طاقة وحيد .وتوفر المروحة اللاحقة غالبية الدفع، بينما تقوم مروحة المؤخرة بتعويض فقد الطاقة من حركة الدوامة الناتجة عن مروحة إزاحة الهواء .كما تعمل المضادة للدوران على زيادة قدرة المروحة لامتصاص الطاقة من المحرك الموجود، وبدون زيادة في قطر المروحة .ونستطيع القول أن التكلفة المضافة مستحقة ولها قيمتها مقابلة مع الضوضاء ووزن النظام السابق، كما أنها الطريقة الوحيدة المستخدمة للطائرات عالية الأداء حيث الأداء المثالى أهم من الكفاءة .

الفانة أو المروحة المقصودة هنا هي مروحة لها عدد كبير من الريش (الشفرات) .ولذلك الفانة أو تلك المروحة توفر دفع أكبر بكثير لنفس قطر المروحة إلا أن المسافات القريبة بين الريش تولد تدفق هوائى أشد حولها .تلك التداخلات ستكون نافعة لو أن التدفقات فوق سرعة الصوت وتكبس من خلال موجات تصادمية متتالية . عن طريق وضع مروحة داخل شكل أنبوبى، فأن أنماط تدفق محددة يمكن أن تنشأ اعتمادا على سرعة الطيران وأداء المحرك . وكلما يدخل الهواء القناة، يتم تقليل سرعته في حين يزداد الضغط ودرجة الحرارة . وإذا كانت السرعة دون سرعة الصوت التي تسير بها الطائرة عالية فهذا يخلق ميزتان : الهواء يدخل المروحة بسرعة ماخ أقل، وارتفاع درجة الحرارة يزيد من سرعة الصوت المحلية .وفي الوقت الذي يحدث فيه فقد في الكفاءة بسبب أن المروحة تعمل في مساحة صغيرة من المجرى الحر وبالتالى تستخدم هواء أقل، يتوازن مع ذلك احتفاظ المروحة الأنبوبية بالكفاءة في السرعات العالية حيث لا تستطيع المراوح التقليدية فعل ذلك .كما أن المروحة الأنبوبية لها فوائدها مع السرعات الأقل ولكن لابد من تغير شكل الأنبوب عن شكل السرعات العالية ما يسهل عملها .وفي تلك الحالة تسحب كمية أكبر من الهواء وكفائتها تتساوى مع المراوح التقليدية الغير الأنبوبية .كما تقل الضوضاء مع المراوح الأنبوبية، كما أن فصل المروحة عن الأنبوب يعمل على احتواء المخاطر .ومع ذلك علينا معرفة أن المراوح الأنبوبية تزيد الوزن،والتكلفة، والتعقيد، والسحب

• دوار المروحية
• قائمة الطائرات المدنية
• طائرة عسكرية
• ميخائيل لومونوسوف
• ليوناردو دا فينشي

• Experimental Aircraft Propellers
• Smithsonian National Air and Space Museum's How Things Fly website

في كومنز صور وملفات عن: المروحة

قالب:Aircraft gas turbine engine components قالب:Aircraft piston engine components

• بوابة طيران