[serag eldin]

Helicopter

دوار المروحية (بالانجليزية: Helicopter rotor) ويسمى أيضا نظام الدوار (بالانجليزية: rotor system) ويقصد به الدوار الرئيسي للمروحية ويركب على السارية الرئيسية فوق المروحية، وهو الجزء الذي يدور وينتج قوة ايروديناميكية للمروحية, ويوجد أيضا بالمروحية دوار الذيل أو الدوار الخلفي. ويجهز للدوار عادة ريشتين أو أكثر، مما يعطي قوة الرفع للأعلى والدفع للأمام، بينما دوار الذيل يعطي دفع ليعادل لي الدوار الرئيسي.





مراحل التطوير

قبل تطوير المروحيات خلال منتصف القرن 20 كانت أبحاث مخترع آلة الأوتوجيرو خواندى لا سيرفا قد طورت الكثير من أسس الدوار. وقد كان له الفضل في التطوير الناجح لنظام دوار متعدد الريش ومفصلي بالكامل.
وبالثلاثينات من نفس القرن طور أرثر يونغ التوازن لنظام الدوار ذو الريشتين وذلك بإدخال عمود التوازن. وهذا النظام يستخدم بكثرة في مروحيات بيل ومروحيات هيللر، وأيضا بالمروحيات الألعاب ذات التحكم عن بعد.

تصميم رأس الدوار

يتكون رأس الدوار من محور صلب وتكون به نقاط لتثبيت الريش والوصلات الميكانيكية المصممة للتحكم بإنحدار الريش.

القطع وعملها





بالصورة دوار بسيط لمروحية (Robinson R22) ونرى التالي:

• القضبان المتصلة بالقرص المتراوح (Swashplate) تقود الأجزاء التالية:
  • مفاصل التأرجح (Pitch hinges) تسمح الريش للتفتيل أي تغيير التأرجح PITCH أو الإنعطاف ROLL.
• مفصل متمايل (Teeter hinge)، وهذا يسمح لريشة بالإرتفاع للأعلى بينما الأخرى تكون منخفضة. ويكون الإرتفاع والإنخفاض بحالة التأرجح أو الإنعطاف ويجب أن يكون متناسق، بحيث تسمح للدوار بالتأرجح والإنعطاف بشكل منفصل عن هيكل الطائرة، ولكي تعطل الدفع العكسي Negative-G.
• وصلة المقص والثقل الموازن ينقل دوران العمود الرئيسي إلى أعلى القرص المتراوح.
• أغطية مطاطية لحماية الأجزاء المتحركة والثابتة.
• القرص المتراوح العلوي (يكون متحركا)، والإرسال من أدوات توجيه الطيران للريش.
• ثلاث قضبان تحكم ثابتة ترسل تعليمات الإنحدار إلى القرص المتراوح السفلي.
• السارية الرئيسية والتي تؤدي إلى علبة التروس الرئيسية.

القرص المتراوح

يتكون القرص المتراوح (swash plate) من قرصين متحدي المركز، إحدهما وهو الجزء العلوي يتحرك مع الريش وهو مرتبط بها خلال وصلات التأرجح، بينما الآخر يكون ثابت ويمكن تأرجحه بواسطة الطيار عن طريق ادوات التوجية وهما مجمع التأرجح (Collective pitch) ويدة التدوير (cyclic stick).
يتغير تأرجح ريش الدوار الرئيسي خلال دورانها لكي تتحكم في مقدار واتجاه الدفع الموجة. مجمع الإنحدار الموجود بالكابينة يستخدم لرفع أو خفض الدفع للدوار بشكل عمودي على محور الدوران، ويتحكم أيضا بمقدار كمية الدفع الموجهة، لذلك يتغير تأرجح الريشة خلال دورانها بشكل فعال لإمالة قرص الدوار والتحكم بإتجاه الدفع الموجه. القرص المتراوح يتحكم بدوره بإختلاف التأرجح للريش.
الدوار الذي به أكثر من ريشتان يكون لديه توصيلتان مخصصتان، بحيث تجعل القرص المتراوح الداخلي يدور. ولكن بحالة نظام الدوار بريشتين فإن الريش تتولى هذه المهمة. يستطيع القرص المتأرجح تغيير الإتجاه عموديا والإمالة لعدة درجات. خلال التغيير والإمالة فإن القرص الثابت يتحكم بالقرص المتحرك، والذي بدوره يتحكم بتأرجح كل ريشة على حدة.

دوارات مفصلية

بنى خوان دي سيرفا نماذج مصغرة للأوتوجيرو لفحص تصميمه الجديد، ولكن بعد ظهور النتائج الواعدة، بدأ ببناء نموذج متكامل. ولكن قبل الشروع بالطيران، تمايل الأوتوجيرو بشكل غير متوقع مما أدى لتحطيمه. وقد اعتقد أن السبب هو هبوب ريح مفاجئة، فأعاد بناؤها لكنها تعرضت لنفس الحادث. هذه الإنتكاسة جعلت سيرفا يفكر جديا لماذا نجحت النماذج المصغرة بالطيران بينما فشل النموذج المتكامل.
أدرك سيرفا بأن الريشة المتقدمة في اتجاه تنتج قوة رفع أكثر من الريشة الراجعة للإتجاه الآخر خلال زيادة بالسرعة الجوية بالجهة المتقدمة مما يخلق قوة التفاف (rolling force). فالنماذج المصغرة كانت مصنوعة من مواد مرنة خصوصا من نبتة الروطان، حيث الريش تصفق وتعادل الرفع غير المتجانس فتمتص قوة الرفع غير المتماثل. فاستنتج سيرفا بأن محور الدوار المصنوع من الحديد كان صلبا بعض الشيء، لذلك عمل فصالات متحركة على محور الدوار.
حلت الفصالات المتحركة مشكلة الإلتفاف، ولكن محور الأفقي سيسبب الضغط حيث أن مركز الثقل للريشة سيتحرك كلما خفقت الريش. وللمحافظة على العزم الزاوى فإن سرعة الريش ستزداد وتتباطأ تبعا لحركة مركز الثقل إلى الداخل أو للخارج تماما كالدوران في حالة التزلج على الجليد، فأضاف سيرفا فصالات تابع ومتبوع أو مايسمى فصالات دلتا لتقليل الضغط الجانبي.

عمود التوازن

اكتشف أرثر يونغ أن الثبات سيزداد بشكل ملحوظ عند إضافة عمود التوازن (stabilizer bar) بشكل عمودي على الريش. فعمود التوازن ينهي التأرجح مما يبقيه ثابت نسبيا في حالة الطيران. يرتبط هذا العمود بالقرص المتراوح بمثل تلك الحالة لتقليل معدل الإنحدار. فالريشتان تتأرجحان كقطعة واحدة ولهذا فلا يكون من حاجة لفصالات تابع ومتبوع، الدوار بأكمله سيقلل السرعة ويزيدها بالدورة الواحدة.
نظام الريشتين يحتاج إلى فصالة متمايلة وفصالتان مخروطيتا الشكل للسماح لقرص الدوار بالحركة المخروطية عندما يزداد الدفع. المروحيات ذات النظام (fly by wire) يكون الكمبيوتر مع الجيروسكوب ومجس فينتوري بديلا عن الموازن. هذا التصميم بدون عمود له ميزة إعادة تشكيله بسهولة.

دوار الذيل

دوار الذيل أو الدوار الخلفي يكون أبسط وأصغر من الرئيسي، عندما تكون الحاجة لتحكم الدفع خلال التغير بالإنحدار. ويستخدم قرص متراوح بسيط للتحكم بمجموع الإنحدار. دوار ذيل ذات ريشتين معها فصالة متمايلة للمعادلة مع الرفع غير المتماثل.

أشكال الدوار







معظم المروحيات تحتوي على دوار رئيسي واحد ولكنه يحتاج إلى دوار آخر للتغلب على
عزم الدوران أو الإلتواء. وهذا يكتمل من خلال دوار التأرجح أو معاكس اللي أو مايسمى بدوار الذيل، وهو التصميم الذي إختاره ايغور لمروحيته (VS-300) واصبح معترف به في تصميم المروحيات وغن تغيرت أشكالها. فعند النظر إليها من الأعلى نجد التصاميم من ألمانيا وبريطانيا والولايات المتحدة تسير عكس عقارب الساعة، بينما التصاميم الأخرى فتسير مع عقارب الساعة. وهذا يجعل من الصعب إيجاد فروقات الآثار الديناميكية الهوائية على الدوار الرئيسي مابين التصاميم المختلفة.

دوار رئيسي مفرد

انتاج عزم الدوران في حالة دوار رئيسي مفرد يظهر مع تدوير المحرك للدوار. فتأثير عزم اللي أو عزم الدوران يجعل جسم المروحية يسير بالإتجاه المعاكس لحركة الدوار. لمنع هذا التأثير فإنه يحتاج إلى استعمال معاكس عزم اللي، مع هامش من القوة المتوفرة لكي يبقي على اتجاه المروحية وأيضا التحكم بالإنعراج.

أما أشهر ثلاث أنواع من انظمة التحكم التي تستخدم اليوم فهي:

1. نظام دوار الذيل التقليدي
2. نظام فنسترون المروحة الداخلية المصندقة لطائرات الايروكبتر نظام مروحية عديمة دوار الذيل(NOTAR) لأنواع اخرى من المروحيات.

الدوار الخلفي


دوار خلفي لمروحية بوما SA 330 Puma



الدوار الخلفي هو دوار يكون أصغر حجما ويثبت بشكل عمودي أو شبه عمودي على ذيل الطائرة أحادية الدوار التقليدية. وهو إما يسحب أو يدفع الذيل ليعادل عزم اللي. يحتوي نظام قيادة دوار الذيل على عمود القيادة drive shaft ويسيَر عن طريق جهاز نقل الحركة الرئيسي (main transmission) وعلبة التروس الموجودة بآخر الذيل. ويحتوي عمود القيادة على عمود طويل مفرد أو مجموعة من الأعمدة الصغيرة المتصلة ببعض بوصلات مرنة. تلك الوصلات تسمح بمرونة عمود القيادة مع صندوق الذيل. تزود علبة التروس الموجودة بنهاية صندوق الذيل تحكم زاوي للدوار الخلفي وقد يكون له غيار لتعديل السرعات للحصول على سرعة الدوران المثلى لدوار الذيل والتي تقاس بعدد الدورات بالدقيقة (RPM). بالمروحيات الكبيرة فإن علبة التروس الوسطى تستخدم لتحويل عمود قيادة الدوار الخلفي خلال صندوق الذيل المخروطي إلى أعلى قمة الدوار الخلفي، وهي أيضا تعمل وكانها موازن عمودي لتخفيف متطلبات القدرة لدوار الذيل عند الطيران الأمامي. وهي أيضا تعمل لإعطاء عاكس لعزم الدوران محدود خلال سرعة معينة عند فشل دوار الذيل أو أدوات التوجيه بدوار الذيل بالعمل بشكل مناسب.



مروحة قناتية الذيل






فنسترون أو مروحية قناتية الذيل هما علامات تجارية للمراوح الإنبوبية أو القناتية تكون مثبتة بنهاية صندوق الذيل للمروحية وتستخدم كبديل عن دوار الذيل أو الدوار الخلفي. ويكون بها مابين 8 إلى 18 ريشة مثبتة بشكل غير منتظم حتى يجعل الضوضاء تتوزع بذبذبات مختلفة. الغطاء يكون متكامل مع جسم الطائرة ويعطي دوران سريع جدا، لهذا فالمروحة القناتية تكون أصغر من الدوار الخلفي التقليدي.
استخدم فنسترون لأول مرة في نهاية الستينات بالنسخة التجريبية الثانية من (SA 340) واستخدم بالنسخ التالية من مروحياتايروسباسيال الغزال (SA 341 Gazelle)، بالإضافة إلى مروحية ايروكوبتر والنسخ التي تلتها. استخدم الدوار الخلفي ذو المروحة الإنبوبية بمشروع المروحية العسكرية كومانشى الخاضعة لجيش الولايات المتحدة

رسم تصويري يبين حركة الهواء خلال نظام عديمة دوار الذيل NOTAR




عديمة دوار الذيل

نظام مروحية عديمة مروحة الذيل (نوتار أو NOTAR) وهي مختصر ل NO TAil Rotor، وهو نظام مانع لعزم الدوران بالمروحية، شبيه لعمل الدوار الخلفي ولكن بدون أي مروحة خلفية. وتلك النظرية أخذت بعض الوقت حتى أتت بشكلها الحالي، وهي فكرة بسيطة تستخدم ظاهرة كواندا لعمل منع عزم الدوران[2]. حيث توجد مروحة ذات تأرجح متغير داخل المقطع الخلفي للهيكل وامام صندوق الذيل مباشرة، وتعمل بواسطة علبة التروس. تلك المروحة تزود هواء ذو ضغط منخفض خلال فتحتين على يمين صندوق الذيل مسببة انجراف سفلي من الدوار الرئيسي ليتشبث بصندوق الذيل مسببا برفعها، لهذا فكمية منع عزم الدوران يكون طرديا مع كمية تيار الهواء المجروف من الدوار. ويتم رفع بواسطة الدافع النفاث (وهو يعطي أيضا تحكم موجهة للإنعراج واتزان عمودي) كما بالصورة المقابلة.
تطوير نظام مروحية عديمة دوار الذيل يعود إلى عام 1975 عندما بدأ المهندسون بشركة مروحيات هيوز (Hughes Helicopters) بتطوير العمل بهذا المفهوم[2]. وقد طارت أول طائرة بنظام مروحية عديمة دوار الذيل لهيوز في ديسمبر 1981[3]. وطارت في مارس 1986 مروحيات جديدة ومطورة لأول مرة وأتمت فحص الطيران المتقدم بنجاح باهر، واثبتت بأنها تطبيقات المستقبل لتصميم المروحية[4]. حاليا يوجد ثلاث أنواع للمروحيات تمزج تصميم عديم دوار الذيل وجميعها تصنع بواسطة (مروحيات MD).

طرف ريشة نفاث

هناك نظام مغاير لما سبق ولايستخدم أيضا دوار الذيل وهو دوار طرف الريشة النفاث حيث أن الدوار الرئيسي لا يقاد بالسارية، ولكن من خراطيش موجود بطرف شفرات الدوار. بحيث تكون مضغوطة من توربين غازى مثبت بالهيكل أو تكون لها محركاتها الخاصة، لكن تلك الطريقة بسيطة وتمنع عزم الدوران، النماذج الأولى التي تم بنائها هي أقل كفاءة الوقود من المروحيات التقليدية واكثر إنتاجا للضوضاء. فبعضها لم يستطع الإرتفاع والبعض استطاع ولكن بهيكل ضعيف جدا. جميع مروحيات من هذا النظام كانت اختبارية ولم ينتج منها شيء.

دوار مزدوج (متعاكس الدوران)


تشكيل الطائرات ذات الدوارات التي تستخدم دوارين أفقيين أو أكثر يكون حركة دوران تلك المراوح متعاكسة الإتجاه لموازنة تأثير عزم الدوران بالطائرة بدون الإعتماد على دوار الذيل الخلفي. وهذا يسمح للطاقة المطلوبة لتحريك الدوار الخلفي بتحريك الدوارات الرئيسية، وذلك لزيادة قدرة الرفع للطائرة. بالأساس يوجد هناك 3 أشكال من المروحيات متعاكسة الدوران:

1. دوارات مترادفة: يكون دواران بحيث أحدهما خلف الآخر.
2. دوارات محورية: يكون بها دواران أحدهما فوق الآخر ولكن بنفس المحور.
3. دوارات متشابكة: يكون بها دواران متقاربان بزاوية مناسبة بينهما للسماح بتشابكهما فوق الطائرة.
4. دوارات عرضية:هذا الشكل موجود بالدوارات المائلة وبعض المروحيات القديمة، حيث دواران كل واحد منهما مثبت على طرف جناح المروحية (مجنحة الشكل).

المترادفة


الدوارات المترادفة هي مجموعتان لدوارات أفقية رئيسية مثبتة بشكل مترادف بحيث إحداهما أمام الأخرى. الدوارات المترادفة تاخذ وضعية التأرجح من خلال زيادة سرعة دوار وخفض سرعة الآخر من خلال عملية تسمى فرق مجمع التأرجح وهي ادوات توجية للمروحية. فإذا أراد الطيار الهبوط للأمام، فإن الدوار الخلفي سيرفع مجمع التأرجح مما يرفع سرعة الدوار الخلفي ويخفض الأمامي مما يخفض مقدمة الطائرة. أما إن أراد التأرجح للأعلى عند تقليل السرعة (أو الرجوع للوراء)، فإن الدوار الأمامي سيزيد من مجموع التأرجح ممايرفع مقدمة المروحية، والدوار الخلفي سيقلل السرعة لكي يخفض الذيل. تحكم الإنعراج يظهر من خلال عكس دوران التأرجح لكل دوار، فمثلا للدوران لجهة اليمين، فإن الدوار الأمامي يميل يمينا والدوار الخلفي يسار، أما إن أراد الدوران لجهة اليسار فإن الدوار الأمامي يميل لليسار والخلفي لليمين.


مروحية كاموف Ka-50





المحورية



الدوارات المحورية هي دوارات ثنائية تكون على سارية واحدة وتدور باتجاه متعاكس مع بعضها البعض. ميزة الدوار المحوري هو كالتالي: عند الطيران للأمام، فإن توفير الرفع يكون بتقدم نصف الدوار مشتركا مع النصف المتراجع للدوار الآخر، فيمنع أحد الآثار الرئيسية المترتبة على تجانس الرفع وهو انهيار الريشة المتراجعة. وقد أخذ بالإعتبار مشاكل تصميم الدوار المحوري. وهناك زيادة بالتعقيدات الميكانيكية بنظام الدوار بسبب الحاجة إلى توصيلات خاصة وقرص متراوح لكل دوار. بالإضافة إلى أن كل دوار يسير بالإتجاه المعاكس للدوار الآخر مما يجعل السارية ذات تركيبة أكثر تعقيدا، وتغيير التأرجح للدوار العلوي يجب أن يمر خلال نظام الدوار السفلي.




المتشابكة

هو نظام يحتوي على دواران يدوران بإتجاهين متعاكسين لبعضهما، بحيث أن كليهما متقاربان بزاوية مناسبة بينهما للسماح بتشابكهما فوق الطائرة دون أن يصطدما ببعضهما. يسمح هذا التنظيم للمروحية بالعمل دون الحاجة لدوار خلفي. هذا التشكيل يسمى أحيانا ب (synchropter). ميزة تلك المروحيات هي الكفاءة العالية على الثبات والمقدرة على الرفع الثقيل. وقد استخدمت فترة حكم النازيين كمروحيات مضادة للغواصات، تحت مسمى (Flettner Fl 282). وخلال الحرب الباردة تم انتاج مروحيات هوسكي كما بالصورة لسلاح الطيران لأغراض مكافحة الحرائق. النسخ الحديثة من طائرة كامان تستخدم كرافعة جوية للخدمات الإنشائية.




العرضية

الدوارات العرضية تثبت على طرفي الأجنحة أو الركائز وهي بالعرض أو متعامدة على هيكل الطائرة. شبيهة للمترادفة والمتشابكة، وهي تستخدم نفس مجمع التأرجح المتفاوت كاداة تحكم. والصورة المجاورة هي لأضخم مروحية بنيت على الإطلاق، وقد تم بنائها زمن الاتحاد السوفيتى.

تصميم الريشة

ريش المروحية تكون طويلة،ومقطع انسيابي ضيق مع معدل هيئة للجناح عالي، يجب على شكل الجناح أن يقلل من السحب من دوامات الطرفية التي تنشأ من طرف الجناح. وهي تحتوي على درجة من الإنبعاج لتقليل الرفع الناتج من طرف الجناح، حيث يكون تيار الهواء الأسرع بتلك النقطة مما تتسبب بدوامات طرف الجناح والتي هي مشكلة بحد ذاتها. تلك الريش مصنوعة من معادن مختلفة، ألمونيوم وحديد وتيتانيوم لتغطية الطرف الأمامي للريش.