چه یک خلبان تازهکار باشید که در حال دریافت گواهینامه خلبانی است، چه خلبانی باسابقه با هزاران ساعت تجربه پرواز و چه یک علاقهمند به شبیهسازهای پروازو علم هوافضا، احتمالاً با اصول اولیه وزن و تعادل هواپیما آشنا هستید. بدون شک، این یکی از مهمترین و بنیادیترین مفاهیم پرواز است؛ شما نمیتوانید با هواپیمایی که بیش از حد سنگین (Overweight) است پرواز کنید، همانطور که نمیتوانید با هواپیمایی پرواز کنید که تمام وزنش در دماغه یا دُم آن جمع شده است. خب، این مقدار از قضیه با عقل جور در میآید و بدیهی است، اما بیایید دقیقتر شویم. چرا این موضوع تا این حد اهمیت دارد؟ چرا قوانینی مانند «حداکثر وزن برخاست» (MTOW) و «مرکز ثقل» باید به دقت محاسبه شوند؟ با اِروتِک همراه باشید.
پاسخ کوتاه این است که کارخانههای سازنده بر اساس ویژگیهای هواپیمای خود در زمان خروج از کارخانه، مشخص میکنند چه چیزی قابل قبول است و چه چیزی نیست، و این پارامترها را به عنوان نقاط مرجع لیست میکنند. اگر هر کدام از این موارد رعایت نشوند، شما قادر به ادامه پرواز نخواهید بود، البته اگر اصلاً بتوانید از زمین بلند شوید! دلیلش این است که یک هواپیمای بیش از حد سنگین نمیتواند نیروی برآ (Lift) کافی برای غلبه بر نیرویی که تمام آن وزن را به سمت زمین هل میدهد تولید کند؛ و یک هواپیمای نامتعادل نیز آنقدر تمایل به بالا رفتن دماغه (Nose up) یا پایین رفتن دماغه (Nose down) پیدا میکند که دیگر غیرقابل کنترل خواهد شد.
ویدیوهای آموزشی کامل و رایگانی در اینترنت موجود است که این پدیده را با جزئیات شرح میدهند. اما برای شروع، یک بررسی اجمالی و خطوط راهنمای کلی چطور است؟ این همان چیزی است که در این مقاله به آن خواهیم پرداخت. بیایید نگاهی بیندازیم و فیزیک پشت این مفاهیم را توضیح دهیم.
چرا وزن هواپیما اهمیت دارد؟
اگر از افرادی باشید که زیاد با هواپیما سفر میکنند، بدون شک متوجه شدهاید که بسیاری از پروازهای بینالمللی و اقتصادی، محدودیتهای وزنی برای بار مسافران دارند که معمولاً حدود ۳۰ تا ۴۰ پوند (۱۴ تا ۱۸ کیلوگرم) است. اینکه چرا این محدودیت تا این حد حیاتی است، به وزن کل هواپیما و محل قرارگیری آن وزن مربوط میشود که درباره نقطه دوم بعداً بیشتر صحبت خواهیم کرد.
در وهله اول، وزن دقیقاً چیست؟ در هوانوردی، وزن به عنوان نیرویی تعریف میشود که توسط جاذبه ایجاد شده و هواپیما را به سمت زمین میکشد. هر قطعه از هواپیما وزن مشخصی دارد که همگی بر اساس معادله نیوتنی W=mg (وزن = جرم ضربدر شتاب جاذبه) محاسبه میشوند. جرم (Mass) بر اساس ترکیب مواد تشکیلدهنده یک قطعه تعیین میشود؛ جرم یک جسم برابر است با چگالی کل آن ضربدر حجمش. بنابراین، یک قطعه متراکمتر در همان ابعاد، سنگینتر از یک قطعه مشابه است که از مادهای با تراکم کمتر ساخته شده است.
تمام این فاکتورها دست به دست هم میدهند تا «حداکثر وزن ساختاری برخاست» (MTOW) هواپیما تعیین شود؛ یعنی بالاترین حد مطلقی از وزن که هواپیما میتواند بهطور ایمن با آن تیکآف کند. این یک محدودیت سخت و ثابت است که با فاکتورهای بیرونی مانند ارتفاع و فشار هوا تغییر نمیکند؛ زیرا این معادلات تنها نیروی گرانش و چگالی را در نظر میگیرند. بنابراین، یک بوئینگ ۷۳۷ چه در دنور (شهری با ارتفاع بالا و هوای رقیق) باشد و چه در آمستردام، دارای همین محدودیت وزنی [ساختاری] است؛ هرچند وزن ایمن واقعی برای برخاستن آن در هوای رقیق دنور کمتر خواهد بود.
سازندگان هواپیما میخواهند تا حد امکان وزن بدنه را بدون به خطر انداختن استحکام ساختاری آن کاهش دهند تا امکان حمل سوخت، مسافر، بار و سیستمهای روی برد بیشتری فراهم شود. آنها همچنین میتوانند وزنی را که هواپیما میتواند در هنگام برخاستن تحمل کند، با افزودن قدرت موتور بیشتر، قطعات ساختاری با دوامتر یا حتی موتورهای راکتی کوچک که سرعت اضافی ایجاد میکنند (معروف به JATO یا برخاستن به کمک جت) افزایش دهند.
چرا محل قرارگیری وزن اهمیت دارد؟
اگر وزن را کل نیروی رو به پایین وارد بر هواپیما در نظر بگیریم، «مرکز ثقل» (Center of Gravity یا CG) نقطهای است که آن وزن در آن بهطور مساوی توزیع شده است. به زبان سادهتر، اگر شما روی یک الاکلنگ بودید و وزن متفاوتی در طرف مقابل شما قرار داشت، مرکز ثقل جایی است که شما (یا آن وزن) باید قرار بگیرید تا الاکلنگ به طور کامل به تعادل برسد.
برای مثال یک هواپیمای ساده با موتور جلو را در نظر بگیرید. شما یک موتور بزرگ و سنگین در جلو دارید و هیچ چیز سنگینی در عقب نیست؛ عقل حکم میکند که هواپیما در قسمت دماغه سنگین (Nose-heavy) باشد. برای متعادل کردن این وضعیت، دُم هواپیما وجود دارد که مقدار مشخصی نیروی رو به پایین وارد میکند تا با نیروی ناشی از این تفاوت وزن مقابله کند. این قاعده را میتوان به تمام هواپیماها نیز تعمیم داد؛ مثلاً یک هواپیمای مسافربری تجاری، وزن تکتک مسافران، بار و سوخت موجود در هواپیما را محاسبه میکند و به همین دلیل است که برخی پروازها محدودیت وزن بار دارند.
حالا که میدانید چگونه تعادل را پیدا کنید، نوبت به «مرکز برآ» (Center of Lift یا COL) میرسد. شما میخواهید مرکز برآ (نیروی بالابرنده) کمی عقبتر از مرکز ثقل (CG) قرار بگیرد تا هواپیما به طور طبیعی تمایل داشته باشد دماغه خود را به سمت پایین متمایل کند. این تمایل با یک اصطلاح شناخته میشود: زاویه حمله (Angle of Attack یا AOA)؛ که به عنوان زاویهای تعریف میشود که در آن خط وتر بال (یک خط فرضی از لبه جلویی بال تا لبه پشتی آن) با جریان باد برخورد میکند. زاویه حمله بالاتر به این معنی است که هواپیما رو به بالا قرار گرفته است (پیکر هواپیما زاویه مثبتی به خود گرفته است). زاویه حمله بیش از حد بالا باعث واماندگی یا استال (Stall) هواپیما میشود و زاویه حمله بیش از حد کم باعث سقوط سریع آن خواهد شد.
شما باید هواپیما را طوری متعادل کنید که مرکز برآ به طور طبیعی تمایل داشته باشد هواپیما را در زاویه حمله ایدهآل نگه دارد و به آن اجازه دهد بدون وارد کردن فشار بیش از حد به سطوح کنترلی (مانند بالابرها و سکان) پرواز کند. قرارگیری نامناسب و دردسرساز مرکز ثقل، همان دلیلی است که پرواز با برخی از هواپیماهای موتور عقب، مانند بوئینگ ۷۲۷ را به شدت دشوار و چالشبرانگیز کرده بود.
منبع: Slashgear
