مرکز انجمنهای تخصصی

 به نام خدا 


 هرگونه كپي برداي ازاين مطلب ، به هر شيوه ي ممكن مجاز نمي باشد، به خصوص براي سايت ميهن دانلود. 



سلام بر همه ي كاربران گرامي




به ياري پروردگار ، مبحث مكانيك پرواز را در اينجا آغاز مي كنيم. در ابتدا سر فصل هاي مربوطه، كه بر اساس منبع اصلي اين نوشتار ، يعني كتاب «مكانيك پرواز» نوشته ي «محمد هاشم صدرايي» انتخاب شدند ارائه مي شود تا روند كلي از بحث ،در نظر شما شكل بگيرد و همچنين اگر دوستاني تمايل داشتند در اين مبحث با بنده همكاري كنند ، تقسيم كار بر مبناي اين سرفصل ها باشد. البته اين فهرست از مطالب ، قابل تكميل شدن هست و انشالله سعي خواهد شد تا از منابع ديگري هم براي كامل كردن مطالب بهره گيري شود.
[COLOR=#0070c0]ممكن است بنا به صلاح ديد ، بخش هايي از مطالب اين فهرست ، ارائه نگردند يا به طور خلاصه تقديم شوند و يا با سرفصل هايي ديگر جايگزين شوند كه در اينصورت انشاالله اطلاع رساني خواهد شد.
 


فصل اول : جو

*مقدمه
*جو
*استاندارد بين المللي جو
*محاسبات لايه هاي تروپسفور و استراتوسفر :
**درجه ي حرارت
**فشار
**چگالي
**چسبندگي يا لزجت
*رطوبت
*ارتفاع و اندازه گيري آن
*سرعت صوت
*حرارت آيروديناميكي
*پديده هاي جوي

===============================

فصل دوم : معادلات حركت


*مقدمه
*نيروهاي آيروديناميكي
*معادلات حاكم بر حركت هواپيما
**حركت مستقيم الخط بدون شتاب
**اوجگيري
**برخاستن
*سرعت واقعي و معادل
*سرعت واماندگي



==================================

فصل سوم : نيروي پسا و ضريب آن


*مقدمه
*انواع نيروي پسا
*منحني قطبي پسا
*محاسبه ي ضريب CDo هواپيما
**بدنه ي هواپيما
**بال ، دم افقي و دم عمودي
**برافزا
***برافزاي لبه ي فرار
***برافزاي لبه ي حمله
**ارابه ي فرود
**ميله ها يا ستون هاي تقويتي بال
**پوشش موتور
**خنك كاري موتور
**ضريب CDo ديگر اجزاء
**ضريب CDo كل
*پساي موج
*تغيير CDo بر حسب ارتفاع و سرعت


==================================
فصل چهارم : موتور هواپيما


*مقدمه
*موتور رفت و برگشتي يا پيستوني
*موتور توربيني
**موتور توربوجت
**موتور ملخي
**موتور توربوفن
**موتور توربوشفت
**موتور رم جت
**موتور موشك
*مقايسه ي كلي موتورها
**مصرف ويژه ي سوخت
**محدوديت هاي موتور توربيني (تخت شدگي)
**رابطه ي قدرت ، نيروي محركه و سرعت حركت هواپيما
**تغييرات قدرت و نيروي محركه ي با ارتفاع[پرواز]
***رابطه ي قدرت و ارتفاع در موتورهاي ملخي
***رابطه ي نيروي محركه و ارتفاع در موتورهاي جت
***رابطه ي مصرف ويژه ي سوخت با ارتفاع
*ملخ و كارايي آن


=======================================

فصل پنجم : پرواز افقي مستقيم الخط-هواپيماي جت


*مقدمه
*معادلات پايه
**تعادل نيروها
**رابطه ي نيروي پسا ، نيروي جلوبرنده و سرعت
**رابطه ي سرعت و زاويه ي حمله
**حداكثر نسبت برآ به پسا
*سرعتهاي ويژه در پرواز افقي مستقيم الخط
**حداكثر سرعت
**سرعت سير يا كروز
**سرعت حداقل پسا
*برد
**تعريف برد
**محاسبه ي برد
**سرعت حداكثر برد
**نكات كاربردي
*مداومت پروازي
**تعريف مداومت پروازي
**سرعت حداكثر مداومت پروازي و حداكثر مداومت پروازي
**مقايسه ي زمانهاي سرعتهاي حداكثر برد و حداكثر مداومت پروازي
**تأثير باد بر برد و مداومت پروازي
*سقف پرواز


=========================================
فصل ششم : پرواز افقي مستقيم الخط-هواپيماي ملخي
*مقدمه
*معادلات پايه
*سرعتهاي ويژه
**سرعت حداقل قدرت
**سرعت حداقل پسا
**سرعت حداكثر
**سرعت سير يا كروز
*برد
**محاسبه ي برد
**سرعت حداكثر برد
**نكات كاربردي
*مداومت پروازي
**تعريف مداومت پروازي
**سرعت حداكثر مداومت پروازي
**حداكثر مداومت پروازي
*سقف پرواز
**تعريف سقف پرواز
**سقف پرواز هواپيماهاي پيستوني ملخي
**سقف پرواز هواپيماهاي توربوملخي
*مقايسه ي چند متغير ميان هواپيماهاي ملخي و جت



=======================================



فصل هفتم : اوجگيري وكاهش ارتفاع


*مقدمه
*مفاهيم اساسي اوجگيري
*معادلات عمومي اوج گيري
*سريعترين اوجگيري يا حداكثر شدت اوجگيري
**بيشترين شدت اوجگيري هواپيماي جت
**حداكثر شدت اوجگيري هواپيماي ملخي
*حداكثر زاويه ي اوجگيري يا عميق ترين اوجگيري
** حداكثر زاويه ي اوجگيري هواپيماي جت
** حداكثر زاويه ي اوجگيري هواپيماي ملخي
*مدت زمان اوجگيري
*كاهش ارتفاع يا نزول
*پرواز سُرشي
**حداكثر مسافت پيموده شده در سُرش



======================================


فصل هشتم : برخاستن و فرود

*مقدمه
*اصول برخاستن
*محاسبه ي طول باند برخاستن
**طول باند زميني
**طول باند زميني هنگام چرخش يا انتقال
**طول باند برخاستن در مرحله ي اوجگيري
*فرود
*تأثيرات باد و شيب باند در برخاست و فرود
**اثر باد روبرو در برخاستن
**اثر شيب باند در برخاستن


================================


فصل نهم : پروازهاي مانوري


*مقدمه
*دور زدن
**مباني و محاسبات كلي دور زدن
**دور زدن هواپيماي جت
**دور زدن هواپيماي ملخي
*مانورهاي اصلي پرواز
**چرخش
**حركات تركيبي دور زدن و تغيير ارتفاع
**پرواز معكوس
**واماندگي عمودي
**پيرجه ي و خروج از شيرجه
**فرچرخ
*محدوده هاي پروازي
**نمودار ضريب برآ در مقابل سرعت پرواز (بر حسب عدد ماخ)
**نمودار محدوده س سرعت و ارتفاع
**نمودار تغييرات بار بي بعد بال در برابر سرعت
*پاكت پروازي يا نمودار V-n
**ضريب بار (n)
**پاكت پروازي بدون منظور كردن تأثيرات باد لبه ي تيز (پاكت مانور)
**پاكت پروازي در برخورد هواپيما با باد لبه ي تيز (پاكت پروازي باد)
**نمودار V-n يا پاكت پروازي
*توانايي مانور
**سريعترين دور زدن-هواپيماي جت
**حداقل شعاع دور زدن-هواپيماي جت
**سريعترين دور زدن-هواپيماي ملخي
**حداقل شعاع دور زدن-هواپيماي ملخي

==============================================
فصل دهم : مروري بر اصول خلباني


*مقدمه
*آلات دقيق و ابزار كنترل هواپيما
**ابزارهاي كنترل هواپيما
**ابزارهاي اندازه گيري در هواپيما
*عمليات زميني پيش از پرواز
**بررسي هاي پيش از پرواز و روشن كردن موتور
**مانورهاي زميني، خاموش كردن موتور و مهار در پاركينگ
*پرواز مستقيم و افقي
*اوجگيري و كاهش ارتفاع
**اوجگيري
**كاهش ارتفاع (نزول)
*دور زدن
*برخاست و فرود
**برخاست در وضعيت عادي و هنگام وزش باد جانبي
**فرود در وضعيت عادي و هنگام وزش باد جانبي

 فصل اول : جو

مقدمه

جو توده ي سيالي است كه همچون هال اي عظيم ، زمين را در برگرفته است و نقشهاي مختلفي را از جمله حفظ ساكنان اين كره در مقابل خطرات بسيار بر عهده دارد.
وسايل پروازي به دو دسته تقسيم مي شوند : هوايي مثل هواپيما و بالگرد كه فقط مي توانند در داخل جو پرواز كنند و فضايي از قبيل ماهواره و سفينه كه در فضا (خارج از جو) پرواز مي كنند. هواپيماها و فضاپيماها همگي مي توانند در داخل جو پرواز كنند ولي فضاپيما قدمي فراتر مي نهند و قادرند از جو زمين خارج شوند و اساساً مأموريت پروازيشان خارج از جو است. فضاپيماها قبل از ورود به فضا و پس از پايان مأموريتشان و بازگشت به زمين با جو روبرو مي شوند.    
 

تمامي پرندگان ساخته ي دست بشر بايد در موقعيتهاي مختلف جوي كه تغييرات آن خارج از كنترل بشر است بتوانند مأموريت پروازي خود را براحتي انجام دهند. بر اين اساس لازم است طراحان ، سازندگان و خلبانان ضمن آشنايي با جو بر تأپيرات آن بر عملكرد هواپيماي خود آگاهي كامل داشته باشند. در اين فصل با جو ، لايه هاي مختلف آن، روش محاسبه ي متغيرهاي مختلف جوي ، جو استاندارد بين المللي يا آيسا(ISA) و برخي از مباحث ديگر آشنا خواهيم شد.

جو

توده ي سيالي كه تا ارتفاع تقريبي 1000 ك.م. اطراف كره ي زمين را فراگرفته است ، جو زمين يا اتمسفر ناميده مي شود. غلظت جو در نزديكي سطح زمين بيشترين مقدار است و هرچه از زمين فاصله بگيريم غلظت آن كاهش مي يابد. جرم كل هواي موجود بين دو ارتفاع 31 و 48 ك.م. تنها يك درصد جرم هواي بين سطح دريا و ارتفاع 16 ك.م. است . بيش از 75 درصد جرم جو در نواحي غير قطبي ( 90 درصد در نواحي قطبي) در 11 ك.م. اول جو قرار دارد.
نور خورشيد به راحتي از جو عبور كرده و به سطح زمين برخورد مي كند . بيشتر گرماي خورشيد كه از طريق نور وارد جو زمين مي شود توسط سطح زمين جذب مي شود. در ارتفاع حدود 48 ك.م. زمين ، لايه ي ازن ( تركيب خاصي از اكسيژن) قرار دارد ، كه نقش بسزايي در حيات بشر دارد. اين لايه نقش حفاظ در برابر تشعشعات پرانرژي خورشيد و ذرات پربار فضايي را بر عهده دارد. البته اين خطرات براي فضاپيماها كه از جو خارج مي شوند وجود دارد.     
 

جو نيز نقش حياتي براي بشر روي كره ي زمين دارد. جو از بمباران دائمي اجرام آسماني به سطح زمين جلوگيري مي كند. تخمين زده شده است كه وزن اين اجرام روزانه حدود هزاران تن مي باشد ، كه اغلب تبخير شده يا مي سوزند. البته بخش كمي نيز وارد جو مي شود. سطح كره ي ماه به دليل برخورد اجرام آسماني و عدم وجود جو ، پر از گودال است.
از آنجا كه بخشي از گرماي خورشيد توسط لايه ي ازن جذب مي شود ، لذا جو در مقابل دو منبع حرارتي (لايه ي ازن و سطح زمين ) قرار دارد . به اين علت ، جريان حرارتي از سطح زمين به سمت بالا و از لايه ي جو به سمت پايين حركت مي كند. اين خود يكي از دلايل وجود سيستم باد در جو مي باشد. لايه ي ازن ، با اين حال براي هواپيماهاي بلند پرواز خطرناك است زيرا هم خطر منطقه ي سمي را دارد و هم براي موادي مانند لاستيك ، مخرب است. در بالاي لايه ي ازن (حدود 50 ك.م.)، دما مانند دماي سطح زمين است.
جو از نظر ديناميكي سيستمي در حال تغيير ، و به طور يكنواخت در حال جريان است. در جو ، تركيبي از گازهاي مختلف به اظافه ي بخار آب هست كه از نظر شيميايي با يكديگر واكنش ندارند. تركيب اين گازها را اصطلاحاً هوا مي نامند كه عمدتاً مخلوطي از دو گاز اكسيژن و نيتروژن است كه اين دو ، حدود 98% هوا را تشكيل مي دهندو دو درصد باقي مانده ، شامل گازهاي نادر از قبيل هليوم ، هيدروژن ، مقداري بخار آب و ديگر گازها است .  

 جدول زير نام و مقدار گازهای موجود در جوّ خشک را نشان می دهد. البته گازهای آلاینده مانند منو اکسید کربن، که اغلب از مصرف سوختهای فسیلی ناشی می شود و همچنین ذرّات معلق در جوّ نیز یافت می شود. در مناطق بسیار مرطوب، گاهی مقدار رطوبت به حدود 5 درصد می رسد.

ردیف-------نام گاز--------- درصد وزنی ---------- درصد حجمی --------------- فرمول
1 نیتروژن--------------N2 ----------------- 78 -------------------- 75
2 اکسیژن------------- O2 ---------------- 20.9------------------- 23
3 آرگون------------- Ar ------------------ 0.93------------------- 1.28
4 دی اکسید کربن---- -CO2 ------------------ 0.03------------------ 0.046
5 دیگر گاز ها------ ---- 0.674 ------------------- 0.14 -
6 هوا ---------- 100%---------------- 100% -

چهار عامل مهم در هوا عبارتند از: فشار، دما، جرم حجمی و لزجت (ویسکوزیته) .

شکل زير مشخصات عمومی جوّ را نشان می دهد که در آن تغییرات این چهار عامل مهم بر حسب ارتفاع آمده است.   
    

فشار و جرم حجمی هوا با ارتفاع کاهش می یابد. تغییرات دما و لزجت (ویسکوزیته) و همچنین سرعت صوت بر حسب دما، روند ثابتی ندارد و بسته به ارتفاع، کاهش و افزایش می یابد. این تغییرات باعث می شود، سازمانها و کشور های مختلف جوّ را به لایه هایی با خواص مشترک تقسیم کنند. تعداد این لایه ها بین 3 تا 7 لایه در اسناد مختلف ذکر شده است.
یکی از این سازمانها سازمان ایکائو (سازمان بین المللی هوا نوردی غیر نظامی یا Internatinal Civil Aviation Organisation ICAO) است. شکل 1-1 تقسیم بندی جوّ را براساس انتشارات این سازمان نشان می دهد. این تقسیم بندی که بر اساس تغییرات دما می باشد، به طور عمده عبارت است از:

1- تروپوسفر (Troposphere)
2- استراتوسفر (Stratosphere)
3- مزوسفر (Mesosphere)
4- ترموسفر (Thermosphere) یا یونوسفر (Ionosphere)
5- اگزوسفر (exosphere)

مرز بین لایه اول یا تروسفر و لایه دوم یا استراتوسفر را تروپوپز (Tropopause)می نامند. این مرز در ارتفاع 37000 پایی یا 11000 متری قرار دارد. همچنین مرز بین لایه سوم یا مزوسفرو لایه چهارم یا ترموسفر را نیز مزوپز می نامند. مرز بین لایۀ استراستوسفر و لای مزوسفر، ارتفاع حدود 48 کیلومتری و مرز میان لایۀ مزوسفر و لایۀ ترموسفر، ارتفاع حدود 80 کیلومتری است. البته دقت شود که این مرزها ثابت نیست بلکه تقریبی است.

در اینجا سه نکته قابل ذکر است:

1) ارتفاع 18000 پایی، ارتفاعی است که پس از آن، فشار اکسیژن برای تنفس کافی نیست و باید اکسیژن مورد نیاز خلبان و سرنشینان هواپیما، به صورت مکانیکی به داخل هواپیما دمیده شود. اغلب جت های مسافری در ارتفاعی پرواز می کنند که فشار حدود 2/0 تا 3/0 اتمسفر می باشد. سیستم تهویه آنها فشار داخل کابین را به حدود 85/0 اتمسفر می رساند.

2) در ارتفاعات بالاتر از 120000 پایی، اکسیژن کافی برای فرایند سوختن در محفظۀ احتراق بیشتر موتور های جت امروزی موجود نیست. بر این اساس این ارتفاع (120000) می تواند سقف پرواز تمام هواپیما های امروزی به شمار آید.

3) به این دلیل وسایل پرنده ای که قرار است در ارتفاعاتی بالاتر از این رتفاع پرواز کنند، باید علاوه بر سوخت، اکسیژن مورد نیاز را با خود حمل کنند. موتور موشک برای پرواز در ارتفاعات بسیار زیاد مناسب است و اکسیژن موجود در داخل کپسولهای داخلی موشک را مصرف می کند. 

3-1) استاندارد بین المللی جوّ


عملکرد و کارایی هر هواپیما وابسته به وضعیت جوّی و یا به عبارت دقیقتر وابسته به خواص فیزیکی (بویژه جرم حجمی) هوایی است که در آن پرواز می کند. به منظور قضاوت صحیح در بررسی عملکرد انواع هواپیما لازم است آنها را براساس وضعیت جوّی یکسان مقایسه کنیم. با این هدف و برای کمک به طراحان، خلبانان و کسانی که به نوعی با عملکرد و کنترل هواپیما فعالیت دارند، قراردادی بین المللی جوّ یا آیسا (ISA یاInternatinal Standard Atmosphere ) گویند. این استاندارد مقبولیت جهانی دارد و بر اساس آن، تمام خلبانان و کارمندان بخش کنترل پرواز فرودگاه ها زبان واحدی دارند.
از نظر شرایط آیسا (ISA) فشار ( P0) دما ( T0) و چگالی (ρ0) هوا در سطح دریا برابرند با:


  


اندیس صفر (0) معرف مقدار آنها در سطح دریاست. توجه به این نکته ضروری است که منظور از سطح دریا (SL یا Sea Level) سطح دریاهای آزاد یا سطح اقیانوسهاست و سطح هر دریایی ملاک نیست. ارتفاع سطح دریا مبنای اندازه گیری ارتفاع است و آن ارتفاع صفر به شمار می آید.
تغییرات این متغیر ها در ارتفاع مختلف و دیگر لایه های جوّ از روابطی به دست می آید که در بخش بعد (4-1) معرفی می شوند. شکل 2-1 نشانگر تغییرات دما در شرایط استاندارد (ISA) به اضافۀ تغییرات دما در دو منطقۀ استوایی و قطبی در دو لایۀ اول و دوم است. در وضعیت گرمسیری استوایی (غیر آیسا) و در سطح دریا دما حدود 45 درجه سانتیگراد و در حالت سرد سیری قطبی (غیر آیسا) و در سطح دریا، دما حدود 50- درجه سانتیگراد است. این دو نشاندهنده پایین ترین و بالاترین دما در سطح دریا هستند. اختلاف اساسی وضعیت استاندارد و غیر استاندارد در دماست که با محاسبه ای ساده می توان آنها را به یکدیگر تبدیل کرد.


  
 
شکل 2 – 1) تغییرات دما در وضعیت استاندارد، استوایی و قطبی  

 4-1) محاسبات لایه های تروپوسفر و استراتوسفر 
 
دما، فشار، چگالی و لزجت هوا در لایه های مختلف جوّ یکسان نیست. بنابراین با توجه به اینکه موضوع مکانیک پرواز، هواپیما هاست و نیز هواپیماهای امروزی حداکثر تا لایۀ استراتوسفر می توانند بالا بروند و پرواز کنند، بنابراین در این بخش، تغییرات دما، فشار، چگالی و لزجت هوا را در محدودۀ لایه های جوّی تروپوسفر و استراتوسفر (دو لایه اول و دوم) بررسی می کنیم.  
 
1-4-1) درجه حرارت (دما)  
 
شکل زير تغییرات دما در لایه های مختلف جو را نشان می دهد. 

 [External Link Removed for Guests] 

  قدر از سطح دریا تا ارتفاع 37000 فوت (یا 11000 متر) بالاتر رویم درجه حرارت هوا تقریباً بطور خطی کاهش می یابد. از ارتفاع حدود 37000 فوت تا ارتفاع تقریبی 100000 فوت (صد هزار) دما ثابت و برابر 56- درجه سانتیگراد خواهد بود. بنابراین می توان گفت دما در لایه تروپوسفر تغییر می کند ولی در لایۀ استراتوسفر ثابت می ماند. روابط به تغییرات دما نسبت به ارتفاع در وضعیت آیسا (ISA) به شکل زیر است:  
  
 
در این معادلات:  
 
h : ارتفاع مورد نظر برای محاسبۀ دما  
 
TISA: دما در شرایط آیسا و بر حسب سانتیگراد یا درجه کلوین  
 
T0: دما در سطح دریا و وضعیت آیسا  
 
L: نرخ کاهش دما که برابر است با [0.002 درجه سانتيگراد بر فوت یا 0.0065 درجه ي سانتيگراد بر متر] یعنی در هر 1000 فوت ارتفاع، دما دو درجه سانتیگراد و در هر 1000 متر ارتفاع، دما 5/6 درجه سانتیگراد کاهش می یابد.  

  1-1 تغییرات دما را در لایۀ اول جوّ و معادله 2-1 تغییرات دما، در لایۀ دوم نشان می دهد.
برای نمایش دما در ارتفاعات مختلف نسبت به دمای مرجع(سطح دریا) از متغیر θ که برابر است با نسبت دمای ارتفاع مورد نظر به دمای سطح دریا، استفاده می شود.   
   
 
برای محاسبۀ دما در شرایط غیر آیسا می توان نوشت:     
که T∆ اختلاف دما در وضعیت آیسا و غیر آیساست.  
 
مثال 1-1) دما را در ارتفاع 20000 و 50000 فوت و وضعیت آیسا بیابید.  
 
حل:  
   

مثال 2-1) دما در شهر تهران در یک روز تابستانی 32 ISA+و در یک روز زمستانی 25 ISA- ، است. دما در این دو روز چقدر است؟ شهر تهران حدود 3000 فوت از سطح دریا ارتفاع دارد.  
 
حل:  
   
بنابراین شهر تهران فقط وقتی دارای وضعیت استاندارد جوّی است که دمای هوا 9 درجه سانتیگراد باشد. 

2-4-1) فشار (p)


از متغییر های بسیار مهم در جوّ، که در کارایی تأثیر بسزایی می گذارد، فشار هوا در ارتفاعات مختلف است. تحت تأثیر حوزۀ جاذبه زمین، تمام جرم جوّ، یک نیرویی را بر سطح آن اعمال می کند که به صورت فشار عنوان می شود. معمولاً فشار به صورت نیروی وارد بر واحد سطح تعریف می شود. در سال 1643 میلادی، فیزیکدان ایتالیایی تریچلی یک فشار سنج جیوه ای ساخت که هنوز هم مورد استفاده قرار می گیرد. بر طبق روش او، در شرایط جوی استاندارد، فشار در سطح دریا معادل 760 میلی متر یا 92/29 اینچ جیوه می باشد. به این فشار گاهی یک اتمسفر یا یک بار (bar) گویند.
به طور کلی فشار هوا با افزایش ارتفاع، کاهش می یابد. تغییرات فشار در لایه های مختلف جوی در شکل 1-1 اتمسفر، در ارتفاع 31 کیلومتری حدود اتمسفر و در ارتفاع 48 کیلومتری (در بالای لایۀ ازن) حدود اتمسفر است.
بر طبق دو قانون بویل و چالز، رابطه بین فشار، حجم و دمای هر گاز (از جمله هوا) در هر وضعیت (از جمله وضعیت فرضی 1 و 2) مقداری ثابت است؛ یعنی:


  


چگالی (ρ) جرم حجمی هر گاز از جمله هوا بر حسب فشار و دمای آن از رابطه زیر به دست می آید:


  


که دما بر حسب درجه کلوین است. همچنین R ثابت گازها نام دارد و مقدارش برابر است با:
  


از طرف دیگر تغییرات فشار بر حسب ارتفاع برابر است با:


  


حال با انجام عملیات جبری روی معادلات 1-1، 7-1 می توان به معادله زیر که تغییرات فشار را نسبت به دما نشان می دهد، رسید:


  


با توجه به اندازه های g، L خواهیم داشت:


  


و نیز در صورت قرار دادن مقدار به دست آمده از رابطۀ 9-1 در معادلۀ 8-1 خواهیم داشت:


  


رابطۀ فوق که در آن دما بر حسب درجه کلوین است، مربوط به لایۀ اول مي باشد. دقت شود که در معادلۀ 10-1 فشار و دما در وضعیت آیساست؛ به عبارت دیگر فشار در وضعیت آیسا و غیر آیسا چنان تفاوتی ندارد؛ یعنی علی رغم تغییرات زیاد دما در وضعیت غیر آیسا، فشار مانند وضعیت آیسا تغییر می کند؛ به عنوان نمونه فشار هوا در شهر تهران در طول سال حدود 84 کیلو پاسکال است.
با توجه به اینکه دما در لایۀ استراتوسفر ثابت، و برابر با 56- درجه ي سانتي گراد است، برای محاسبۀ فشار در لایۀ دوم جوّ دوم طبق وضعیت آیسا می توان رابطۀ زیر را نوشت:

  



ارتفاع hدر معادله a 11-1 بر حسب متر و در معادله b 11-1 بر حسب فوت است.
همچنین دقت شود که در محاسبات فشار، سیستمهای کم فشار یا پر فشار جوّی در نظر گرفته نشده است؛ زیرا این سیستمها غیر دائمی است و تأثیرات آنها وضعیت را غیر آیسا می کنند.

مثال3-1) فشار هوا را در ارتفاع 40000 فوت و وضعیت آیسا محاسبه کنید.
حل:
با توجه به این که ارتفاع 40000 فوت در لایۀ استراتوسفر واقع است، لذا از معادله b 11-1 استفاده می کنیم:

  


نسبت فشار در هوا ارتفاع به فشار در سطح دریا را با علامت () نشان می دهند.

  





3-4-1) چگالی(ρ)

یکی از مهمترین متغیرهای جوّی، که در تغییرات عوامل مربوط به کارایی هواپیما نقش بسیار مهمی دارد، چگالی هواست. چگالی یا جرم مخصوص، جرم واحد حجم (متر مکعب) هر ماده (از جمله هوا) است. چگالی نسبی () هوا نسبت چگالی هوا در هر ارتفاع به چگالی هوا در سطح دریاست.



  


لذا چگالی حجمی هوا در هر ارتفاع و چگالی هوا در ارتفاع صفر (سطح دریا) است. شکل 1-1 تغییرات چگالی هوا در لایه های مختلف جوّی را نشان می دهد. بر طبق این شکل، چگالی هوا در تمامی لایه های جوّ با افزایش ارتفاع کاهش می یابد. چگالی هوا در ارتفاع 16 کیلومتری حدود 11 درصد چگالی آن دریا می باشد.
برای محاسبۀ چگالی هوا در ارتفاعات مختلف کافی است فشار و دما در ارتفاع مورد نظر را محاسبه کنیم. سپس اندازه های به دست آمده را در رابطه 6-1 قرار می دهیم و مقدار چگالی هوا را در آن ارتفاع به دست می آوریم.


  


حال از روابط 3-1، 6-1، 12-1 و 13-1 می توان نتیجه گرفت:


  



از آنجا که نیروی پسا (Drag) با جرم حجمی هوا رابطۀ مستقیم دارد و نیز هر چه از سطح زمین بالاتر رویم مقدار چگالی (ρ) کمتر می شود، بنابراین نیروی پسا کمتر می شود. این یکی از دلایلی است که هواپیما ها معمولاً در ارتفاعات بالا پرواز می کنند.
زیرا کم شدن پسا باعث بهبود عملکرد هواپیما می گردد. در جدول ضمیمۀ 2، چگالی نسبی هوا () در ارتفاعات مختلف جوّی نشان داده شده است.

مثال 4-1) چگالی هوا را در ارتفاع 5000 متری و وضعیت آیسا به دست آورید.
حل


  


مثال5-1) چگالی هوا را در ارتفاع سطح دریا و وضعیت 15-ISA محاسبه کنید.
حل:
  


فشار در سطح دریا 101325 پاسگال است.

  

4-41) چسبندگی یا لزجت (μ)


چسبندگی یا لزجت هوا متغیری وابسته به دماست. محاسبۀ لزجت را می توان از رایطه تجربی زیر، که به رابطۀ ریلی (Rayleigh) معروف است، به دست آورد:

 

در رابطۀ فوق که دما بر حسب درجه کلوین است، T و μ و لزجت هوا در هر ارتفاع و سطح دریا و وضعیت آیسا برابر است با:

   


5-1) رطوبت


رطوبت از دیگر عواملی است که بر جرم حجمی هوا تأثیر می گذارد. بطور کلی رطوبت، وجود بخار آب در هواست؛ بخار آب می تواند در شرایطی تا 5 درصد هوا در گرمترین وضعیت در سطح دریا وجود داشته باشد. در عمل 2 درصد به عنوان شرایط بسیار مرطوب در نظر گرفته می شود. متغیری که به وسیلۀ آن می توان رطوبت را اندازه گیری کرد، رطوبت نسبی است. رطوبت نسبی، به صورت نسبت مولکولهای بخار آب در یک مخلوط هوا- بخار به مولکولهای بخار در یک مخلوط اشباع در همان فشار و دما تعریف می شود. با توجه به این که بخار را می توان گازی ایده آل فرض کرد، رطوبت نسبی به صورت دیگری نیز تعریف می شود. بر طبق این تعریف، رطوبت نسبی ، نسبت فشار جزئی بخار، همانطور که در مخلوط وجود دارد (pv) به فشار اشباع بخار در همان دما (pg) است:

  


جدول 2-1 فشار اشباع بخار آب را بر حسب دما نشان می دهد :

 [External Link Removed for Guests]     
  نمايش تصوير بزرگتر ، روي آن كليك كنيد. 
 

فشار کل هوا برابر با مجموع فشارهای هوای بدون رطوبت و فشار بخار (یا رطوبت) است.

 
  


پس سهم فشار هوا همان pa است که در محاسبه چگالی هوا به کار می رود.
رطوبت نسبی بین 0 و 1 تا 100% در حال تغییر است، به عنوان نمونه اگر گفته شود رطوبت نسبی منطقه ای 70% است یعنی فشار جزئی بخار در آن وضعیت 7/0 فشار جزئی بخار اشباع در همان دماست.
همواره مقداری بخار آب در هوا وجود دارد. اگر مقدار بخار (رطوبت نسبی) موجود در هوا کم باشد، می توان از آن صرف نظر کرد ولی در غیر این صورت، بسته به مقدار آن در جرم حجمی هوا و در نتیجه در کارایی هواپیما تأثیر خواهد گذاشت. چون چگالی بخار آب از دو گاز نیتروژن و اکسیژن موجود در هوا کمتر است، از این جهت وجود بخار آب باعث پایین آمدن جرم مخصوص هوا یا به عبارت دیگر سبک شدن هوا می شود.
با داشتن رطوبت نسبی هوا و استفاده از جدول 2-1 براحتی می توان چگالی هوا (ρ) را به دست آورد.

مثال 6-1) در صورتی که در سطح دریا دما برابر با 25 درجه سانتيگراد و رطوبت 70% باشد، چگالی هوا چقدر است؟
حل:
با توجه به جدول 2-1 داریم pg=3.169 kpa، پس می توان نوشت :



  


فشار جزئی هوا برابر است با:

  


بنابراین چگالی هوا (با توجه به اینکهp=p0) برابر است با: (6-1)

  


6-1) ارتفاع (h) و اندازه گیری آن

[COLOR=#000000]ارتفاع، فاصله عمودی هر چیز از سطح زمین است برای محاسبه ارتفاع، نیاز به مشخص کردن مرجعی در سطح زمین است تا بتوان فاصله را از آن مرجع اندازه گیری کرد. در مسائل هوا نوردی، سطح متوسط دریا و فضا نورد ی مرکز زمین را به عنوان مرجع در نظر می گیرند. در حالت اول، ارتفاع هندسی (  یا hg) و در حالت دوم آن را ارتفاع مطلق (hgp) مي نامند که اختلاف این دو ارتفاع شعاع زمین را نتیجه می دهد.
  
  


در رابطه18-1، ha و hg و r به ترتیب معرف ارتفاع هندسی و شعاع کرۀ زمین است. مقدار شعاع متوسط زمین برابر با 6350 کیلومتر است.
در کاربرد های فضایی، اصطلاح دیگری به کار گرفته می شود که ارتفاع ژئو پتانسیل (نام دارد. علت و جودی این ارتفاع، ثابت نبودن مقدار شتاب ثقل (g) بر حسب ارتفاع است. شتاب ثقل در ارتفاع سطح دریا 9.81 (متر بر مجذور ثانيه) است و با افزایش ارتفاع کاهش می یابد. رابطه ارتفاع ژئو پتانسیل و ارتفاع هندسی به قرار زیر است:

  


قرارداد این است که در محاسبۀ ارتفاع، اندازه ارتفاع مورد نظر را از سطح دریا محاسبه کنند. حال اگر منطقه یا فرودگاهی همسطح دریا نباشد، ارتفاع هواپیمایی را که در آن منطقه پرواز می کند با فرودگاه، ارتفاع محلی (hl) می نامند که با ارتفاع قرار دادی اختلاف دارد. بنابراین باید این ارتفاع با ارتفاع آن منطقه یا فرودگاه مورد نظر از سطح دریا جمع شود. با توجه به اینکه شعاع زمین در مقایسه با ارتفاعات پایین (کمتر از یکصد هزار پا) بسیار بزرگتر است ، لذا در رابطه 19-1، کسر (r/(r+ hg را می توان تقریباً برابر عدد یک در نظر گرفت و ارتفاع هندسی را با ارتفاع ژئو پتانسیل مساوی دانست.

بسیاری از استانداردها، جدولهای خود را براساس ارتفاع ژئو پتانسیل تنظیم کرده اند، لذا هنگام کار کردن با این نوع جداول باید دقت لازم به کار گرفته شود.
ابزاری که از آن برای اندازه گیری ارتفاع در هواپیماها استفاده می شود، ارتفاع سنج نام دارد. عملکرد این وسیله بر اساس اندازه گیری فشار استاتیکی است. لذا این فشار باید با فشار مرجع مقایسه شود. فشار مرجع در هر ساعت تغییر می کند و معمولاً توسط ادارۀ هواشناسی اعلام می شود. بنابراین برای محاسبۀ ارتفاع توسط ارتفاع سنج، باید همیشه آن را طبق فشار مرجع تنظیم کرد. ارتفاعی که توسط فشار سنج هواپیما محاسبه می شود همان ارتفاع هندسی است که از سطح دریا اندازه گیری می شود.
علاوه بر ارتفاع واقعی که با طناب (یا ابزاری مشابه آن) قابل اندازه گیری است، گاهی در کتابهای مختلف به جای ذکر ارتفاع هندسی از عبارتهای دیگری استفاده می شود که عبارتند از:
1) ارتفاع فشاری
2) ارتفاع دمایی
3) ارتفاع چگالی
هنگامی از این اصطلاحات استفاده می شود که ارتفاع سنج، ارتفاع را پس از اندازه گیری فشار، دما یا چگالی هوا نشان دهد. این سه اصطلاح، ارتفاعاتی است که به ترتیب بر حسب فشار، دما و جرم حجمی بیان می شوند. البته واحد ارتفاع، همان واحد طول (متر یا فوت)، و وضعیت نیز آیساست. بنابراین در صورت استفاده از این عبارتها باید به جدولها و منحنی هایی که براساس وضعیت آیسا تنظیم شده اند، مراجعه کرد یا به عنوان مثال اگر گفته شود، ارتفاع فشاری هواپیمایی 15000 فوت است، منظور این است که ابتدا فشار استاتیکی بیرون هواپیما (که همان فشار ارتفاع پروازی هواپیماست) را اندازه گیری کرده و سپس با مراجعه به جداول آیسا، ارتفاع معادل فشار مذکور را خوانده اند که برابر با 15000 فوت بوده است. این ارتفاع به دست آمده ممکن است همان ارتفاع واقعی هواپیما نباشد. زیرا هواپیما ممکن است در وضعیت غیر آیسا در حال پرواز باشد. واحد ارتفاع فشاری در سیستم انگلیسی به صورتm PA و در سیستم متریک به صورت ft PA نوشته می شود.
این سه اصطلاح فقط در محاسبات و تحلیل ها کاربرد دارند و در عمل از آنها استفادۀ چندانی نمی شود. با یک مثال با چگونگی محاسبۀ این سه ارتفاع آشنا خواهید شد.
مثال7-1) اگر هواپیما ر ارتفاعی پرواز کند که فشار و دمای آن به ترتیب باشد، مطلوب است محاسبۀ ارتفاع فشاری، ارتفاع دمایی و ارتفاع چگالی این هواپیما.
حل: برای محاسبۀ ارتفاع فشاری ابتدا باید را که برابر است با نسبت فشار موجود به فشار سطح دریا به دست آورد. سپس با مراجعه به جداول ارتفاع معادل مقدار این نسبت فشار () به دست آمده را می خوانیم. همچنین برای ارتفاع دمایی و چگالی نیز طبق همین روش پس از محاسبۀ θ و ، ارتفاع نظیرشان را از جدول به دست می آوریم.
بنابراین برای محاسبۀ ارتفاع فشاری داریم:
 
 
  


PAm 600=ارتفاع فشاری

برای محاسبۀ ارتفاع دمایی داریم:

  


PAm 5000=ارتفاع دمایی
و نیز ارتفاع چگالی عبارت است از:

  


با مراجعه به جدول داریم:
چون برای ارتفاع دمایی جواب واحدی نیست و چند پاسخ برای آن می توان از جدول استخراج کرد، کوچکترین جواب را در نظر می گیریم.
به رغم وجود بسیاری روش ها و نیز پیشرفت دانش بشری، هنوز ارتفاع واقعی پرواز مستقیم بطور دقیق قابل تشخیص نیست. زیرا ممکن است، وضعیتی که هواپیما در آن وضعیت در حال پرواز است آیسا نباشد، به عنوان مثال ممکن است هواپیما در منطقه ای گرمسیری و یا سردسیری یا در فصل گرم سال یا در فصل سرد سال پرواز کند؛ پس برای اندازه گیری ارتفاع واقعی، آگاهی به وضعیت اتمسفری منطقه ای نیز لازم است. با پیشرفت دانش بشری، استفاده ار ماهواره ها و تجهیزات پیشرفتۀ اندازه گیری، دقت تشخیص ارتفاع پروازی بسیار بالا رفته است و در کلیۀ شرایط جوی و هر منطقه از جوّ و زمین، فاصله هر هواپیما از هر نقطه با رقت بالا اندازه گیری می شود.

7-1) [COLOR=#974806]سرعت صوت (a)  

صوت یا صدا در محیط های مکانیکی با سرعت خاص به شکل امواج انتشار می باید. در سطح دریا و وضعیت آیسا سرعت صوت 340 متر بر ثانیه است. سرعت صوت یکی از متغیر های بسیار مهم است که کاربرد بسیاری در محاسبات دارد. رفتار هواپیما در محدوده های مختلف سرعت صوت متفاوت است؛ به عنوان مثال رفتار هواپیما در سرعت های زیر صوت و بالای صوت با هم فرق می کند. چرا که در سرعت های زیر صوت، هوا تقریباً تراکم ناپذیر فرض می شود و در سرعت های بالای صوت، تأثیرات تراکم پذیری و نیز موج شوک وجود دارد.
با توجه به اهمیت سرعت صوت و برای ساده سازی روابط، عدد ماخ (Mach) تعریف می گردد. عدد ماخ عددی بی بعد است و مقدار آن تقسیم سرعت واقعی پرواز به سرعت محلی صوت به دست می آید :


  



در رابطۀ 20-1، a سرعت محلی صوت و V سرعت واقعی هواپیما (TAS) نسبت به جریان هوای اطراف است. سرعت محلی صوت (a) از رابطۀ زیر محاسبه می شود:


  



که در این رابطه T دمای هوا بر حسب درجه کلوین و نسبت گرمای ویژه هواست که مقدار آن برابر با 4/1 است.
رفتار هواپیما در سرعت های مختلف صوت متفاوت است. بنابراین می توان این رفتار را بر اساس تغییرات اعداد ماخ بررسی کرد. سرعت صوت بر حسب عدد ماخ به پنج محدوده زیر تقسیم می گردد:



1) سرعت کم (low speed)
2) سرعت مادون صوت (subsonic)
3) سرعت حدود صوت (transonic)
4) سرعت مافوق صوت (supersonic)
5) سرعت ماوراء صوت (hypersonic)


فشار دینامیکی با استفاده از عدد ماخ از رابطه زیر به دست می آید:


  

که در این رابطه p فشار استاتیکی و M عدد ماخ است.


دیوار صوتی([COLOR=#7030a0]sound barrier)  اصطلاحی است که در پرواز با سرعت حدود صوت و مافوق صوت مطرح می شود. همزمان با حرکت هواپیما ، صدای تولید شده به علت برخورد هواپیما با هوا نیز حرکت می کند. هواپیما فقط به سمت جلو حرکت می کند ولی صوت به شکل امواج به همه سمت منتشر می شود. حرکت امواج صوتی به صورت دیواره ای است که در راستای یک مخروط است. مقدار زاویۀ راس مخروط به عوامل متعددی بستگی دارد. به این دیواره، اصطلاحاً دیوار صوتی گویند. عبور از دیوار صوتی سبب اختلال در حرکت امواج صوتی می شود. هنگامی که هواپیمایی که دارای سرعت مافوق صوت است، سرعت خود را به بالاي صوت برساند از این دیوارۀ فرضی عبور می کند و اصطلاحاً سبب شکستن دیوار صوتی می گردد. معمولاً شکستن دیوار صوتی باعث تولید صدایی مانند صدای انفجار می گردد.

  

 1-مادون صوت 
 2-ماخ 1 
 3-فراصوت 
 4-موج شوك 


[External Link Removed for Guests]
مثال 8-1) سرعت صوت و عدد ماخ هواپیمایی را که در ارتفاع 3000 متری که با سرعت 100 متر بر ثانيه پرواز می کند، در وضعیت به دست آورید.
حل:


سرعت صوت در ارتفاع پروازی هواپیما:



  



با استفاده از رابطه 20-1 می توان عدد ماخ هواپیما را محاسبه کرد. بنابراین داریم:

  


با توجه به محدودۀ عدد ماخ این هواپیما، می توان گفت هواپیما در محدودۀ مادون صوت پرواز می کند.

 8-1) حرارت آیرودینامیکی

هواپیمایی را که در هوا پرواز می کند در نظر بگیرید. اگر از دید ناظری که روی هواپیما نشسته به جریان هوا بنگریم،دیده می شود مولکولهای هوا با همان سرعت هواپیما نسبت به جریان هوا، روی سطح بیرونی هواپیما عبور می کنند. در اثر اصطحکاک این مولکولها با سطح خارجی هواپیما، حرارت تولید می شود. این حرارت تولید شده با افزایش سرعت، بیشتر می شود. بنابراین می توان گفت این حرارت به خواص آیرودینامیکی هواپیما وابسته است. از این رو آن را حرارت آیرودینامیکی هواپیما نامیده اند. با افزایش حرارت در سطح هواپیما دما نیز افزایش می یابد که مقدار افزایش دما را می توان با استفاده از معادله تجربی زیر محاسبه کرد:

      
بطوری که افزایش دما بر حسب درجۀ سانتیگراد و سرعت واقعی هواپیما بر حسب متر بر ثانیه است.
این موضوع از نظر سازه ای بسیار اهمیت دارد؛ به همین دلیل، سرعت هواپیما نباید از مقداری که خارج از تحمل حرارتی سازۀ آن است فراتر برود. بنابراین در هنگام طراحی سازه محدوده ای را برای آن لحاظ می کنند.

مثال 9-1) هواپیمای جاسوسی 71 قادر است با سرعت 3 ماخ در ارتفاع 80000 پایی پرواز کند. دمای سطح بدنه این هواپیما در این وضعیت چقدر است؟فرض کنید وضعیت جوّی آیسا باشد.

حل:
ارتفاع 80000 پایی در لایه دوم جوب قرار دارد. لذا:

      
بنابراین دمای بدنه این هواپیما در آن وضعیت 337 درجه سانتیگراد است.

9-1) پدیده های جوّی

جوّ زمین حالتی پویا دارد. پدیده های مختلفی در داخل جوّ وجود دارند که بر پرواز هواپیما تأثیر می گذارند. این پدیده ها در هنگام طراحی هواپیما باید مد نظر باشند و خلبانان نیز لازم است به تاثیرات آنها در طول پرواز توجه کافی داشته باشند. برخی از این پدیده ها عبارتند از:

1- بارش باران و برف
2- وزش باد پیوسته
3- باد ناگهانی متلاطم
4- طوفان، گردباد و انواع تلاطمات جوّی
5- صاعقه و رعد و برق

در حد آشنایی اولیه، تأثیرات مهم این پدیده ها و همچنین نقش و وظیفه خلبان و هواپیما در موقع رویارویی با این پدیده ها بررسی می شود. علاقه مندان برای کسب اطلاعات کامل می توانند به کتابهایی که در زمینه هواشناسی نوشته شده اند مراجعه کنند. 

ba salam
jozveye mechanic parvazetoon axash nemiad lotfan baresi konid
montazere javabetoon hastam
motchakeram