پایداری در پرواز حول محور طولی

به طور کلی، در هوانوردی پایداری به تمایل یک هواپیما به بازگشت به شرایط تعادل اولیه پس از برهم خوردن تعادل آن به هر دلیلی حول هرکدام از سه محور گفته میشود.

پایداری طولی به معنای این میباشد که هواپیما حول محور عرضی اش دارای پایداری باشد، یعنی در صورتی که تعادل هواپیما حول محور عرضی اش بر هم خورد، هواپیما تمایل به بازگشت به حالت اولیه را داشته باشد. مهمترین فاکتور در ایجاد پایداری طولی در هواپیما، طراحی دم هواپیما و موقعیت مرکز جرم نسبت به موقعیت مرکز فشار میباشد.

مرکز فشار (Center of pressure)  برابر است با موقعیت نسبی و میانگین نیروهای  وارده بر هواپیما. لذا نیروی لیفت تولید شده توسط بال های هواپیما در این نقطه وارد میشوند. بیشتر هواپیما ها به گونه ای طراحی شده اند که مرکز جرم و مرکز فشار آنها در نزدیکی یکدیگر قرار داشته باشند. این امر باعث سنگین شدن دماغه هواپیما میگردد، به عبارتی دیگر در صورتی که هواپیما به دلایل مختلف، دماغه اش به سمت بالا رود، تمایل به بازگشت به حالت اولیه را خواهد داشت.

حال برای خنثی کردن این سنگینی، هواپیما نیازمند تولید نیرویی به سمت پایین در قسمت دم هواپیما میباشد. برای ایجاد این نیرو از پایدار کننده های افقی در قسمت دم که با کمی زاویه حمله منفی قرار گرفته اند استفاده میشود. 

اما این امر خود باعث بروز مشکلی دیگر خواهد شد. به عبارتی دیگر حتی در صورتی که هواپیما در حال پرواز مستقیم باشد، جریان هوایی که از سطح روی بالهای هواپیما در حال سرازیر شدن است، صرفنظر از زاویه حمله منفی در پایدار کننده افقی، باعث ایجاد نیرویی به سمت پایین در قسمت دم هواپیما میشود چرا که این جریان سرازیر شده از روی بالها، با دم هواپیما برخورد کرده و باعث ایجاد نیرویی رو به پایین در قسمت دم خواهد شد، لذا اثر زاویه حمله منفی موجود در پایدار کننده افقی دم را افزایش داده و در نتیجه باعث سنگین تر شدن قسمت دم و سبکتر شدن دماغه، یعنی کاهش پایداری طولی میگردد.

برای خنثی کردن این نیروی رو به پایین نیز از مفهومی به نام  Thrustline  استفاده میگردد که عبارتست از خطی فرضی که در طول آن، برایند نیروهای پیشرانش بر هواپیما وارد میگردند. به عبارتی دیگر، راستایی است که موتور یا موتورهای هواپیما بر هواپیما و به سمت جلو نیرو وارد میکنند. 

در صورتی که راستای این نیرو زیر مرکز جرم قرار گرفته باشد، هواپیما تمایل به سنگینی دماغه داشته و در صورتی که این راستا بالای مرکز جرم قرار گرفته باشد، هواپیما تمایل به سنگین شدن دماغه را دارد. برای خنثی کردن این نیروی رو به پایین به وجود آمده در دم توسط جریان های سرازیر شده از روی بالها، تراست لاین باید در بالای مرکز جرم هواپیما قرار گیرد تا گشتاور به وجود آمده توسط آن، باعث خنثی کردن نیروی رو به پایین در دم شود. 

به طور کلی، در صورتی که مرکز جرم، پشت مرکز فشار قرار گیرد، پایداری طولی هواپیما کم و در صورتی که مرکز جرم در جلوی مرکز فشار قرار گیرد، پایداری طولی افزایش می یابد. 

میتوان ایجاد پایداری طولی در هواپیما را به صورتی دیگر نیز توضیح داد.

اگرچه دم هواپیما نسبت به بالهای هواپیما نیروی لیفت کمتری را تولید میکنند، اما نیروی گشتاور به وجود آمده توسط آن و حول مرکز جرم هواپیما، به دلیل فاصله زیاد دم از مرکز جرم، مقدار زیادی میباشد. در حالی که فاصله نقطه فشار از مرکز جرم کم میباشد. یعنی با اینکه نیروی لیفت به وجود آمده در بالها در نقطه مرکز فشار زیاد است، اما به دلیل کوتاه بودن فاصله مرکز جرم و فشار، گشتاور تولیدی آن حول مرکز جرم کم میباشد. 

حال تصور کنید به دلیل شرایط بد آب و هوایی، ضربه ای به زیر هواپیما زده شود و باعث بالا رفتن دماغه هواپیما گردد. در این صورت، هم زاویه حمله بالهای هواپیما زیاد شده و هم زاویه حمله پایدار کننده افقی. نیروی لیفت در هر دو سطح افزایش پیدا میکند، هرچند که نیروی لیفت تولیدی در پایدار کننده افقی واقع در دم، کمتر از بالها میباشد. به دلیل فاصله زیادی که پایدار کننده افقی از مرکز جرم دارد، گشتاور تولیدی توسط آن بیشتر از گشتاور تولیدی توسط بالها میباشد که این مسئله باعث بالا بردن پایداری طولی هواپیما شده و هواپیما را به حالت اولیه باز میگرداند.

در پستهای بعدی به طور مفصل در مورد پایداری های عرضی و عمودی نیز بحث خواهیم کرد.

منابع:  Pilots handbook of aeronautical knowledge & Principles of flight Petter J. swatton