Wake Turbulence و خطرات آن

به عبارت دیگر، تا زمانی که نیروی لیفت توسط بال‌های هواپیما تولید می‌گردد این جریانات نیز وجود داشته و به محض فرود هواپیما بر روی سطح باند، با از بین رفتن نیروی لیفت، این تلاطمات نیز از بین می‌روند. به این جریانات گردابه‌ای شکلVortex  نیز گفته می‌شود. علت به وجود آمدن این جریانات گردابه‌ای شکل این است که زمانی که هواپیما درحال پرواز و تولید نیروی لیفت می‌باشد هوای پرفشار شکل گرفته در زیر بال به سمت هوای کم فشار موجود بر روی سطح بال حرکت نموده و چون این هوای پرفشار نسبت به جریان هوای نسبی گذرنده از سطح روی بال با زاویه‌ای مشخص وارد سطح روی بال می‌گردد لذا برخورد دو جریان هوا با زاویه حرکت متفاوت باعث ایجاد تلاطم در پشت بال‌های هواپیما می‌شود. (هوای پرفشار موجود در زیر بال زمانی که به سطح روی بال می‌رود جهت حرکت آن به سمت نوک بال می‌باشد.)

 اما بروز این مسئله در نوک بال‌های هواپیما به مراتب شدیدتر بوده چرا که بخشی از هوای پرفشار زیر بال از منطقه نوک بال به سمت سطح روی بال حرکت می‌کند تا جایی‌که پس از به پرواز در آمدن هواپیما، جریان حلقوی شکل بسیار شدیدی در پشت آن به وجود می‌آید. این جریان‌های گردابی شکل می‌توانند تا مدت زمان سه دقیقه پس از تولید در فضا دوام یابند، این نوع توربالانس‌ها محیط بسیار خطرناکی را در پشت هواپیماها به وجود می‌آورند لذا می‌توانند باعث بروز مشکلاتی جدی در فرایند کنترل هواپیماهایی شوند که مسیر عبوری یک هواپیمای دیگر را دنبال و یا قطع می‌کنند. به همین علت بنابر قوانین و مقررات استاندارد هوانوردی، تمامی ماموران واحد کنترل ترافیک هوایی وظیفه ایجاد فاصله‌ای ایمن بین هواپیماها را دارند.

 هر هواپیما بر اساس میزان توربولانسی که در پشت خود ایجاد می‌کند به یکی از سه دسته Medium ،Light و Heavy تقسیم می‌گردد. میزان شدت جریانات حلقوی شکل ایجاد شده در پشت هواپیماها به طور مستقیم به وزن، سرعت و شکل سطح مقطع بال‌هایشان بستگی دارد، به عبارتی دیگر هرچه سرعت هواپیما کمتر و وزن آن بیشتر باشد جریان حلقوی شدیدتری را تولید می‌نمایند. همچنین هر چه زاویه حمله بال‌های هواپیما بیشتر باشد (در شرایط نرمال دماغه هواپیما بالاتر باشد) به علت وجود نیروی پسای زیاد(Induced drag)  جریان حلقوی شدیدتری را نیز ایجاد می‌کند. این جریانات حلقوی شکل ایجاد شده در پشت هواپیماها محیط بسیار خطرناکی را در هنگام نشست و برخاست که فاصله هواپیما با سطح زمین بسیار کم بوده ایجاد می‌نمایند چرا که به دام افتادن هواپیماهای دیگر در این جریانات می‌تواند حتی منجر به از دست رفتن کامل کنترل آنها و برخورد با سطح زمین گردد. امروزه بر روی بسیاری از هواپیماها از سازه‌ای آیرودینامیکی بر روی نوک بال‌های هواپیما به نام Winglet  استفاده می‌گردد. در حقیقت این سازه ها به علت مکانیزم خاص خود باعث کاهش جریانات حلقوی ایجاد شده در نوک بالها شده و همچنین نیروی پسای وارد شده به هواپیما را کاهش می‌دهند. همچنین Winglet ها به علت ملایم نمودن جریان هوای نسبی گذرنده از سطح روی بال در نزدیکی نوک بال‌ها، ایجاد نیروی لیفت بیشتری می‌کنند لذا این سازه ها به کاهش میزان مصرف سوخت هواپیما کمک شایانی می‌نمایند. به طور کلی انواع مختلفی از  وینگلت‌ها طراحی شده‌اند که مدل‌های جدید آن از کارایی بالایی برخوردار بوده و در کاهش این جریانات حلقوی شکل تاثیرگذاری بیشتری دارند.

 وینگلت‌ها در حقیقت تولید نیروی لیفت می‌کنند و همانند دیگر بال‌ها، نیروی لیفت تولیدی توسط آنها نسبت به جریان نسبی هوای گذرنده از اطراف بال، زاویه ای قائم می‌سازد.

در صورتی که Vortex در نوک بال‌ها وجود نداشت، وینگلت‌ها نیروی لیفت به سمت داخل (یعنی از نوک بال به سمت بدنه هواپیما) را ایجاد می‌کردند. اما Vortex موجود در نوک بال‌ها مسیر جریان نسبی هوا را تغییر می‌دهند چرا که Vortex های گردابه‌ای شکل که از زیر بال هواپیما به سمت سطح روی بال در قسمت نوک بال‌ها حرکت می‌کنند باعث ایجاد مولفه‌ای از جریان نسبی به سمت بدنه هواپیما می‌شوند.

به عبارتی دیگر Vortex ایجاد شده در نوک بال‌ها پس از برخورد با جریان نسبی هوا که از روبرو می‌آید، باعث خم شدن این جریان‌های نسبی به سمت داخل می‌شود، در نتیجه در صورتی که این جریان نسبی کج شده به سمت داخل را تجزیه کنیم می‌بینیم که یک مولفه لیفت به سمت جلو (درجهت نیروی Thrust) علاوه بر نیروی لیفت اصلی که به سمت بالا می‌باشد در نوک بالها به وجود می‌آید. این نیروی لیفت با نیروی پسای تولید شده توسط Vortex در نوک بال‌ها مخالفت کرده و باعث خنثی شدن آن می‌گردد.

نوع دیگری از طراحی های انجام گرفته توسط طراحان هواپیما Wing twist به معنای پیچش بال نام دارد. به طور معمول بال‌های هواپیماها با زاویه مثبت اندکی نسبت به محور طولی گذرنده از هواپیما به بدنه هواپیما نصب می‌شوند(Angle of incidence).

 در Wing twist هرچه از بدنه هواپیما به سمت نوک بال‌ها حرکت کنیم، این زاویه کاهش می‌یابد. (یعنی بال هواپیما دچار پیچش می‌شود.)

این امر باعث می‌شود که زاویه حمله که یکی از عوامل مهم افزایش Vortex در نوک بال‌ها می‌باشد کاهش یابد. با کاهش Vortex نیز همانطور که گفته شد Induced drag  کاهش می‌یابد.

همچنین افزایش نسبت Aspect ratio باعث کاهش Induced drag می‌گردد، Aspect ratio به نسبت بین مجموع طول دو بال هواپیما به میانگین عرض بال گفته می‌شود. هرچه این نسبت بالاتر باشد، به عبارتی دیگر هرچه بال هواپیما درازتر و باریک‌تر باشد (مانند هواپیماهای گلایدر) به دلیل کم عرض بودن نوک بال‌ها،Vortex  کمتری ایجاد شده و در نتیجه Induced drag  کاهش می‌یابد.

پس به طور کلی Induced drag با سرعت هواپیما رابطه عکس دارد.