هواشناسی پرواز (Meteorology)

برای پرواز ابتدا باید با پارامترهایی آشنا شد و آنها را درک کرد.

1- ساختار جو:

جو ترکیبی است از 78 درصد نیتروژن 21 درصد اکسیژن و 1 درصد گازهای دیگر مثل آرگون یا هلیوم از آنجایی که برخی از این عناصر از بقیه سنگین تر هستند عناصر سنگین تر مانند اکسیژن تمایلی طبیعی دارند که با سطح سازگار شوند درحالیکه عناصر سبکتر مثل هیدروژن تمایل تمایل به مناطق با ارتفاع بالا دارند بنابراین قسمت زیاد اکسیژن در ارتفاع پایین تر از 35000 پایی قرار می گیرد زیرا هوا به طور میانگین در سطح دریاهای آزاد 14/7 پوند بر هر اینچ مربع از سطح دریا یا 29/92 اینچ جیوه و یا 1013 میلی بار می باشد. فشار جو یکی دیگر از فاکتورهای اصلی تغییرات آب و هوایی است که به بلند شدن هواپیما کمک می کند و برخی از قسمت های مهم هواپیما را به عکس العمل وادار می کند این قسمت ها عبارتند از ارتفاع سنج - سرعت نما - نرخ اوج گیری و فشار مانیفولد.

2- فشار هوا Air Pressure:

هوا دارای وزن است اگر جو را به لایه های مختلف تقسیم کنیم وزن لایه های بالاتر به لایه های پایین تر اثر گذاشته و آنها را تحت فشار قرار می دهد پس هوا دارای فشار است و طبیعی است که لایه های مجاور سطح دریاهای آزاد بیشترین فشار را داشته باشند در اینجا خاطر نشان می کنم که سطح دریاهای آزاد
sea level ارتفاع صفر محسوب می شود روشن است که هرچه بالاتر می رویم فشار هوا کمتر می شود و باید دانست که هرچه هوا رقیق تر می شود موارد زیر کاهش می یابد :
الف: قدرت موتور engine power : به علت اینکه هوای کمتری وارد موتور می شود.
ب: نیروی جلوبرنده thrust : به علت اینکه کارایی ملخ در هوای رقیق کاهش پیدا می کند.
ج: اوجگیری lift : به علت اینکه هوای رقیق نیروی کمتری را به مقطع بال وارد می کند و یا به عبارتی نیروی lift کمتری توسط بال ها تولید می شود.

3- درجه حرارت هوا Air Temperature:

برخلاف تصور مردم که هوا توسط خورشید گرم می شود هوا توسط زمین به واسطه خورشید گرم می شود و زمین نقش یک بخاری بزرگ را برای هوای اطراف خود ایفا می کند هوا دارای حرارت است و طبیعی است که بطور نرمال دمای آن در سطح دریا بیشترین بوده و با افزایش ارتفاع مثل فشار کاهش پیدا می کند یعنی هرچقدر از سطح دریا به سمت آسمان حرکت کنیم فشار و دما با هم کاهش پیدا می کند طبق جدول استاندارد به ازای هر 1000 پا ارتفاع 1/98 درجه سانتیگراد از حرارت هوا کاسته می شود و این مسئله تا حدود 36000 پا تداوم پیدا می کند و بعد از آن تا حدود 100000پا دما در 56/5 درجه سانتی گراد زیر صفر باقی می ماند ولی چون شرایط استاندارد همیشه حاکم نیست در جدول های هواشناسی برای هر 1000 پا ارتفاع 1/52 درجه سانتی گراد کاهش دما منظور می شود از آنجایی که هیچ چیز به اندازه هوا متغییر نیست ممکن است به ندرت در ارتفاع خاصی دما در عوض کاهش شروع به افزایش کند که به این حالت inversion یعنی وارونگی می گویند.

4-غلظت یا چگالی هوا Air Density:

منظور از این واژه چگالی یا غلظت هوا است و طبیعی است که هوا مجاور سطح دریا sea level چون تحت بیشترین شرایط فشار است بیشترین غلظت را داشته و هرچه بالاتر برویم از دانسیته هوا کم شود یعنی هوا رقیق تر می شود البته باید در نظر داشت که درست است فشار و دانسیته نسبت مستقیم با هم دارند ولی چون با افزایش ارتفاع از دما کاسته می شود یعنی هوا سردتر می گردد پس این نکته مقداری کاهش دانسیته را جبران می کند دانسیته در هواپیمایی و پرواز از اهمیت ویژه ای برخوردار است و در مورد محاسبه thrust موتورها - کارایی performance پرواز هواپیما عمیقا مورد توجه است اگر روزی پرواز را تجربه کنید خواهید دید در ارتفاعات با توجه به کاهش دانسیته نیروهای آیرودینامیکی مثل پسا drag کاهش می یابند به همین خاطر به منظور کاهش مصرف سوخت و افزایش برد range هواپیماهای مدرن در ارتفاعات بالا پرواز می کنند و چون در ارتفاعات بالا یعنی بالاتر از 13500 پا به علت کاهش دانسیته هوا تنفس مشکل است کابین هواپیما ها pressurized است دانسیته درواقع همان جرم مخصوص هوا است و واحد جرم در سیستم انگلیسی slug است و دانسیته هوا تحت شرایط استاندارد در ارتفاعات مختلف در جدول ایکائو استاندارد اتمسفر ارائه شده است و همچنین به این نکته اشاره می کنم که دانسیته آب بیش از 800 برابر هوا است .

5- لایه های اتمسفر Atmosphere Layer:

اتمسفر از لایه های مختلفی تشکیل شده که عبارتند از :

الف : اگزوسفر exosphere
ب: ترموسفر thermosphere
ج : مزوسفر mesosphere
د : استراتوسفر stratosphere
و : تروپوسفر troposphere
که به ترتیب بر روی یکدیگر قرار گرفته اند اکثر پدیده های جوی در اولین لایه آن تحت عنوان troposphere اتفاق می افتد این لایه در فضای 6 تا 7 مایل بالای سطح زمین قرار گرفته و خاصیت آن این است که هرچه از سطح زمین به سمت بالا حرکت می کنیم از دمای هوا کاسته می شود تا جایی که دیگر ثابت باقی می ماند لایه دوم که 19 تا 22 مایل بالای سطح زمین را شامل می شود در لایه فوق ابتدا با افزایش ارتفاع دما کاهش پیدا می کند اما به نسبت کمتر از لایه قبلی تا جایی که بعد از آن با افزایش ارتفاع دما نیز زیاد می شود بعضی از پدیده های بد هواشناسی و ابرهای پر خطر تا این لایه کشیده می شود.

6- چسبندگی هوا Air Viscosity:

از آنجا که لایه های هوا از الیاف هوایی تشکیل شده هواپیما در هنگام حرکت باید هوا را شکافته و به سمت جلو حرکت می کند و در سرعت های بالا چسبندگی هوا خود را نشان می دهد بنابراین در سرعت های بالای 200 نات محاسبه می شود ولی در سرعت های پایین صرف نظر می شود.

7-رطوبت هوا Humidity:

منظور از رطوبت وجود بخار آب در هوا است که سبب سبکی هوا می شود و به عبارتی دیگر چگالی آن کاهش پیدا می کند حداکثر مقدار آب که هوا می تواند در خود نگه دارد به درجه حرارت هوا بستگی دارد نکته این است که تاثیر رطوبت بر کارایی هواپیما بسیار زیاد است به این دلیل که رطوبت بر چگالی هوا تاثیر می گذارد مثلا در یک روز مرطوب چون چگالی هوا کمتر از یک روز خشک است به همین خاطر هواپیما به باند طولانی تری برای پرواز نیاز دارد.

8- نقطه شبنم Dew Point:

معیاری برای ارزیابی مقدار رطوبت هوا است نقطه شبنم به دمایی می گویند که اگر هوا تا آن درجه سرد شود رطوبت موجود در هوا نمایان می شود رطوبت هوا به صورت درصد بیان می شود مثلا وقتی می گویند رطوبت هوا 100% است منظور این نیست که 100% هوا رطوبت است بلکه منظور این است که هوا 100% رطوبتی را که می تواند جذب کند جذب کرده است و اگر دمای هوا افزایش یابد رطوبت بیشتری جذب می گردد هرچه dew point به دمای محیط نزدیک باشد بیانگر رطوبت بیشتر هوا است و خلبان ها به این مسئله توجه می کنند.

9- شرایط استاندارد اتمسفر  Internatioal Standard Atmosphere=ISA:

در یک روز معین در تابستان و در مجاورت سطح دریای آزاد sea level و دمای 15 درجه سانتی گراد در محل عرض جغرافیایی 40 درجه شمالی latitude : 40N فشار استاندارد برابر است با 29/92inch hg که معادل 1013M bar و 76cm hg که آن نیز معادل 14/7PSI است . M bar با واحد اندازه گیری hpas یکی است دمای استاندارد 15c و فشار 29/92inch hg فرض می شود شرایط فوق توسط دانشمند ایتالیایی توریچلی محاسبه شده است تحت عنوان ISA می باشد.
نرخ تغییرات : منظور از نرخ تغییرات lapse rate نرخ با میزان افزایش یا کاهش می باشد اکنون برای دما temperature lapse rate معرفی شده که به شرح زیر تعریف می شود.
الف: temperature lapse rate :
میزان کاهش دما به ازای افزایش ارتفاع برابر است با کاهش نزدیک به 2 درجه دما به ازای افزایش هر 1000ft ارتفاع.
ب: pressure lapse rate :
اینگونه تعریف می شود که کاهش 1inch hg برای فشار هوا به ازای هر 1000ft افزایش ارتفاع.
نکته: منظور از inch hg فشار بر اینچ جیوه است.

10- قانون برنـولی Bernoullis Principle:

دانیل برنولـی دانشمند معروف سوئیسی ثابت کرد که چگونه فشار یک سیال متحرک مایع یا گاز با سرعت حرکت آن تغییر می کند همچنین او ثابت کرد افزایش سرعت حرکت یا جریان باعث کاهش فشار سیال می شود دقیقا این همان چیزی است که برای هوایی که از روی سطح بالایی بال می گذرد اتفاق می افتد برای درک بهتر این مطلب با استفاده از توضیحاتی که درمورد لوله وانتوری venturi tubes می دهم به ادامه مطلب می پردازیم.
لوله وانتوری تصویر مناسبی از صحت اصل برنولی را نشان می دهد لوله وانتوری لوله ای است که دوسر آن گشاد بوده و در وسط باریک می گردد حال اگر یک جریان منظم وارد این لوله شود طبیعی است که در قسمت تنگ تر لوله سرعتش بیشتر می شود و طبق اصل برنولی فشارش کاهش می یابد و اگر چند فشار سنج در طول لوله نصب کنیم صحت این مسئله آشکار می شود پس از آزمایش فوق نتیجه می گیریم که هوا در مسیر خود در لوله وانتوری هرچه به قسمت تنگ تر نزدیک می شود سرعتش بیشتر و فشارش کمتر می شود و بعد از گلوگاه هنگامیکه به قسمت گشاد می رسد سرعتش کاهش و فشارش افزایش میابد حال اگر جداره بالایی لوله وانتوری را برداشته و آن را باریک کنیم کنیم یعنی flat plate جایگزین کنیم باز هم به نتایج مشابه خواهیم رسید.
حالا اگر در نهایت صفحه بالایی را به کلی حذف کنیم و آزمایش را فقط با دیواره زیرین تکرار کنیم فشارسنج ها باز نتایج مشابهی را نشان می دهند حال اگر زیر جداره زیرین را با یک flat plate بپوشانیم درواقع به airfoil دست یافته ایم که در پست های قبل گفتم airfoil پایه و اساس بال را تشکیل می دهد اگر هوا از بالا و پایین حرکت کتد در بالا به علت تغییرات سرعت همه جا فشارش از پایین بال کمتر است درحالیکه در پایین بال به علت صاف بودن سرعت تغییری نکرده پس فشار ثابت می ماند درنتیجه در اثر اختلاف فشار بالا و پایین نیرویی به سمت بالا شکل می گیرد که همان نیروی بالا برنده lift است.
به این ترتیب می توانیم بگوییم که به بال دست یافته ایم یعنی اگر جسمی به نام بال هواپیما با چنین سطح مقطعی با سرعت مشخص در هوا حرکت نماید نیروی lift مورد نیاز ما را برای تحمل وزن فراهم می آورد البته در عمل اجباری نیست که سطح زیرین حتما صاف باشد و در واقع بیشتر airfoils ها سطح زیرینشان قوسی یا بصورت محدب و یا مقعر است امروزه تعداد زیادی airfoils توسط دانشمندان و موئسسات علمی مثل NASA ابداع گشته که هریک کاربردهای خاص خود را دارد مثلا یک نوع آن برای ملخ مناسب است و نوع دیگر برای فرامین هواپیما و نوعی دیگر برای بال های کم سرعت و نوعی دیگر برای بال های پرسرعت مناسب است از یک نوع برای ساخت بدنه و از نوعی دیگر برای ساخت موشک استفاده می شود.

    

 11- حرکت نسبی Relative Motion: