ויקיפדיה

חוק השטחים של וויתקומב – הבדלי גרסאות

עיון אינטראקטיבי בהיסטוריה
→ העריכה הקודמתהעריכה הבאה ←
תוכן שנמחק תוכן שנוסף
חזותיקוד ויקי
David Astro (שיחה | תרומות)
33 עריכות
ניסוח, הוספת מקור
מ ניסוח, קישורים פנימיים וסידור כללי
שורה 1:
הוא'''חוק השטחים של ריצ'רד וויתקומב''' (לעיתים נקרא בפשטות '''חוק השטחים''', ב[[אנגלית]]: '''Area Rule''') היא טכניקה בה משתמשים [[הנדסת אווירונאוטיקה|בתיכון כלי טיס]] בתחום העבר ה[[עבר-קולי]] ועלו[[מספר מאך|על-קולי]]. לראשונה פורסהפורסמה ב-[[1950~]] על ידי מר [[ריצ'רד וויתקומב]] שעבד באותה עת בנאסבמתקן [[נאס"א]] שב[[לאנגלי (וירג'יניה)|לנגלי]], ב[[מנהרת במנהרתרוח|מנהרת הרוח]] הגדולה (eight foot wind tunnel), שם חקר דרכי התמודדות עם העלייה המאסיביתהדרסטית בגררב[[גרר (כוח)|גרר]] כאשר [[כלי טיס]] מתחילים להתקרב למהירות הקול. באוקטובר [[1947]] טיס[[טייס ניסוי|טייס הניסוי]] האמריקאיה[[אמריקאי]] [[צ'אק ייגר]] פרץ לראשונה את [[מחסום הקול]] והביא עידן חדש לתעופהל[[תעופה]] ובשנותוב[[שנות ה-50 של המאה ה-20|שנות בחמישים]] החלה תנופה בעידן [[מטוס סילון|מטוסי הסילון]] וכליו[[כלי טיס צבאי|כלי טיס צבאיים]] רבים תוכננו לטוס קרובבקרבת ואף מעבר למהירות הקול. לא[[מלחמת מעט תמריץקוריאה]] היוותה גם מלחמתתמריץ קוריאהמשמעותי, בה טייסים אמריקאים ניפגשו בעימות[[קרב אוויר|קרבות אוויר]] עם מטוסי קרב חדישים מתוצרת רוסיה[[ברית המועצות]] (בעיקר [[מיג-15|מיג 15]]) והצורך במהירות, זריזות ומאפיינים נוספים נדרשו עבור המטוסים החדישים על מנת להעפיללהתעלות על מטוסי הקרב הסובייטים.▼
== חוק השטחים של ריצ'רד וויתקומב ==
▲הוא טכניקה בה משתמשים בתיכון כלי טיס בתחום העבר קולי ועל קולי. לראשונה פורסה ב-1950~ על ידי מר ריצ'רד וויתקומב שעבד באותה עת בנאס"א לנגלי במנהרת הרוח הגדולה (eight foot wind tunnel), שם חקר דרכי התמודדות עם העלייה המאסיבית בגרר כאשר כלי טיס מתחילים להתקרב למהירות הקול. באוקטובר 1947 טיס הניסוי האמריקאי צ'אק ייגר פרץ לראשונה את מחסום הקול והביא עידן חדש לתעופה ובשנות בחמישים החלה תנופה בעידן מטוסי הסילון וכלי טיס צבאיים רבים תוכננו לטוס קרוב ואף מעבר למהירות הקול. לא מעט תמריץ היוותה גם מלחמת קוריאה, בה טייסים אמריקאים ניפגשו בעימות עם מטוסי קרב חדישים מתוצרת רוסיה (מיג 15) והצורך במהירות, זריזות ומאפיינים נוספים נדרשו עבור המטוסים החדישים על מנת להעפיל על מטוסי הקרב הסובייטים.
 
= תיאור =
[[קובץ:Area rule unifilar drawing.png|ממוזער|הדגמה ליישום שטח החתך ע"ג מטוס]]
במהירויות טיסה גבוהות, המהירות המקומית של זרימת האוויר יכולה להגיע למהירות הקול (מס' מאך) שבה הזרימה עוברת סביב גוף המטוס והכנפייםוה[[כנף (תעופה)|כנפיים]]. המהירות שבה מתרחשת התפתחות זו משתנה ממטוס למטוס והוא ידוע כמספרכ[[מספר מאך קריטי]] (מכאן גם השם לפרופיליםל[[כנף סופר-קריטית|פרופילים סופר-קריטיים]]). גלי ההלם הנוצרים בנקודות אלו של זרימה קולית/על קולית גורמת לעלייה חדה בגרר, הנקרא '''גרר גלים'''. לרוב, בתיכון מטוס עבר קולי או על קולי, משתמשים בגרף של מספר מאך מול גרר, במקדמי עילוי שונים, על מנת לתאר את נקודת תחילת עליית הגרר (Drag Rise) של המטוס. על מנת למזער ככל הניתן את כוח הגרר שגלי ההלם יוצרים, הצורה אווירודינמית של כלי הטיס צריכה להשתנות כך ששטח חתך הרוחבי ישתנה בצורה מתונה וחלקה ככל האפשר.
 
משמעות חוק השטחים היא ששני מטוסים, גם אם שונים בצורתם, אך התפלגות האורכית של שטח החתך זהה, יהיו בעלי ערך גרר גלים זהה. בכדי למנוע היווצרות של גלי הלם חזקים, התפלגות שטח החתך חייבת להיות חלקה ומתונה.
שורה 10 ⟵ 9:
חוק זה מתקיים גם במהירויות העולות על מהירות הקול, אבל במקרה זה, סידור שטחי חתך הגוף היינו ביחס בין קו מאך למהירות שיוט המתוכננת (Mach Design). לדוגמה, במאך 1.3 זווית קונוס מאך שנוצר על ידי המטוס המשייט במהירויות על קוליות הוא:
 
μ=arcsin(1/M)

ולכן עבור M=1.3, נקבל כי μ=50.3⁰.
 
כאשר:
 
μ - זווית קונוס מאך.
שורה 16 ⟵ 19:
M - מסר מאך.
 
מטוסים המיועדים לשיט במהירות גבוהה בדרך כלל בעלי כנפיים משוכות לאחור מסיבה זו בדיוק. דוגמה קלאסית של תכנון פילוג שטחי החתך הוא מטוס הקונקורדה[[קונקורד]], בעל [[כנף דלתא|כנף הדלתא]] הענקית. דוגמה נוספת היא מטוס הבואינגה[[בואינג 747|בואינג 747 ג'מבו]], אשר בתיכון הראשוני של המטוס, הוסיפו קומה שנייה בחלקו הקדמי של המטוס, על מנת דווקא להגדיל את השטח החתך בחלק זה (דברלמרות הנוגדשאינטואיטיבית אתתכנון זה לא האינטואיציהמיטבי, שכן הוספת שטח מעלה גרר) ובכך "החליקה" את גידול שטח החתך מקצה החרטום ועד לתחילת האזור בו הכנפיים מתחברות לגוף המטוס. אמנם הייתה עלייה בגרר הצורה של המטוס, אך ההורדה המשמעותית בגרר הגלים הביאה לטריידלהורדת אוףסך כזהגרר שהורידהמטוס אתבמהירות סך[[שיוט גרר(תעופה)|שיוט]] המטוסגבוהה.
 
= היסטוריה =
= בעיית עליית הגרר =▼
[[קובץ:CD0 of unswept wings Area Rule.jpg|ממוזער|445x445 פיקסלים|השפעות חוק על שטחים על גרר עבר-קולי. לקוח מהמאמר של וויתקומב שרישמית פורסם בשנת 1956.]]
חוקרים במנהרות הרוח של מרכז המחקר של לאנגלי החלו לעבוד על בעיית הגרר בתחום העבר קולי (במהירויות מתקרבות ועולות על מהירות הקול) עוד לפני תום מלחמת העולם השנייה. ב -[[1943]], [[ג'ון סטאק]], ראש סניף המנהרה של "לאנגלי", קיבל אישור להכפיל את העוצמה במנהרה מ -8,000 כוחות סוס ל -16,000 כוחות סוס. השדרוג, שהושלם באביב [[1945]], אפשר לחוקרים לייצר נתוני זרימה אמינים במנהרה למהירויות עד מאך 0.95. המנהרה הייתה גדולה מאוד יחסית לתקופה (גובה של 8 רגל ~- כ-2.5 מטרים) .
 
=== תחילת עבודתט של ויטקומב ===
=== רקע ===
אחד החוקרים שעבד עם סטאק במנהרה היה מהנדס צעיר בשם ריצ'רד ט. ויטקומב. ויטקומב הוקסם ממטוסים בכלל ובאווירודינמיקהומ[[אווירודינמיקה]] בפרט, מאז שהיה ילד צעיר, כשהוא בנה ובחן מספר רב של מודליםדגמים של [[טיסנאות|טיסנים]]. הוא הועסק על ידי מרכז המחקר לאנגלי בשנת 1943, לאחר קבלת [[מהנדס|תואר הנדסהמהנדס]] מן המכון הפולי -טכני ווסטר (Worcester Polytechnic Institute). מנהלי לאנגלי רצו בתחילה שיעבוד במחלקת כלי הטיס, אך ויטקומב התעקש לעבוד באווירודינמיקה. הוא קיבל את העדפתו והוצב אצל סטאק במנהרת רוח הגדולה -8-foot high speed wind tunnel. עד יולי [[1948]] פיתח ויטקומב מוניטין של מהנדס שפונים אליו לרעיונות מקוריים. הוא הציע סדרה של ניסויים, במנהרה הגדולה, עבור מגוון רחב של קומבינציותתצורות שונות של מטוס עם כנפיים משוכות לאחור. הוא קיווה שהבדיקותשהניסויים יחשפו תצורה שתוביל לירידה משמעותית בגרר, במהירויות עבר קוליות.
סדרת הניסויים נערכה בין השנים 1949 ל־1950, אך ללא תוצאות משמעותיות. אף אחת מהקומבינציות של המודלהדגמים עם כנפיים משוכות, לא הצליח להוריד בצורה משמעותית את הזינוק בגרר, ככל שמתקרבים למהירות הקול Mach=1.
 
▲='''חקירת בעיית עליית הגרר =מחוץ למנהרת רוח'''
ניסיונות ראשונים למציאת הפתרון
 
לחוקרים הייתההיתה חסרה הבנה עמוקהההבנה בכל הקשור לתנהגות הזרימה באזור העבר קולי. חוקרים אחרים, עקב מגבלות הניסויים במנהרות רוח במהירויות עבר קוליות, החליטו לנקותלנקוט בשתי גישות חדשות.
 
הגישה הראשונה הייתה להצמיד את מודל הניסוי למטוס מאויש ומהיר, שבמהלך טיסת הניסוי, יבצע צלילה מגובה רב כך שיגיע למהירויות העבר קוליות הרצויות, ובכך הזרימה על המודליםדגם המטוס היו קוליים ואף על קוליים, אף על פי שהמטוס הנושא את מודל הניסוי היה עדיין תת-קולי.▼
=== חקירת בעיית עליית הגרר מחוץ למנהרת רוח ===
▲הגישה הראשונה הייתה להצמיד את מודל הניסוי למטוס מאויש ומהיר שבמהלך טיסת הניסוי, יבצע צלילה מגובה רב כך שיגיע למהירויות העבר קוליות הרצויות, ובכך הזרימה על המודלים היו קוליים ואף על קוליים, אף על פי שהמטוס הנושא את מודל הניסוי היה עדיין תת-קולי.
 
גישה שנייה הייתה שימוש ברקטות ניסוי המסוגלות להאיץ למהירויות גבוהות. השיטה הראשונה שהוזכרה כאן, סיפקה תוצאות בעלי דיוק יחסית נמוך. השיטה השנייה, על אף דיוקה הרב, הייתה יקרה מאוד. בנוסף, לא ניתן היה לקבל [[צילום שלירן|תמונות שלירן]] (Schlieren) של גלי ההלם הנוצרים בכל דרך אחרת, פרט לביצוע הניסויים במנהרת רוח.
 
לבסוף המהנדסים בלאנגלי, עם ויתקומב בכללם, עשו שדרוג למנהרה ויצרו "גרון מחורר" (Slotted Throat) עבור המנהרה הגדולה בשנת 1950, אשר מנע את "חניקת" צוואר המנהרה, אשר הגביל את מהירויות שהתקבלו בתא הניסוי ועתה ניתן היה להגיע למהירויות על -קוליות. התוצאות, בייחוד אלו שנחשפו על ידי צילומי שלירן, הראו כי גלי ההלם שנוצרו כאשר זרימת האוויר התקרבה למהירות הקול היו גדולים מהצפוי בהרבה. ההפסדים בלחצים שנגרמו כתוצאה מהיווצרות אותם גלי הלם, הם שגרמו לעלייה חדה בגרר, במהירויות עבר קוליות.
 
=== פריצת דרך ראשונה ===
[[קובץ:Area-rule-based model of the convair f-102 in 1958.jpg|ממוזער|268x268 פיקסלים|בדיקות מנהרת רוח לאחר תיכון מחדש ויישום חוק השטחים על מטוס F-102]]
 
פריצת הדרך הגיעה מספר חודשים לאחר מכן, כשאר אווירודינמיקאי גרמני בעל שם עולמי, בשםכאשר ד"ר [[אדולף בוזמן]], אווירודינמיקאי גרמני, הגיע לתת סימפוזיון. ד"ר בוזמן היה מהמדענים הגרמנים שצבא ארצות הברית תפסו בשלהי [[מלחמת העולם השנייה]], הובאו לארצות הברית וסייעו רבות בתחום הנדסת התעופה והיו חיוניים ל"[[המרוץ לחלל|מרוץ החלללחלל]]" בין ארצות הברית לברית המועצות וההגעה לירח, (כגון ד"ר וורנר[[ורנר פון בראון|ורנר פון-בראון)]]. בהשראת התאוריהה[[עקרון ברנולי|תאוריה של ברנולי]], ד"ר בוזמן תיאר את זרימת האוויר סביב גוף במהירויות עבר קוליות, כצינורות של אוויר עם שטח חתך קבוע כל עוד המהירות מתחת לאזור העבר-קולי. במהירויות גבוהות יותר, עבר קוליות, אותם "צינורות" דמיוניים יצרו את שטח החתך שלהן, עקב העלייה במהירות. עיקרון זה מאוד מזכיר "[[צינור ונטורי]]". הבעיה היא שבתחום העל-קולי, תאוריית ברנולי לא תקפה. אם במהירויות תת-קוליות, ככל שמצרים את שטח חתך הצוואר, מהירות הזרימה עולה (בדומה לצינור ונטורי), אז בתחום העל-קולי התופעה מתהפכת והצרת השטח מאטה את הזרימה, בעוד שהרחבתה מאיצה אותה.
 
ויתקומב התרשם מאוד מהאנלוגיה של ד"ר בוזמן. הוא הבין שגלי ההלם היו גדולים מהצפוי, כי צינורות הזרם לא הצטמצמו ולא שינו צורה, כלומר שכל גידול מקומי באזור או בגרר, ישפיע על התצורה כולה בכל הכיוונים, ועל מרחק גדול יותר. כלומר, לא ניתן להסתכל על הכנף ועל גוף המטוס באופן נפרד. היה צריך להסתכל על כל אזור חתך המטוס - כנף, גוף וזנב יחד, ולנסות לשמור על עקומת הגידול ודעיכה חלקה ומתונה ככל הניתן. בכך הגיע למעשה לחוק השטחים. מבחינה מעשית, משמעות חוק השטחים היא שצריך לפצות על הגידול הדרמטי בגודל שטח החתך, באזור שבו הכנף מתחברת לגוף המטוס. הפתרון היה להצר את ה"מותניים" בגוף המטוס באזור בו עובי הכנף מקסימלי, מעיין צורת "בקבוק קולה", על מנת שניתן יהיה להקטין בהדרגה את שטח החתך כשעובי הכנף נעשה קטן יותר. אם צמצום המטוס היה בלתי אפשרי, המטוס מאחורי או לפני האגף צריך להיות מורחב כדי להפוך את השינוי שטח החתך באזור מאף של המטוס ועד לזנבו לכמה שיותר מתון, ללא שינויים דרמטיים.
 
= השלכותהשפעות פיתוח חוק השטחים של וויתקומב =
שני מטוסים עברו תיכון מחדש אשר שילבו את חוק השטחים, על מנת לצמצם את גרר הגלים בהתקרב למהירות הקול. מטוס ה- [[קונבאיר F-102 דלתא דאגר|F-102A]] עבר "הצרת מותניים" באזור בו עובי הכנף מקסימלי, על מנת למתן את העלייה ולאחר מכן הירידה בשטח חתך המטוס. התצורה החדשה של המטוס הקלה משמעותית על המעבר למהירות הקול עם גרר נמוך משמעותית משהיה לפני התיכון המחודש. כתוצאה ישירה מכך, מטוס הקרב השתמש בהרבה פחות כוח על מנת להתגבר על הגרר העולה ובכך נחסכה כמות דלק משמעותית אשר הביאה שיפור משמעותי בטווח/ביצועיביצואי תאוצה וטווח המטוס.
 
מחקרו של וויטקומב על חוק השטחים היה מסווג עד ספטמבר [[1955]], אך חודשיים לאחר פרסום עבודתו, קיבל וויטקומב את הגביע ע"ש רוברט קולייר (Robert J. Collier Trophy), על ידי [[איגוד האווירונאוטיקה הלאומית]], בהוקרה על הישגיו בחקר האזור העבר קולי, כאשר הוכיחו עד כמה משמעותי היה יישום חוק השטחים בתיכון מחדש של מטוסים ויישום קבוע, עד היום, של חוק זה בתיכון כלי טיס מהירים.
 
== קישורים חיצוניים ==
*."NACA Report 1273-"A STUDY OF THE ZERO-LIFT DRAG-RISE CHARACTERISTICS OF WING-BODY COMBINATIONS NEAR THE SPEED OF SOUND" https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19930092271.pdf
*https://history.nasa.gov/SP-4219/Chapter5.htm - The Whitcomb Area Rule: NACA Aerodynamics Research and Innovation
 
* "NACA research memorandum, October 28, 1953 - "RECENT RESULTS PERTAINING TO THE APPLICATION OF THE AREA RULE▼
== המשך קריאה ==
 
*."NACA Report 1273-"A STUDY OF THE ZERO-LIFT DRAG-RISE CHARACTERISTICS OF WING-BODY COMBINATIONS NEAR THE SPEED OF SOUND"
▲* "NACA research memorandum, October 28, 1953 - "RECENT RESULTS PERTAINING TO THE APPLICATION OF THE AREA RULE
* James R. Hansen, Engineer in Charge: A History of the Langley Aeronautical Laboratory, 1917-1958 (Washington, DC: NASA SP-4305, 1987), pp. 313-14.
* Richard T. Whitcomb, interview with Walter Bonney, March 27, 1973.
אוחזר מתוך "https://he.wikipedia.org/wiki/חוק_השטחים_של_וויתקומב"