تکنولوژی دماغ کوسه Shark Nose

چندی است که مهندسان متوجه شده اند الگو گیری از طبیعت میتواند در طراحی هایشان به آنها بسیار کمک کرده و طراحی هایی متمایز را رقم بزنند که نام کلی این سبک طراحی بر اساس بایونیک است و اکنون میخواهیم به توضیح تکنولوژی دماغ کوسه Shark Nose بپردازیم

مقدمه:

در اواسط سپتامبر حق امتیاز اختراع n 2972422 با عنوانی به نسبت بلند منتشر شد. “بالی گود با منفذی در قسمت تقویت شده لبه جلویی”.

این فرصتی است تا درباره چیزی که اغلب “دماغ کوسه(Shark nose)” می نامیم، بحث کنیم.

در قسمت اول، محدودیت ها و پذیرش ضعف هایی ناشی از قرار دادن سر سل ورود هوا به بال در پاراگلایدر را توضیح خواهیم داد و در قسمت بعدی فواید عملی و رازهای دماغ کوسه را آشکار خواهیم کرد.

در نهایت ما دیدگاه خود در رابطه با این تکنولوژی را با جزئیات بیان خواهیم کرد که هدف این اختراع را روشن می کند.

 

آخرین پیشرفت

پاراگلایدر یک ایرفویل انعطاف پذیر است که خلبان در زیر آن آویزان است. برای ایجاد امکان پرواز برای ما، ایرفویل یک مقطع عرضی آیرودینامیک است که از زمین برخاستن را امکان پذیر می کند.  نیروهای برخاستن همچنین نیرویی را وارد می کنند که باعث “شکل گرفتن ایرفول” و کشش طولی گلایدر می شود. با این وجود در کورد لاین نیروهای آیرودینامیک تقریبا بی تاثیر هستند.

فشار خارجی در بال است که باعث “کش آمدن” گلایدر در محور کورد لاین می شود. اخیرا شرکت اوزون با گلایدر XXlite ثابت کرد که این امکان وجود دارد که یک بال بدون فشار داخلی به پرواز در آید (باز بودن ایرفویل به دلیل نبود سطح پایینی). در طی آزمایش عملکرد این بال تک سطحی، حالت های مختلفی از زاویه پروازی را امتحان کردیم.

قطعا تغییر زاویه حمله به ما اجازه می دهد که سرعت بال را تغییر دهیم.

شکل ۱: طول و کورد لاین یک گلایدر

 

هرچه فشار داخلی بیشتر باشد، ثبات مکانیکی بال بهتر خواهد بود.

در نتیجه طراح باید تلاش کند که فشار داخلی را افزایش دهد.

گرچه فشار داخلی دارای یک محدودیت مشخص است که نمی توان از آن عبور کرد.

نقطه ای در مقطع عرضی که به جهت باد عمود است را نقطه ایستایی می گویند.

شکل ۲: خمیدگی نقطه ایستایی و ضریب فشار

 

در این نقطه است که جریان هوا به دو قسمت تقسیم می شود و یکی در سطح فوقانی جریان پیدا می کند و دیگری در سطح پایینی.

برای سرعت مورد نظر پرواز ، فشار در بالاترین مقدار خود در نقطه ایستایی(وسط لبه حمله بال) قرار دارد. این فشار مرجع تمام فشارهای دیگر در این مقاله خواهد بود (و تمام نوشته های دیگر در رابطه با این موضوع).

فشار به عنوان ضریب فشار بیان می شود و چنین فشاری در نقطه ایستایی برابر است با ۱٫PC=1

P=0.5 به معنای این است که فشار اندازه گیری شده در آن نقطه برابر است با نصف فشار نقطه ایستایی.

بنابراین احتیاج است که سر سل ها که محل ورود هوا به بال است در نقطه ایستایی قرار داده شود تا فشار داخلی با PC=1 به دست آید. با این وجود نقطه ایستایی در راستای مقطع عرضی ثابت نیست و با توجه به زاویه حمله تغییر می کند.

شکل ۳: نقطه ایستایی برای زاویه های حمله از ۳ تا ۲۵ درجه است. “P” میزان حرکت نقطه ایستایی را تعیین می کند.

 

پذیرش محدودیت ها عبارتند از:

اگر مدخل ورودی هوا در نزدیکی جلوی محدوده نقطه ایستایی قرار گیرد، ما فشار داخلی فوق العاده ای در زاویه ای پایینی حمله خواهیم داشت (به معنای شتاب گرفتن)، اما در زاویه حمله زیاد به هیچ عنوان این چنین نخواهد بود (مثلا زمانیکه برک گرفته ایم یا بال پشت سر مانده است). این مسئله باعث ایجاد یک خاصیت تورمی نامناسب در گلایدر می شود که در نتیجه نمی تواند به آسانی از حالت واماندگی خارج شود و چنین بالی به راحتی وارد دیپ استال یا فول استال میشود.

– در صورتی که دهانه های سر سل ورودی هوا به بال در محدوده عقب تر(پایین تر) از نقطه ایستایی قرار گیرد، قضیه بر عکس است. فشار خوب در زاویه های بالا با ترمزهای طولانی. اما در زاویه های پایینی حمله، فشار بسیار پایین خواهد بود و بال در هنگام شتاب حالت خود را حفظ نمی کند (به معنای از دست رفتن کارایی) و در زاویه مشخصی، مدخل ورودی هوا به سر سل های بال به محدود تخلیه فشار وارد می شود و فورانت تاک را به وجود می آورد.

شکل ۴: محدوده های فشار پایین و بالا در راستای مقطع عرضی برای زاویه نصب مورد نظر

 

 

پس چه باید کرد؟

در بیشتر موارد سر سل های ورودی هوا در میانه قرار می گیرد و از نظر اندازه بزرگ است. این بزرگ بودن یکی از محدودیت هایی است که بیشتر طراحان آن را پذیرفته اند( در بال های قدیمی و کلاس پایین بیشتر دیده میشود).

اما بیایید تلاش کنیم که این مسئله را بهبود ببخشیم.

یکی از راه کارها این خواهد بود که اندازه سر سل های ورودی هوا را متناسب با محدوده متغیر بسازیم. متاسفانه، فشار درون گلایدر برابر با مجموع فشار در مدخل ورودی هوا نیست بلکه بیشتر به حالت میانگین است (به همان صورتی که افزودن آب ۲۰ درجه سانتی گراد به آب ۳۰ درجه سانتی گراد، آبی با دمای ۵۰ درجه سانتی گراد تولید نخواهد کرد). یک پاراگلایدر با یک سر سل های ورودی هوا بسیار بزرگ دارای فشار داخلی کمتری در مقایسه با یک گلایدر با یک مدخل ورودی هوا کلاسیک خواهد بود. علاوه بر این رفتار پروازی بد در زوایه های حمله بالا به خروج سخت از حالت دیپ استال و فول استال را منجر می شود. تمایل بال به اسپین و رفتارهای بد در زاویه های پایین منتج به کلپس و فورانت تاک می شود.

راه کار دیگر استفاده از دریچه هایی در سر سل ها است. برای نمونه دو سر سل ورودی هوا با یک درپوش پشت هرکدام که هرگاه فشار داخلی بال بیشتر از فشار وارده بر جلوی سر سل های ورودی هوا می شود بسته می شود. این کار در تئوری خوب عمل می کند اما از آنجایی که معمولا باعث نشت هوا می شود و در نتیجه ساختن آن گران و سخت است، عملی کردن آن بسیار مشکل است. این تکنیک ساختن باعث بوجود آمدن تاهایی در سطح گلایدر می شود که باعث ایجاد مقاومت می شوند. فکر می کنم بیشتر سازنده ها تلاش کرده اند که راه کاری در رابطه با این نوع دریچه ها پیدا کنند اما هیچکدام نتوانسته اند مزیت واقعی آن را در عمل نشان بدهند و معمولا این ایده از یک مدل به مدل بعدی غیر از چند استثنا (بیشتر موارد در بال های اَکرو،احتمالا به خاطر مسائل بازاریابی تا ملاحظات تکنیکی) ادامه پیدا نکرده است.

آخرین گزینه برای بهبود این محدودیت جابه جا کردن سر سل ها به سمت پایین همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده است، است.

شکل ۵: مقطع عرضی با سطح داخلی متعادل کننده

 

شکل این مقطع عرضی این امکان را به وجود می آورد سر سل های ورودی هوا به سمت عقب قرار گیرد در حالی که میزان رضایت بخشی از فشار داخلی در زاویه های پایین حمله حفظ می شود. مشکل این مقطع عرضی این است که  باعث ایجاد یک پله در جریان هوا می شود و در زاویه های حمله کوچک مقاومت بالایی را ایجاد می کند، در مواردی که بال نیاز به ریکاوری دارد این ریکاوری به طور خودکار انجام نمیشود و ریکاوری دیرتر انجام میگیرد

 

دراینجا دو طرح توضیحی را مشاهده می کنید

 

شکل ۶: نمایش زاویه های بالایی و پایینی در مقطع عرضی با سطح داخلی متعادل کننده

 

 

دماغ کوسه

بکگراند ایده دماغ کوسه این است که یک قسمت فرورفته به محدوده معمول نقطه ایستایی اضافه شود.

این قسمت مقعر به میزان فراوانی اندازه محدوده نقطه ایستایی را کاهش خواهد داد. پیش از انکه بیش از این به این مسئله بپردازیم، طرح پیش رو به تجسم این مفهوم کمک می کند.

شکل ۷: طرح ابتدایی یک مقطع عرضی دماغ کوسه

 

این قسمت مقعر باید به عنوان بخشی در نظر گرفته شود که جریان هوا کُند می شود. این مسئله  با ارائه فضایی بزرگتر که هوا کُندتر جریان خواهد یافت، باعث ایجاد اثری مخالف اثر “ونتوری”[۲] خواهد شد. می دانیم که هرچه جریان هوا در محدوده مورد نظر کُندتر شود، PC این قسمت به ۱ نزدیک تر خواهد شد (حد نهایت این مسئله سرعت صفر در نقطه ایستایی است که PC=1 است).

یکی از مزیت های بزرگ دماغ کوسه در شکل متقارن آن نهفته است. این حالت اگر جریان هوا در جلوی سر سل های ورودی هوا به یک طرف یا طرف دیگر حرکت کند دقیقا به یک شکل عمل می کند. طرحی مشابه شکل ۶ اما با مقطع دماغ کوسه.

شکل ۸: شرایط متقارن جریان هوا در جلوی دماغ کوسه

 

شکل متقارنی که به مقطع مدور اضافه شده است، رفتاری رضایت بخش در زاویه های حمله بالا و پایین بدون ایجاد مقاومت را به همراه خواهد داشت.

به علاوه، با نقطه ایستایی ساکن تر، این امکان برای ما به وجود آمد که اندازه مدخل ورودی هوا را کاهش دهیم و در نتیجه فشار بیشتری را در مقابل آن به دست آوریم.

در اینجا نموداری را می بینیم که فشار داخلی در مقطع سنتی و مقطع دماغ کوسه با توجه به زاویه حمله را نشان می دهد.

شکل ۹: فشار داخلی در گلایدر با توجه به نصب

 

در اینجا دو گراف تئوریک اما جامع را مشاهده می کنیم که فشار در راستای سطح داخلی با توجه به ۳ زاویه نصب مختلف برای یک مقطع عرضی نرما و یک مقطع دماغ کوسه را نشان می دهد.

راهنما:

سبز نصب ۳ درجه، فیروزه ای ۱۰ درجه، آبی ۲۰ درجه

E اندازه ورودی هوا است.

V گوناگونی PC در سطح مدخل ورودی هوا است.

شکل ۱۰: نمایش CP در راستای سطح داخلی در سه زاویه مختلف نصب بال ها

 

هرچه اندازه محدوده V کوچک تر باشد، جایگذاری مدخل ورودی هوا آسان تر خواهد بود و هرچه محدوده V به CP=1 نزدیک تر باشد، فشار درون کانوپی[۳] بیشتر خواهد بود.

به شکل واضحی می توانیم محدوده کوچکی برای نقطه ایستایی را ببینیم که در راستای مقطع کوسه حرکت می کند. این مکان ایده ال برای مدخل ورودی هوا است.

 

اما مزیت ها برای خلبان چیست؟

دماغ کوسه امکان انجام موارد زیر را فراهم کرده است:

– ساخت گلایدری با مقاوت بالای واماندگی در سرعت های پایین و محدوده ترمز طولانی تر را به وجود می آورد. این مسئله در ترمال ها برای ایجاد سرعت بیشتر در بال ها و به هنگام بلند شدن در باد زیاد و یا فرود در نقطه ای مشخص که به دقت  احتیاج دارد ،کارساز است.

– قدرت اضافی برای مقطع عرضی در سرعت های بالا، این مسئله در فشار داخلی باعث می شود که R11 با سرعتی بیش از ۷۰ کیلومتر در ساعت پرواز کند.

– دماغ کوسه به مدل های R11/R12  این امکان را داده است که به طرح هایی با بالاترین و کارآمدترین محدوده سرعت تبدیل شوند.

– به کاهش مقاومت از مدخل های ورودی هوا کمک کرده و در نتیجه به گلاید بهتر انجامیده. همچنین لیفت بهتر در ترمال، گرچه ارتباط دادن آن با تئوری سخت است.

– این نتیجه گیری ها پایه درخواست ما برای ثبت این اختراع را تشکیل می دهد.

اجازه دهید که به تاریخچه دماغ کوسه در اوزون بپردازیم.

 

تاریخ و موقعیت کنونی

پیش نویس اولیه دماغ کوسه در زمانی که برای بدنه ای با عملکردی مناسب در سرعت های کم و دارا بودن فشار داخلی در سرعت بالا تحقیق می کردیم، پدیدار شد. با به پایان رساندن سریع ساختار داخلی بال به عنوان نمونه اولیه، کارآمدی تکنیکی آن را اصلاح کرده و تلاش کردیم که تا جای ممکن تولید آن را ساده کنیم.

تصمیم گرفتیم که با این بدنه R10.2 را بسازیم. با این پیش فرض، پس از یک هفته ارائه ایده ها و مدل سازی دیجیتال، بدنه تنها نام و خاستگاهی مشابه با اولین وِرژِن داشت!

نمونه اولیه آماده شد و پس از مقداری تغییرات در بال، در نهایت به پیشرفت سرعتی که انتظار داشتیم رسیدیم و حتی این پیشرفت بیشتر از آن چیزی بود که انتظار داشتیم  (همچنین عملکرد بهتر برک) همه خوشحال بودند، اینگونه بود که پروژه R11 آغاز شد.

در عین حال به این فکر افتادیم که امتیاز ثبت اختراع را انجام دهیم.

چند ماه بعد، مدل R11 و بدنه کوسه به دست خلبان ها رسید و مدت کوتاهی بعد فصل ۲۰۱۱ را احاطه کرد.

در اواخر آن سال، سیاست مداخله کرد و بال های “بدون کلاس(Free style)” از رقابت ها حذف شدند.

ما کار بر روی گلایدر دارای گواهینامه مسابقاتی را آغاز کردیم.چند نمونه اولیه آزمایش شدند، نمونه کوسه خوب پرواز کرد اما چون اولین کسی بودیم که برای این نمونه از گلایدر مجوز گرفتیم، تصمیم گرفتیم که جو را متلاطم نکنیم. گلایدر EN D با ۲ محور و نسبت ابعاد[۴]  ۷٫۵ به اندازه کافی غافلگیر کننده بود.

بِرَندهای دیگر بال رقابتی را با تکنولوژی دماغ کوسه خود تولید کردند که از مزیت های مشابه نمونه ما برخوردار بود.

در عین حال، در  Ozone پژوهش ها و آزمایش ها با قدرت ادامه داشت و طراحی مرتبا بهبود پیدا می کرد. درخواست ثبت اختراع ما در INPI [5] در روند اداری تاییدیه به کندی پیش می رفت.

در نهایت نامه تاییدیه برای ثبت اختراع را در نوامبر ۲۰۱۱ دریافت کردیم و در سپتامبر ۲۰۱۱ منتشر شد.

پرسش بزرگ این بود که با این اختراع چه می توانیم بکنیم؟

از نظر تئوری حق امتیاز اختراع برای دارنده این حق (تحت شرایطی که تکنولوژی در دسترس عموم قرار گیرد) یک مزیت قانونی به همراه خواهد داشت که می تواند از  طریق آن از استفاده رقبا از این اختراع جلوگیری کند و یا یک سیستم صدور مجوز به وجود آورد.

شایان ذکر است که در حق امتیاز مانند دفترچه راهنما همه چیز توضیح داده شده است.

از آنجایی که Ozone علاقه ای به دریافت حق الامتیاز یا درگیر شدن در مسائل قانونی را ندارد (زیرا هدف ما تنها به دست آوردن بهترین طراحی است) تصمیم گرفته ایم که استفاده از این امتیاز را آزاد گذاشته و تنها تقاضا کنیم که لوگو شرکتمان بر روی بال حک شود.

مفتخریم که توانسته ایم این طراحی نوآورانه را با دیگران شریک شده و این نکته که این اختراع به تکامل ورزش ما کمک کرده بسی مایه رضایت خاطر ما است.

ما به سهم خود به توسعه دماغ کوسه ادامه می دهیم و به کار بردن این تکنولوژی در بال های جدید مانند Delta2 را آغاز کرده ایم.

 

 

واژه نامه

Chord: خطی که از لبه جلویی تا لبه عقبی بال ادامه می یابد.

Span: فاصله بین دو سر گلایدر که بر Chord عمود است.

Shark Nose: اسم تکنولوژی ما که در این مقاله توضیح داده شد و به طور واضحی از شکل قسمت جلویی بدنه آمده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[۱] Incidence

[۲] Venture

[۳] Canopy: جز بال یک گلایدر

[۴] Aspect ratio

[۵] National Institute of Industrial Property: انجمن ملی دارایی صنعتی