Category: تئوری پرواز

چطور با چند متر پارچه و چند رشته نخ می‌توان ساعت‌ها در آسمان ماند؟ این نخستین مقاله از مجموعه «تئوری پرواز با پاراگلایدر» پاراکس‌سی است؛ مجموعه‌ای کاربردی برگرفته از کتاب مربی مجید سرمستی که قدم‌به‌قدم مکانیک پرواز را برایتان روشن می‌کند.

انسان همیشه در رویای پرواز مثل یک پرنده و تماشای طبیعت از زوایای مختلف، بدون نیاز به موتور، بوده است؛ و پاراگلایدینگ این خواسته را محقق کرد. تنها چیزی که نیاز است، تجهیزات مناسب، آموزش و دانش است. واژهٔ پاراگلایدر از دو بخش تشکیل شده: «پارا» به معنی چتر (parachute) و «گلایدر» به معنی سُرنده (glider). این وسیله با دویدن به پرواز درمی‌آید، بالی با سطح منحنی دارد و جز نیروی باد، جاذبه و خود خلبان به انرژی دیگری نیاز ندارد.

پاراگلایدینگ بازه‌ای از پروازهای ساده و آرام تا مسافت و آکروبات را در بر می‌گیرد، اما در هر صورت به یاد داشته باشید که ایمنی مهم‌ترین اصل در پرواز است. این رشته در هر کشور توسط یک فدراسیون ملی سازماندهی می‌شود که بر کیفیت آموزش، بیمه و حقوق خلبانان نظارت دارد.

قوانین فیزیکی حاکم بر پرواز

برای پاسخ به این پرسش که «چرا پاراگلایدر پرواز می‌کند؟» لازم است با سه مفهوم پایه آشنا شویم: قانون برنولی، آزمایش ونتوری و قوانین نیوتون.

قانون برنولی

در سیالات یکنواخت، سرعت با فشار رابطهٔ عکس دارد. به‌طور خلاصه اگر همهٔ متغیرهای دیگر ثابت باشند، بنا بر بقای انرژی وقتی سرعت سیال زیاد می‌شود، فشاری که سیال بر یک سطح وارد می‌کند کم می‌شود و برعکس. منظور از «سیال» گاز و مایع در حال حرکت است و منظور از «یکنواخت» سرعت و جهت یکسان هواست.

اثر ونتوری

اگر سیال در طول حرکت خود درون یک لوله باشد و قطر لوله کاهش یابد، سرعت سیال افزایش می‌یابد؛ به این پدیده Venturi می‌گویند.

قوانین نیوتون

• قانون اول (لختی): اجسام تا زمانی که نیرویی بر آن‌ها اثر نکند، حالت سکون یا حرکت مستقیم با سرعت ثابت خود را حفظ می‌کنند.
• قانون دوم: اگر به جسمی نیرو وارد شود، هم‌جهت با آن نیرو شتاب می‌گیرد.
• قانون سوم: هر عمل، عکس‌العملی برابر و در خلاف جهت دارد.

ایرفویل چیست؟

به شکل یا جسمی که وقتی جریان هوا از سطوح آن عبور می‌کند، بتواند نیروهای آیرودینامیکی ایجاد کند و کمترین مقاومت را در مقابل جریان هوا داشته باشد، Airfoil می‌گویند. در پاراگلایدر از ایرفویل نامتقارن استفاده شده است.

لبهٔ حمله اولین نقطه‌ای است که جریان هوا با ایرفویل برخورد می‌کند و دهانه‌ای دارد که از طریق آن هوا به درون بال جریان پیدا کرده و بال را در شکل خود نگه می‌دارد. مقطع انتهایی بال لبهٔ فرار نامیده می‌شود؛ جایی که لایه‌های فوقانی و تحتانی به هم می‌رسند تا شکل ایرفویل را بسازند. لایه‌ها به‌وسیلهٔ دیواره‌های عمودی به نام Rib به هم متصل‌اند و فضای بین ریب‌ها cell نام دارد که برای باد شدن بال استفاده می‌شود.

پس چرا پاراگلایدر پرواز می‌کند؟

چون ایرفویل نامتقارن است، سرعت عبور هوا از سطح بالایی (که مسیر بیشتری را در زمان یکسان طی می‌کند) بیشتر از سطح پایینی است. طبق قانون برنولی این اختلاف سرعت، اختلاف فشار ایجاد می‌کند: فشار روی بال کمتر شده و نیروی لیفت پدیدار می‌شود. در مقاله‌های بعدی این نیروها را با جزئیات بررسی می‌کنیم.

پاراگلایدر از سه بخش اصلی ساخته شده است: بال، شبکهٔ لاین‌ها و رایزرها، و هارنس. شناخت دقیق این اجزا اولین قدم برای پرواز ایمن و انتخاب درست تجهیزات است.

بال و ساختار سلولی

بال پاراگلایدر یک ایرفویل نامتقارن است که از لایهٔ بالایی، لایهٔ پایینی، لبهٔ حمله و لبهٔ فرار تشکیل شده. لایهٔ بالا و پایین به‌وسیلهٔ دیواره‌های عمودی به نام Rib به هم متصل‌اند و فضای بین ریب‌ها cell نامیده می‌شود که برای باد شدن بال به‌کار می‌رود. گردش هوا بین سل‌ها از طریق سوراخ‌های موجود در ریب‌ها ممکن می‌شود.

گوشه‌های بال را stabilizer می‌گویند. در سال‌های اخیر بال‌های تک‌لایه (single skin) برای کاهش وزن طراحی شدند که در آن‌ها لایهٔ پایینی تا حد زیادی حذف شده است. جنس پارچهٔ ریب در ناحیهٔ لبهٔ حمله سخت‌تر و محکم‌تر است؛ تار و پود نایلونی یا پلی‌استری باعث می‌شود بال انعطاف‌پذیر، سبک و در عین حال بسیار مقاوم باشد.

رایزرها و لاین‌ها

با حرکت از هارنس به سمت بال، ابتدا به رایزرها می‌رسیم. تعداد رایزرها بسته به مدل بال ۲ تا ۴ عدد است و هر کدام از طریق یک quick link به لاین‌های معلق (suspension lines) متصل می‌شوند:

• رایزر A (جلویی): به نزدیکی لبهٔ حمله متصل است.
• رایزرهای B و C: به قسمت‌های میانی بال.
• رایزر D (عقبی): به نزدیکی لبهٔ فرار.

لاین برِک (ترمز) به رایزر انتهایی متصل است و مستقیماً به لبهٔ فرار بال می‌رسد. توزیع نقاط اتصال لاین‌ها باعث می‌شود بال شکل صحیح ایرفویل را پیدا کند. بیرونی‌ترین لاین که با رنگ متفاوت به گوشهٔ بال می‌رسد، stabilo line نام دارد و در رهایی از گره‌خوردگی بال (کراوات) نقش دارد.

کارابین

بال توسط کارابین‌ها به هارنس متصل می‌شود. کارابین‌ها به‌طور قابل ملاحظه‌ای مقاوم‌اند و توانایی تحمل نیروی بیش از ۲۰ کیلونیوتن در حالت بسته را دارند. سیستم‌های قفل متعددی مثل قفل اتوماتیک و قفل چرخشی برای آن‌ها وجود دارد.

هارنس

هارنس جایی است که خلبان در آن قرار می‌گیرد. مهم‌ترین بخش‌های آن:

• کانتینر چتر کمکی: محفظهٔ نگهداری چتر نجات با دستگیره‌ای به رنگ متفاوت در بالای آن.
• بک‌پروتکشن: لایهٔ محافظ پشت و پایین هارنس، به دو صورت airbag و foam.
• صفحهٔ نشیمن: خلبان روی آن می‌نشیند و با جابه‌جایی وزن، بال را کنترل می‌کند.

هارنس در سه نقطهٔ بسیار مهم به خلبان متصل می‌شود که باید حتماً پیش از هر پرواز بازبینی شوند:

• بست‌های پا (leg straps)
• بست سینه (chest strap) با مکانیزم قفل سه‌طرفه؛ تنظیم آن بر امنیت بال هنگام پرواز اثر می‌گذارد.
• بست‌های شانه (shoulder straps) که هارنس را با قد خلبان متناسب می‌کنند.

چهار نیرو سرنوشت هر پرواز را تعیین می‌کنند: وزن، تراست، لیفت و درگ. در این مقاله می‌بینیم این نیروها چه زمانی و به چه ترتیبی وارد می‌شوند و چطور بال را در آسمان نگه می‌دارند.

علم مطالعهٔ حرکت اجسام در هوا را آیرودینامیک (aerodynamic) می‌گوییم. بلندترین خط فرضی مستقیمی که لبهٔ حمله را به لبهٔ فرار متصل می‌کند، chord line (وتر) نام دارد و یکی از مفاهیم پایهٔ ایرفویل است.

چهار نیروی آیرودینامیکی

• وزن (weight): همیشه رو به پایین.
• تراست (thrust): نیروی پیشران.
• لیفت (lift): نیروی برآ، عمود بر مسیر حرکت.
• درگ (drag): نیروی پسا، خلاف جهت حرکت.

ترتیب ورود نیروها هنگام تیک‌آف

اولین نیرویی که به جسم وارد می‌شود وزن است. در زمان تیک‌آف، دومین نیرو تراست است که با دویدن خلبان (و ایجاد باد روبه‌رو) تأمین می‌شود. به محض شروع حرکت، سومین نیرو یعنی درگ در خلاف جهت وارد می‌شود. پاراگلایدر زمانی وسیلهٔ پروازی می‌شود که باد مخالف داشته باشد و بال از هوا پر شده (inflate) باشد؛ آنگاه لیفت به‌عنوان آخرین نیرو پدیدار می‌شود.

پرواز نرمال و تجزیهٔ نیروی وزن

به محض اینکه پای خلبان از زمین جدا شود، نیروی تراست حذف می‌شود و نیروی وزن وظیفهٔ پیشروی وسیله را بر عهده می‌گیرد. در پرواز نرمال، برآیند سه نیروی وزن، لیفت و درگ صفر می‌شود؛ یعنی نیروهای آیرودینامیکی یکدیگر را خنثی می‌کنند.

چون نیرو کمیتی برداری است، می‌توان وزن را به دو مؤلفه تجزیه کرد: یکی در جهت مسیر حرکت (fly path) و دیگری عمود بر آن.

به این ترتیب W۱ با لیفت و W۲ با درگ خنثی می‌شود. به همین دلیل با افزایش وزن در محدودهٔ وزنی مجاز بال، بدون تغییر در نسبت سرش (glide ratio)، سرعت وسیله افزایش می‌یابد. اما اگر وزن از رنج وزنی بال بیشتر شود، با افزایش W۱ میزان سینک (نرخ افت) هم بالا می‌رود.

لیفت چگونه ساخته می‌شود؟

وقتی ایرفویل از درون هوا عبور می‌کند، به‌خاطر خاصیت واگرایی سیالات جریان هوا واگرا شده و از سطوح بالا و پایین عبور می‌کند، سپس دوباره به‌خاطر هم‌گرایی به هم نزدیک می‌شوند. چون ایرفویل نامتقارن است، سرعت عبور سیال از سطح بالایی بیشتر است (مسیر بیشتری را در زمان یکسان طی می‌کند). طبق قانون برنولی این اختلاف سرعت، اختلاف فشار ایجاد می‌کند، فشار استاتیک روی بال کم می‌شود و لیفت پدیدار می‌شود.

فرمول لیفت

آزمایش‌ها نشان داد که نیروی لیفت با چگالی هوا (ρ)، مجذور سرعت (V²) و مساحت سطح ایرفویل (S) نسبت مستقیم دارد. با وارد کردن ضریب برآ C_L (مقداری بین صفر تا یک) به فرمول زیر می‌رسیم:

این فرمول روشن می‌کند چرا سرعت چنین نقش پررنگی دارد: لیفت با مجذور سرعت رشد می‌کند.

«سرعت» در پاراگلایدر یک عدد ساده نیست؛ سه نوع سرعت متفاوت داریم و درک تفاوتشان، همراه با زوایای پروازی، پایهٔ فهم رفتار بال است.

سرعت‌های پروازی

• سرعت باد (wind speed): سرعت جریان هوا نسبت به یک شاخص ثابت زمینی.
• سرعت هوایی (air speed): سرعت وسیلهٔ پروازی نسبت به هوای اطرافش.
• سرعت زمینی (ground speed): سرعت وسیله نسبت به زمین، که از برآیند سرعت هوایی و سرعت باد به‌دست می‌آید.

باد نسبی

وقتی پای خلبان از زمین جدا می‌شود، دیگر باد منطقه را حس نمی‌کند، چون باد او را هم‌سو با خود می‌برد. بنابراین بادی که در حین پرواز به خلبان برخورد می‌کند، بادی است که خودِ وسیله در اثر حرکت ایجاد کرده؛ به آن باد نسبی (relative wind) می‌گویند. باد نسبی همواره مخالف جهت مسیر حرکت است و سرعتش برابر سرعت هوایی وسیله است.

گاست

تغییر ناگهانی جهت یا سرعت باد (یا هر دو) در مدت زمان مشخص را گاست (gust) یا تندباد می‌گویند. جریان هوایی که از سطوح بال می‌گذرد air flow نام دارد؛ روی زمین عاملِ آن بادِ منطقه است و در پرواز، سرعت هوایی.

زوایای پروازی

از برخورد دو پاره‌خط، زاویه به‌وجود می‌آید. سه زاویهٔ مهم در پرواز عبارت‌اند از:

• زاویهٔ حالت (attitude angle): بین وتر و خط افق.
• زاویهٔ حمله (angle of attack / A.O.A): بین وتر و مسیر حرکت؛ همان زاویهٔ برخورد جریان هوا با وسیله.
• زاویهٔ سرش (glide angle): بین خط افق و مسیر حرکت.

زاویهٔ حمله را می‌توان با برِک یا اسپید سیستم تغییر داد. عامل دیگری که آن را تغییر می‌دهد، گاست است. اگر زاویهٔ حمله بیش از حد زیاد شود خطر استال و اگر بیش از حد کم شود خطر تاک (جمع‌شدن بال از جلو) پیش می‌آید.

دامنهٔ پروازی

به محدودهٔ سرعت‌های هوایی بین حداقل سرعت هوایی (min air speed) و بیشترین سرعت هوایی (max air speed) دامنهٔ پروازی (fly domain) می‌گویند.

• min air speed: حداقل سرعتی که وسیله برای پرواز نیاز دارد. هرچه وزن بیشتر، این مقدار بیشتر؛ یعنی بال با سرعت بالاتری وارد استال می‌شود.
• max air speed: حداکثر سرعت هوایی که با کشیدن کامل اسپید سیستم (یا باز بودن تریم در تندم) به‌دست می‌آید.
• تریم اسپید (trim speed): سرعتی که سازنده برای زمانی که برِک‌ها آزادند و خلبان دخالتی ندارد طراحی کرده است.

چرا روبه باد تیک‌آف و لند می‌کنیم؟

خلبانان پاراگلایدر روبه باد تیک‌آف می‌کنند تا با کمترین انرژی و سریع‌تر به حداقل سرعت هوایی برسند، و روبه باد لند می‌کنند تا با حداقل سرعت زمینی به زمین نزدیک شوند. این یک قاعدهٔ ساده اما حیاتی است.

درگ همان نیرویی است که جلوی حرکت بال را می‌گیرد، اما همین نیرو نقطهٔ «بهترین نسبت سرش» را تعیین می‌کند. شناخت انواع درگ به شما می‌گوید با چه سرعتی پرواز کنید تا دورترین مسافت را بروید.

به نیروی مخالف جهت حرکت، نیروی پسا یا درگ می‌گوییم. درگ دو نوع کلی دارد: درگ پارازیت و درگ القایی.

درگ پارازیت

Parasitic drag خود به دو بخش تقسیم می‌شود:

• فرم درگ (form drag): به شکل اجسام مربوط است.
• اسکین درگ (skin drag): به جنس و سطح اجسام بستگی دارد.

هرچه سرعت را افزایش دهیم، درگ پارازیت بیشتر می‌شود.

درگ القایی و ورتکس

Induced drag را در واقع همان «لیفت‌سازها» تولید می‌کنند. وقتی فشار هوا در زیر ایرفویل بیشتر از روی آن است، هوا از بخش پرفشار به سمت کم‌فشار تمایل به حرکت دارد و به‌صورت دایره‌وار در گوشه‌های بال و امتداد لبهٔ فرار آشفتگی (ورتکس) ایجاد می‌کند:

• ورتکس (vortex): در لبهٔ فرار.
• تیپ ورتکس (tip vortex): در گوشه‌های بال.

هرچه با اعمال برِک سرعت را کم کنیم، درگ القایی بیشتر شده و ورتکس بزرگ‌تری تولید می‌شود. حداکثر بزرگی تیپ ورتکس می‌تواند به اندازهٔ نصف طول یک بال باشد.

درگ کل و بهترین نسبت سرش

مجموع درگ پارازیت و درگ القایی را درگ کل (total drag) می‌گویند. در سرعت مشخصی، درگ کل کمترین مقدار خود را دارد و دقیقاً در همان نقطه بهترین نسبت سرش (best glide ratio) اتفاق می‌افتد.

اثر زمین (Ground Effect)

تأثیر زمین بر بال که به‌خاطر درگ القایی و قانون سوم نیوتون ایجاد می‌شود، Ground effect نام دارد. این اثر هم در تیک‌آف و هم در فرود مزاحمت ایجاد می‌کند. اگر خلبان هنگام تیک‌آف از برِک زیاد استفاده کند، ورتکس و قانون سوم نیوتون می‌توانند پای خلبان را پیش از رسیدن به min air speed از زمین جدا کنند و دوباره او را به زمین برگردانند؛ تکرار این چرخه می‌تواند خطرناک باشد.

هوا برای خلبان پاراگلایدر هم سوخت است و هم خطر. در این مقاله انواع توربالانس، چگونگی تولد ترمال و بادهای منطقه‌ای را می‌شناسیم تا بتوانیم هوا را «بخوانیم».

انواع توربالانس

وقتی جریان هوا از یکنواختی خارج می‌شود، از حالت خطی به غیرخطی و آشفته تبدیل می‌شود که به آن توربالانس (turbulence) می‌گوییم. چهار نوع اصلی دارد:

• روتور (mechanical turbulence): در اثر عبور هوا از روی جسم جامد ثابت، پشت آن جسم ایجاد می‌شود. وسعت روتور به ابعاد جسم و شدت آن به سرعت باد بستگی دارد.
• ترمال (thermal turbulence): در مرز بین هوای گرم و سرد، به‌خاطر اصطکاک ایجاد می‌شود.
• شیر (shear turbulence): وقتی دو سیال با اختلاف سرعت یا جهت از روی هم عبور می‌کنند؛ گستردگی آن تقریباً افقی است.
• ویک (wake turbulence): ردپایی که جسم در حال عبور از سیال از خود به‌جا می‌گذارد. هرچه وسیله کندتر یا بزرگ‌تر باشد، ورتکس و ویک بیشتری دارد.

هر کدام از این‌ها می‌تواند عامل گاست باشد، چون جریان هوا را از خطی به غیرخطی تبدیل می‌کند.

ترمال چگونه متولد می‌شود؟

نور خورشید از بسته‌های انرژی به نام فوتون تشکیل شده. وقتی به زمین می‌تابد، بخش‌هایی که گرماپذیری بیشتری دارند گرم‌تر می‌شوند. اجسام تیره‌تر انرژی بیشتری جذب می‌کنند (جسم سیاه همهٔ طول‌موج‌ها را جذب می‌کند)، و سطوحی که نور با زاویهٔ نزدیک‌تر به عمود به آن‌ها می‌تابد، فوتون بیشتری در واحد سطح دریافت می‌کنند.

انرژی گرمایی به سه طریق منتقل می‌شود: تابشی، رسانشی و هم‌رفتی. زمین گرما را تابشی جذب و رسانشی به هوای مجاور منتقل می‌کند. هوای گرم چگالی کمتری دارد، پس هوای سرد پرفشار اطراف جایگزین آن شده و هوای گرم را به‌صورت هم‌رفتی به بالا می‌راند؛ همین ستون هوای گرمِ بالارونده ترمال است.

بادهای منطقه‌ای

بادها بر دو نوع کلی‌اند: منطقه‌ای (local) و فرامنطقه‌ای (general). چهار بادِ منطقه‌ای مهم:

• نسیم دریا (sea breeze): روز، خشکی زودتر گرم می‌شود و کم‌فشار؛ باد از دریا به خشکی می‌وزد.
• نسیم خشکی (land breeze): شب، خشکی زودتر سرد می‌شود؛ باد از خشکی به دریا می‌وزد.
• باد درّه‌به‌کوه (anabatic wind): روز، دامنهٔ کوه زودتر گرم می‌شود؛ باد از دشت به سمت کوه بالا می‌رود.
• باد کوه‌به‌درّه (katabatic wind): شب، هوای دامنه سردتر و سنگین‌تر می‌شود؛ باد از کوه به سمت دشت سرازیر می‌شود.

چند اصطلاح مهم

• تدرج باد (wind gradient): اختلاف سرعت و جهت باد نسبت به ارتفاع از سطح زمین. معمولاً هرچه بالاتر برویم سرعت باد بیشتر می‌شود.
• برش باد (wind shear): تغییر ناگهانی سرعت و جهت باد، که می‌تواند افقی، عمودی یا ترکیبی باشد.
• ویند چیل (wind chill): از دست دادن تدریجی دمای بدن بر اثر برخورد جریان هوا و تبخیر رطوبت.

استال و تاک دو حالتی هستند که بال از پرواز عادی خارج می‌شود. شناخت علت، پیشگیری و روش خروج از این حالت‌ها، مرز میان یک پرواز ایمن و یک حادثه است.

استال چیست؟

استال (stall) یا واماندگی، لحظهٔ بحرانی است که وسیله از حالت عادی پرواز خارج می‌شود و دلیل آن زیاد شدن بیش از حد زاویهٔ حمله است. نقطه‌ای که جریان هوا از سطح بالایی جدا می‌شود separation point نام دارد. وقتی زاویهٔ حمله به زاویهٔ حد (α) می‌رسد، این نقطه چنان به لبهٔ حمله نزدیک می‌شود که ایرفویل دیگر لیفت تولید نمی‌کند و بال از پرواز خارج می‌شود.

استال یا به‌خاطر اشتباه فاحش خلبان (اعمال بیش از حد برِک) یا به‌خاطر شرایط گاستی و افزایش ناگهانی زاویهٔ حمله رخ می‌دهد. برای خروج از استال باید جفت برِک را بالا نگه داریم.

انواع استال

• فول استال (Full Stall): خلبان به‌آرامی هر دو برِک را پایین می‌آورد تا اینرسی کم شود؛ پس از آنکه سرعت از min air speed کمتر شد، بال بالای سر استال شده و سقوط می‌کند.
• داینامیک استال (Dynamic Stall): برِک شدید یا گاست شدید به‌یکباره سرعت را کمتر از min air speed می‌کند و خلبان به جلو پرتاب می‌شود.
• بی‌لاین استال (B-line Stall): یکی از روش‌های کاهش سریع ارتفاع؛ رایزرهای لاین B را هم‌زمان به پایین می‌کشیم و بال از یک‌سوم جلو می‌شکند.
• دیپ استال (Deep Stall): بیشتر در بال‌های کهنه (از بین رفتن کوتین) رخ می‌دهد؛ بال بالای سر باز است ولی مثل برگ خزان پایین می‌آید و گلاید ندارد. برای خروج، برِک‌ها را بالا نگه می‌داریم و اگر خارج نشد به رایزرهای A شوک وارد می‌کنیم.

تاک و کراوات

علت تاک (tuck — جمع‌شدن بال از جلو) کم شدن ناگهانی زاویهٔ حمله، زیاد شدن سرعت بال و جاماندن خلبان از زیر بال است؛ وزن از روی بال برداشته شده و بال تاک می‌کند.

روش ریکاوری از تاک نامتقارن:

• ابتدا حفظ heading با اعمال cg به سمت بال سالم و کمی برِکِ بال سالم.
• سپس بال تاک‌خورده را با برِک پمپ می‌کنیم تا باز شود.
• اگر شدت تاک زیاد است، از برِک بیش از حدِ بال سالم خودداری کنید، چون ممکن است بال سالم استال شود.

اگر بال در بین لاین‌ها گره بخورد، به آن کراوات (cravat) می‌گویند. برای رهایی، stabilo line (بیرونی‌ترین لاین با رنگ متفاوت) را از بالاترین نقطه‌ای که می‌رسیم با نهایت قدرت می‌کشیم و رها می‌کنیم.

ساید افکت؛ خطر پنهان

عواملی که باعث می‌شوند فکر خلبان از کاری که باید انجام دهد غافل شود یا کاری خارج از توانایی خود انجام دهد، ساید افکت (side effect) نامیده می‌شوند. این عامل بسیار مهمی است که خلبان باید از آن دوری کند؛ حواس‌پرتی در آسمان جایی ندارد.

چطور بالی بدون فرمان و موتور را به چپ و راست می‌چرخانیم؟ در این مقاله فرامین بال، محورهای چرخش، تأخیر در گردش و نیروهایی که در یک گردش تند بدن خلبان را تهدید می‌کنند بررسی می‌کنیم.

فرامین پاراگلایدر

کنترل بال با سه ابزار انجام می‌شود: برِک‌ها (brakes)، رایزر انتهایی (rear riser) و جابه‌جایی مرکز ثقل (center of gravity / CG). نکتهٔ مهم اینکه علت چرخش این است که در وینگ‌تیپ مخالف، نیروی لیفت پدیدار می‌شود.

محورهای چرخش

محورها میله‌های فرضی‌ای هستند که اجسام حول آن‌ها می‌چرخند. پاراگلایدر سه محور دارد:

• محور عمودی (vertical axis) و چرخش حول آن: yaw
• محور عرضی (lateral axis) و چرخش حول آن: pitch
• محور طولی (longitudinal axis) و چرخش حول آن: roll

تأخیر در گردش (Adverse Yaw)

فرض کنید می‌خواهیم به چپ بچرخیم. وقتی برِک چپ را می‌کشیم، ابتدا زاویهٔ حملهٔ بال چپ زیاد شده و طبق قانون سوم نیوتون یک لیفتِ موقت در همان سمت ایجاد می‌شود. پس از تخلیهٔ انرژی، سرعت بال چپ کم شده و در وینگ‌تیپ مخالف لیفت ایجاد می‌شود و بال به چپ می‌چرخد. به همین دلیل چرخش با کمی تأخیر انجام می‌شود.

نسبت منظری بال

نسبت منظری (aspect ratio) وقتی بال روی زمین به‌صورت flat پهن شده، نسبت طول به عرض آن است. چون عرض بال متغیر است، معمولاً آن را با مساحت محاسبه می‌کنند:

دانستن آن مهم است چون هرچه نسبت منظری بیشتر باشد، کارایی (performance) بیشتر و پایداری (stability) کمتر می‌شود. برای همین انتخاب کلاس بال باید متناسب با سطح خلبان باشد.

نیروها در چرخش

وزن وارد بر یک مترمربع از بال را وینگ‌لود (wing load) می‌گویند (کل وزن ÷ مساحت بال در حالت فلت). لود فاکتور (load factor) ضریبی است که با زاویهٔ بنک رابطهٔ مستقیم دارد و وزن ظاهری (apparent weight) از حاصل‌ضرب کل وزن در لود فاکتور به‌دست می‌آید.

در یک گردش با زاویهٔ بنک ۶۰ درجه، وزن ظاهری دو برابر می‌شود و با زیادتر شدن بنک به‌شدت بالا می‌رود. این یعنی توانایی پمپاژ خون از قلب به مغز کاهش می‌یابد:

• ورتیگو (vertigo): خلبان قدرت تحلیل آنچه می‌بیند را از دست می‌دهد.
• بلک‌اوت (black out): به‌خاطر کاهش فشار خون در سر، چشم خلبان سیاهی می‌رود و در ادامه بیهوش می‌شود.

هر پرواز با یک تیک‌آف شروع و با یک فرود تمام می‌شود؛ دو مرحله‌ای که بیشترین تمرکز و دقت را می‌طلبند. در این مقاله انواع تیک‌آف، الگوهای فرود و تکنیک فلر را مرور می‌کنیم.

انواع تیک‌آف

به پروسهٔ راه‌اندازی بال (launch) تا زمانی که پای خلبان از زمین جدا می‌شود، تیک‌آف (take off) می‌گویند. سه نوع دارد:

• فوروارد (forward): بال به‌شکل نعل اسب پشت سر پهن می‌شود، خلبان پشت به بال و رو به مسیر دویدن و رو به باد آماده می‌شود. بیشتر در بادِ کم کاربرد دارد.
• ریورس (reverse launch): لانچ رو به بال و پشت به باد؛ پس از بالا آوردن و کنترل بال، خلبان ۱۸۰ درجه می‌چرخد و رو به باد تیک‌آف می‌کند.
• کراس‌ویند (cross wind take off): وقتی جهت باد با جهت شیب زمین زاویه دارد؛ رو به باد لانچ می‌کنیم و با برِکِ سمت شیب، بال را به سمت شیب هدایت می‌کنیم.

لحظهٔ بحرانی (Critical Time)

یک خطای رایج این است که خلبان پس از لانچ با نهایت قدرت می‌دود، در حالی که بال از او جا می‌ماند. پای خلبان به‌حالت پاندولی از زمین جدا می‌شود اما چون سرعت هوایی هنوز به min air speed نرسیده، دوباره به زمین برمی‌گردد. تکرار این چرخه به لحظهٔ بحرانی می‌رسد: لحظه‌ای که خلبان «نه دونده است و نه پرنده».

راه‌حل: پس از لانچ، وزن را روی بند سینهٔ هارنس بیندازید و تراست را به اندازه‌ای اعمال کنید که بال و خلبان هم‌زمان افزایش سرعت داشته باشند، تا با رسیدن به min air speed به‌صورت نرمال و ایمن وارد پرواز شوید.

انواع فرود

فرود (landing) دو فاز دارد: نزدیک‌شدن (approach) و نهایی (final). مرحلهٔ approach با چهار الگوی ترافیک انجام می‌شود: PTS، PT8، PTL و PTU.

سه اصل کلی در approach:

• ابتدا جهت باد روی زمین را پیدا کنید، چون final رو به باد خواهد بود.
• خود را خارج از منطقهٔ فرود و نزدیک لبهٔ آن نگه دارید و به نقطهٔ هدف نگاه کنید.
• هرگز پشت به منطقهٔ فرود نشوید تا نقطهٔ هدف از دیدتان خارج نشود.

در حالت S turn خلبان با حرکات S شکلِ متوالی و کوچک‌تر، ارتفاع را کاهش می‌دهد. الگوی PT8 با گردش‌های ∞ شکل کار می‌کند. PTU (که constant aspect approach هم نامیده می‌شود) برای محوطه‌های محصور با مانع ایده‌آل است و سه فاز دارد.

final، چک round out و فلر

هر تکنیکی که به‌کار ببرید، باید به یک long final ختم شود. دو نکتهٔ اصلیِ فرود موفق: پایداری بال (حفظ آن به‌صورت level) و سرعت. یک long final اجازه می‌دهد سرعت لازم برای فلر فراهم شود.

در ارتفاع حدود ۱ متری، چک round out را آغاز می‌کنیم: برِک‌ها را بالا برده، با نهایت سرعت به زمین نزدیک می‌شویم و قبل از فلر با اعمال کمی برِک «چک» می‌کنیم. در نهایت برِک‌ها را به‌طور کامل و هم‌زمان پایین می‌کشیم؛ این عمل فلر (flair) نامیده می‌شود و سرعت عمودی و افقی را کم می‌کند تا فرودی نرم داشته باشیم. این چک باعث می‌شود حتی در باد صفر یا پشت به باد، خلبان روی زمین «سُر بخورد» نه اینکه کوبیده شود.

«تا کجا می‌توانم برسم؟» پاسخ این پرسش در نسبت سرش نهفته است. در این مقاله نسبت سرش، تأثیر باد بر آن، و دو منطقهٔ حیاتی فرود و پرواز ایمن را بررسی می‌کنیم.

نسبت سرش

در یک بستهٔ هوایی، مسیر پرواز پاراگلایدر همواره نسبت به افق زاویهٔ منفی دارد. نسبت مسافت طی‌شده به ارتفاع از دست‌رفته را نسبت سرش (glide ratio) می‌نامند:

اگر صورت و مخرج را بر زمان تقسیم کنیم، نسبت سرش همان نسبت سرعت افقی به سرعت عمودی است. در فرانسوی به آن finesse می‌گویند. به همین دلیل برای تیک‌آف، مکانی را انتخاب می‌کنیم که شیب زمین از glide angle وسیله بیشتر باشد.

تأثیر باد: air finesse و ground finesse

• air finesse: نسبت سرش نسبت به بستهٔ هوای اطراف؛ با تغییر سرعت هوایی تغییر می‌کند.
• ground finesse: نسبت سرش نسبت به زمین؛ سرعت باد روی آن اثر می‌گذارد.

اگر رو به باد پرواز کنید، ground finesse کاهش می‌یابد و اگر پشت به باد پرواز کنید، افزایش می‌یابد. در باد صفر، این دو با هم برابرند. یعنی با سرعت هوایی یکسان، رو به باد مسافت کمتری نسبت به پشت به باد می‌پیمایید.

منطقهٔ امن فرود (Accessibility Zone)

خلبان با توجه به ground finesse، محدوده‌ای را که می‌تواند تا رسیدن به زمین بپیماید در نظر می‌گیرد و همواره منطقهٔ فرود را در این محدوده انتخاب می‌کند؛ به آن accessibility zone می‌گویند. در باد صفر این محدوده دایره است که شعاعش به ارتفاع و ground finesse بستگی دارد. با وزش باد، دایره به بیضی تبدیل می‌شود که در جهت باد جابه‌جا می‌شود.

منطقهٔ امن پرواز (Security Zone)

منطقهٔ فرود مشخصی را در نظر بگیرید. خلبان باید با توجه به ground finesse، در محدودهٔ security zone به پرواز خود ادامه دهد. این محدوده قیفی‌شکل است که انتهای آن منطقهٔ فرود است. خلبانانی که داخل security zone پرواز می‌کنند به منطقهٔ فرود می‌رسند و آن‌هایی که خارج از آن باشند نمی‌رسند. با تغییر سرعت یا جهت باد، این منطقه در خلاف جهت تغییرات باد متمایل می‌شود.