books rotor head design

عندما يعمل محرك الطائرة فإنه يشغل جهاز نقل الحركة أو علبة التروس والذي بدوره يعمل على إدارة السارية فمنه يعمل دوار المروحية. والسارية هي قضيب معدني اسطواني الشكل يحركها بالأسفل ناقل الحركة كي تدور في الأعلى. ويتكون رأس الدوار من محور عجلة صلب (بالإنجليزية: hub)‏ وتكون به نقاط لتثبيت الريش والوصلات الميكانيكية المصممة للتحكم بانحدار الريش. تثبيت الريش بالمحور يكون بعدة طرق، تلك الطرق يصنف بها نظام الدوار -كيفية تثبيت الريش وتحركها مقارنة مع المحور الرئيسي-. ويوجد لها ثلاث تصنيفات أساسية: ثابتة وشبه ثابتة ومفصلية بالكامل، بالرغم من أن الأنظمة الحديثة للدوارات تستخدم مزيج هندسي لتلك الأنواع.

القطع وعملها

بالصورة دوار بسيط لمروحية (Robinson R22) ونرى التالي:

• القضبان المتصلة بالقرص المتراوح (Swashplate) تقود الأجزاء التالية:
  • مفاصل التأرجح (Pitch hinges) تسمح الريش للتفتيل أي تغيير التأرجح PITCH أو الانعطاف ROLL.
• مفصل متمايل (Teeter hinge)، وهذا يسمح لريشة بالارتفاع للأعلى بينما الأخرى تكون منخفضة. ويكون الارتفاع والانخفاض بحالة التأرجح أو الانعطاف ويجب أن يكون متناسق، بحيث تسمح للدوار بالتأرجح والانعطاف بشكل منفصل عن هيكل الطائرة، ولكي تعطل الدفع العكسي Negative-G.
• وصلة المقص والثقل الموازن ينقل دوران العمود الرئيسي إلى أعلى القرص المتراوح.
• أغطية مطاطية لحماية الأجزاء المتحركة والثابتة.
• القرص المتراوح العلوي (يكون متحركا)، والإرسال من أدوات توجيه الطيران للريش.
• ثلاث قضبان تحكم ثابتة ترسل تعليمات الانحدار إلى القرص المتراوح السفلي.
• السارية الرئيسية والتي تؤدي إلى علبة التروس الرئيسية.

القرص المتراوح

يتكون القرص المتراوح (swash plate) من قرصين متحدي المركز، إحدهما وهو الجزء العلوي يتحرك مع الريش وهو مرتبط بها خلال وصلات التأرجح، بينما الآخر يكون ثابت ويمكن تأرجحه بواسطة الطيار عن طريق أدوات التوجيه وهما مجمع التأرجح (Collective pitch) ويدة التدوير (cyclic stick).

يتغير تأرجح ريش الدوار الرئيسي خلال دورانها لكي تتحكم في مقدار واتجاه الدفع الموجه. مجمع الانحدار الموجود بالكابينة يستخدم لرفع أو خفض الدفع للدوار بشكل عمودي على محور الدوران، ويتحكم أيضا بمقدار كمية الدفع الموجهة، لذلك يتغير تأرجح الريشة خلال دورانها بشكل فعال لإمالة قرص الدوار والتحكم بإتجاه الدفع الموجه. القرص المتراوح يتحكم بدوره باختلاف التأرجح للريش.

الدوار الذي به أكثر من ريشتان يكون لديه توصيلتان مخصصتان، بحيث تجعل القرص المتراوح الداخلي يدور. ولكن بحالة نظام الدوار بريشتين فإن الريش تتولى هذه المهمة. يستطيع القرص المتأرجح تغيير الإتجاه عموديا والإمالة لعدة درجات. خلال التغيير والإمالة فإن القرص الثابت يتحكم بالقرص المتحرك، والذي بدوره يتحكم بتأرجح كل ريشة على حدة.

دوارات مفصلية

بنى خوان دي سيرفا نماذج مصغرة للأوتوجيرو لفحص تصميمه الجديد، ولكن بعد ظهور النتائج الواعدة، بدأ ببناء نموذج متكامل. ولكن قبل الشروع بالطيران، تمايل الأوتوجيرو بشكل غير متوقع مما أدى لتحطيمه. وقد اعتقد أن السبب هو هبوب ريح مفاجئة، فأعاد بناؤها لكنها تعرضت لنفس الحادث. هذه الانتكاسة جعلت سيرفا يفكر جديا لماذا نجحت النماذج المصغرة بالطيران بينما فشل النموذج المتكامل.

أدرك سيرفا بأن الريشة المتقدمة في اتجاه تنتج قوة رفع أكثر من الريشة الراجعة للإتجاه الآخر خلال زيادة بالسرعة الجوية بالجهة المتقدمة مما يخلق قوة التفاف (rolling force). فالنماذج المصغرة كانت مصنوعة من مواد مرنة خصوصا من نبتة الروطان، حيث الريش تصفق وتعادل الرفع غير المتجانس فتمتص قوة الرفع غير المتماثل. فاستنتج سيرفا بأن محور الدوار المصنوع من الحديد كان صلبا بعض الشيء، لذلك عمل فصالات متحركة على محور الدوار.

حلت الفصالات المتحركة مشكلة الالتفاف، ولكن محور الأفقي سيسبب الضغط حيث أن مركز الثقل للريشة سيتحرك كلما خفقت الريش. وللمحافظة على العزم الزاوي فإن سرعة الريش ستزداد وتتباطأ تبعا لحركة مركز الثقل إلى الداخل أو للخارج تماما كالدوران في حالة التزلج على الجليد، فأضاف سيرفا فصالات تابع ومتبوع أو مايسمى فصالات دلتا لتقليل الضغط الجانبي.

مفصلية بالكامل

بنظام المفصلي الكامل، تكون كل ريشة متصلة بمحور الدوار من خلال مجموعة من المفاصل، مما يسمح لكل شفرة بحرية حركتها عن الشفرات الأخرى. ويتكون هذا النظام من ثلاث شفرات فما فوق. تلك الشفرات تستطيع التمايل والتجديف وتكون تابع ومتبوع بشكل منفصل عن الأخرى. يسمى المفصل الأفقي بمفصل التموج ويسمح الشفرة بالحركة العمودية (فوق وتحت) وتلك الحركة التموجية تعمل لمعادلة مايسمى (الرفع غير المتجانس) ويثبت مفصل التموج بمسافات مختلفة من محور الدوار وقد يكون هناك أكثر من مفصل. أما المفصل العمودي ويسمى تابع-متبوع أو مفصل السحب، ويسمح بالحركة الأفقية (أمام وخلف أو السحب). ويوجد بها المنظم لكي يمنع زيادة بالحركة الخلفية أو الأمامية حول مفصل السحب. وميزة هذا المنظم ومفصل السحب لكي يعادل ما بين تزايد السرعة وتناقصها التي تحصل بسبب تأثير كوريوليس. بإمكان كل ريشة التجديف وذلك بدورانها حول محورها الطولي. فالتجديف يعني تغيير بزاوية التأرجح للريشة، فالتغيير بزاوية التأرجح للريش سوف يسيطر على الدفع واتجاه قرص الدوار الرئيسي.

الثابت

نظام الدوار الثابت يكون المحور والسارية والريش ثابتة rigid (عكس مرنة flexible) مع بعضها البعض، لذلك فنظامها الميكانيكي ابسط من نظام الدوار المفصلي. فلا يوجد لديها مفاصل أفقية أو عمودية حتى تتمكن الريش من السحب أو التموج. وأحمال التشغيل الناتجة من الخفقان والقوى -التابع أو المتبوع- ستُمتص بإمالة الريش أكثر مما لو أن بها مفصل. بالانحناء تعادل الريش نفسها مع القوى التي تتطلب مفاصل قوية. فالنتيجة أن ردة فعل التحكم بنظام الدوار يكون أقل تباطئاً لأن الدوار نفسه أقل تمايلا. يلغي النظام الثابت خطورة اهتزاز السارية المتأصلة بالدوارات شبه الثابتة. ويسمى هذا الدوار أيضا باسم دوار لامفصلي.

شبه ثابتة

يعطي نظام شبه الدوار حركتين مختلفتين، التمايل والتجديف. ويحتوي على عدد 2 من الريش الملتصقة بثبات على المحور الدوار والذي بدوره يكون ملتصقا بالسارية بواسطة حامل المبرم مرتكز الدوران أو مفصل متأرجح ويكون حر الميلان على عمود الدوران الرئيسي. تلك الطريقة تجعل الريش تتأرجح معا، فإذا إحداهما تأرجحت للأعلى فإن الأخرى تخفق للأسفل. أما التجديف فإنه يكتمل مع فصالات التجديف، والتي تغير من زاوية التأرجح للشفرة، بما أنه لا يوجد مفصل للسحب العمودي، لذلك فالقوى (تابع ومتبوع) ستُمتص بإمالة الريشة.

المروحية ذات الدوار شبه الثابت تكون عرضة لحالة تعرف باهتزاز السارية والتي تسبب بتوقف تأرجح الدوار فيقطع السارية. تحصل حالة اهتزاز السارية خلال حالة (low-G) وهي حالة انعدام الوزن للطائرة كالسقوط أو عملية مناورة أفقية سريعة، لذلك فكتيب التشغيل يعطي تعليمات لتجنب جميع حالات انعدام الوزن (low-G).

عمود التوازن

اكتشف أرثر يونغ أن الثبات سيزداد بشكل ملحوظ عند إضافة عمود التوازن (stabilizer bar) بشكل عمودي على الريش. فعمود التوازن ينهي التأرجح مما يبقيه ثابت نسبيا في حالة الطيران. يرتبط هذا العمود بالقرص المتراوح بمثل تلك الحالة لتقليل معدل الانحدار. فالريشتان تتأرجحان كقطعة واحدة ولهذا فلا يكون من حاجة لفصالات تابع ومتبوع، الدوار بأكمله سيقلل السرعة ويزيدها بالدورة الواحدة.

نظام الريشتين يحتاج إلى فصالة متمايلة وفصالتان مخروطيتا الشكل للسماح لقرص الدوار بالحركة المخروطية عندما يزداد الدفع. المروحيات ذات النظام (fly by wire) يكون الكمبيوتر مع الجيروسكوب ومجس فينتوري بديلا عن الموازن. هذا التصميم بدون عمود له ميزة إعادة تشكيله بسهولة.

الموحد

بعض أنظمة الدوار الحديثة تستخدم كلا من أساسيات أنظمة الدوار المذكورة أعلاه. بعض محاور الدوار تشكل كمحور متحرك، مما يسمح بميلان الشفرة (تجعلها مرنة) بدون الحاجة إلى قواعد ارتكاز (سنادات) أو فصالات. وتسمى تلك الأنظمة بالمتمازج flexture أي Flex-mixture‏، وتكون مصنعة من خليط خامات. تكون قواعد الارتكاز المرنة مصنوعة من المطاط ولها محدودية الحركة، وهي صالحة وبشكل مناسب بتطبيقات المروحية، وقد تستعمل كبديل عن قواعد الارتكاز التقليدية. لاتحتاج تلك قواعد الارتكاز المرنة أو المتمازجة إلى تشحيم، لهذا فهي سهلة الصيانة، بالإضافة إلى امتصاصها للاهتزازات مما يعني مجهود أقل وعمر أطول لصيانة قطع المروحية.

دوار الذيل

دوار الذيل أو الدوار الخلفي يكون أبسط وأصغر من الرئيسي، عندما تكون الحاجة لتحكم الدفع خلال التغير بالانحدار. ويستخدم قرص متراوح بسيط للتحكم بمجموع الانحدار. دوار ذيل ذات ريشتين معها فصالة متمايلة للمعادلة مع الرفع غير المتماثل.