آیرودینامیک بالک‌ها: چگونه این زائده‌های نوک بال، مصرف سوخت را کاهش داده و برد پرواز را افزایش می‌دهند

اگر در صندلی کنار پنجره تقریباً هر هواپیمای تجاری مدرنی بنشینید، احتمالاً آن را خواهید دید: نوک بال، به جای اینکه به یک نقطه صاف و تمیز ختم شود، به شدت به سمت بالا خم شده و به یک باله عمودی تبدیل شده است. برای یک ناظر معمولی، این ممکن است شبیه یک جلوه تزئینی یا یک بیلبورد مناسب برای لوگوی شرکت هواپیمایی به نظر برسد. اما در واقع، این یکی از مهم‌ترین نوآوری‌های آیرودینامیکی در تاریخ هوانوردی است.

مشکل اصلی پرواز سنگین‌تر از هوا، فشار است. بال با ایجاد اختلاف فشار هنگام حرکت در جو، نیروی برآ (Lift) تولید می‌کند. شکل ایرفویل هوا را مجبور می‌کند تا با سرعت بیشتری روی سطح بالایی حرکت کند و ناحیه‌ای با فشار کمتر ایجاد کند، در حالی که هوای کندتر زیر بال فشار بالاتری را حفظ می‌کند. این اختلاف است که هواپیما را به سمت بالا هل می‌دهد.

با این حال، طبیعت همانقدر که از خلأ بیزار است، از اختلاف فشار نیز بیزار است. هوای پرفشار زیر بال دائماً به دنبال مسیر کمترین مقاومت است تا با منطقه کم‌فشار بالای آن برابر شود.

در سراسر دهانه اصلی بال، ساختار صلب از این برابر شدن جلوگیری می‌کند. اما در نوک بال، هوای فراری سرانجام یک مسیر واضح پیدا می‌کند. این هوا به سمت بیرون و بالا در اطراف لبه بال سرریز می‌کند، به منطقه کم‌فشار می‌پیچد و یک گردباد افقی و چرخشی از هوا ایجاد می‌کند که به عنوان گردابه نوک بال شناخته می‌شود.[5]

این گردابه‌ها فقط آشفتگی‌های بی‌ضرر باقی‌مانده در مسیر هواپیما نیستند؛ آن‌ها نشان‌دهنده یک تخلیه عظیم و مداوم انرژی هواپیما هستند. هوای چرخشی، باد نسبی روی بخش بیرونی بال را تغییر می‌دهد و به طور فیزیکی جریان هوا را به سمت پایین فشار می‌دهد؛ پدیده‌ای که به عنوان جریان رو به پایین (Downwash) شناخته می‌شود.[5]

این جریان رو به پایین موضعی، اساساً نحوه تولید نیروی برآ توسط بال را تغییر می‌دهد. از آنجایی که نیروی برآ همیشه عمود بر باد نسبی تولید می‌شود، جریان هوای متمایل به پایین، بردار نیروی برآ بال را کمی به عقب متمایل می‌کند. به جای اینکه مستقیماً به سمت بالا برای مقابله با گرانش اشاره کند، بخشی از نیروی برآ اکنون به طور فعال هواپیما را به عقب می‌کشد.[3]

آیرودینامیک‌دانان این کشش رو به عقب را پسا (درگ) القایی ناشی از برآ می‌نامند. در طول برخاست، صعود اولیه و کروز در ارتفاع بالا—مراحلی از پرواز که هواپیما با زاویه حمله بالا برای تولید حداکثر برآ کار می‌کند—پسا (درگ) القایی می‌تواند تا نیمی از کل پسا (درگ) آیرودینامیکی هواپیما را تشکیل دهد.[3]

راه‌حل سنتی و با نیروی خام برای پسا (درگ) القایی، صرفاً ساختن یک بال بلندتر است. افزایش دهانه بال—به طور خاص، افزایش نسبت منظری بال—گردابه‌های نوک بال را بیشتر از هم دور می‌کند و تأثیر نسبی آن‌ها را بر بقیه سطح برآزا کاهش می‌دهد.[4]

با این حال، دهانه‌های بال بی‌نهایت از نظر فیزیکی و اقتصادی غیرممکن هستند. بال‌های بلندتر به تقویت سازه‌ای داخلی به طور فزاینده سنگین‌تری نیاز دارند تا از شکستن آن‌ها تحت بارهای آیرودینامیکی جلوگیری شود، و دروازه‌های فرودگاه‌های تجاری بر اساس محدودیت‌های عرضی سخت‌گیرانه‌ای ساخته شده‌اند که حداکثر عرض یک هواپیمای مسافربری را محدود می‌کند.[4]

اینجا بود که ریچارد تی. ویتکامب، آیرودینامیک‌دان افسانه‌ای در مرکز تحقیقات لنگلی ناسا، وارد عمل شد. در دهه ۱۹۷۰، در بحبوحه یک بحران جهانی نفت که قیمت سوخت هوانوردی را به شدت افزایش داد و اقتصاد سفرهای هوایی را تهدید کرد، ویتکامب به دنبال راهی برای کاهش پسا (درگ) القایی بدون افزایش فیزیکی دهانه بال بود.[2]

ویتکامب این نظریه را مطرح کرد که یک باله عمودی که دقیقاً در نوک بال قرار می‌گیرد، می‌تواند به عنوان یک مانع فیزیکی عمل کند، از سرریز شدن هوای پرفشار به بالای بال جلوگیری کرده و در نتیجه گردابه را در منبع آن خفه کند.[1][2]

مفهوم یک صفحه انتهایی عمودی کاملاً جدید نبود، اما تلاش‌های قبلی در عمل شکست خورده بودند. افزودن هر ساختار فیزیکی به بدنه هواپیما، پسا (درگ) مزاحم (Parasitic drag) را افزایش می‌دهد—یعنی اصطکاک هوا هنگام حرکت روی سطح. در آزمایش‌های اولیه توسط مهندسان دیگر، جریمه پسا (درگ) مزاحم صفحه انتهایی، بر مزیت پسا (درگ) القایی غلبه کرد و در نتیجه بازده خالص از دست رفت.[1]

نبوغ ویتکامب در شکل‌دهی دقیق این دستگاه نهفته بود. او بالک را به عنوان یک ایرفویل بسیار تصفیه‌شده طراحی کرد. با زاویه‌دهی دقیق آن نسبت به هوای چرخشی گردابه، بالک می‌توانست در واقع مقدار کمی نیروی رانش رو به جلو تولید کند، بسیار شبیه به یک قایق بادبانی که در خلاف جهت باد حرکت می‌کند، و پسا (درگ) مزاحم خود را جبران نماید.[1][2]

در سال ۱۹۷۹، ناسا با نیروی هوایی ایالات متحده برای آزمایش طراحی ویتکامب در دنیای واقعی همکاری کرد و مجموعه‌ای از بالک‌های اصلاح‌شده را بر روی یک KC-135 Stratotanker نصب نمود. آزمایش‌های پروازی در مرکز تحقیقات پرواز درایدن ثابت کرد که بالک‌ها مصرف سوخت را در سرعت کروز به میزان شگفت‌انگیز ۶.۵ درصد کاهش می‌دهند.[2]

با وجود آزمایش‌های موفقیت‌آمیز، پذیرش گسترده تجاری کند بود. بالک‌های اولیه دارای اتصالات تیز و زاویه‌دار در محل برخورد با بال اصلی بودند که پسا (درگ) تداخلی موضعی در گوشه ایجاد می‌کرد و از صرفه‌جویی کلی سوخت می‌کاست و یکپارچه‌سازی سازه‌ای را پیچیده می‌کرد.[1]

نقطه عطف که بالک‌ها را به توده‌ها رساند، توسعه بالک ترکیبی (Blended winglet) در دهه ۱۹۹۰ بود. مهندسان با گنجاندن یک انحنای صاف و جارویی بین بال افقی و باله عمودی، اتصال تیز را حذف کردند و پسا (درگ) تداخلی را به حداقل رساندند و مزیت آیرودینامیکی خالص را به حداکثر رساندند.[1]

بالک‌های ترکیبی به سرعت به استاندارد صنعتی تبدیل شدند و به طور گسترده بر روی هزاران بوئینگ ۷۳۷ و ۷۵۷ موجود نصب شدند. آن‌ها به طور معمول ۴ تا ۶ درصد صرفه‌جویی خالص سوخت را به همراه دارند که به معنای صرفه‌جویی صدها هزار گالن در طول عمر عملیاتی هر هواپیما است.[1]

تکامل دستگاه‌های نوک بال در آنجا متوقف نشد. ایرباس طرح ترکیبی بسیار بهینه‌سازی شده خود را که «شارکلت» (sharklet) نامیده می‌شود، برای خانواده A320 معرفی کرد که به دستاوردهای بازدهی مشابهی دست یافت و برد پروازی قابل قبول هواپیماهای باریک‌پیکر را افزایش داد.[1]

برای هواپیماهای پهن‌پیکر بزرگتر مانند بوئینگ ۷۷۷ و ۷۸۷، مهندسان رویکرد متفاوتی را در پیش گرفتند: نوک بال متمایل (Raked wingtip). به جای یک باله عمودی، نوک بال با زاویه‌ای تند نسبت به جاروبال اصلی به عقب متمایل می‌شود.[1]

نوک بال‌های متمایل دقیقاً به همان هدف آیرودینامیکی دست می‌یابند—برهم زدن گردابه نوک بال و افزایش نسبت منظری مؤثر—اما با جریمه وزن سازه‌ای کمتری برای بال‌های عظیم و طولانی‌مدت که در حال حاضر مرزهای علم مواد را جابجا می‌کنند.[1]

اخیراً، بالک شمشیر دوشاخه (Split scimitar) مرزهای دستکاری گردابه را حتی بیشتر جابجا کرده است. مهندسان با افزودن یک باله آیرودینامیکی کوچکتر و رو به پایین به بالک ترکیبی استاندارد، می‌توانند انرژی گردابه بیشتری را جذب کنند و ۱.۵ تا ۲ درصد صرفه‌جویی سوخت اضافی به دست آورند.[1]

اقتصاد عملیاتی بالک‌ها به شدت توسط پروفایل پروازی خاص یک هواپیما تعیین می‌شود. از آنجایی که پسا (درگ) القایی زمانی که هواپیما سنگین است و در ارتفاعات بالا پرواز می‌کند، در بالاترین حد خود قرار دارد، بالک‌ها بیشترین بازده مالی خود را در پروازهای بین‌قاره‌ای طولانی‌مدت ارائه می‌دهند.[6]

برعکس، برای پروازهای منطقه‌ای کوتاه‌مدت، وزن فیزیکی اضافی بالک‌ها گاهی اوقات می‌تواند مزایای آیرودینامیکی را خنثی کند. به همین دلیل است که برخی از جت‌های منطقه‌ای و نسخه‌های کوتاه‌برد آن‌ها را به طور کامل حذف می‌کنند و وزن خالی سبک‌تر را برای چرخه‌های سریع و ارتفاع پایین در اولویت قرار می‌دهند.[1][6]

در نهایت، بالک مدرن نشان‌دهنده پیروزی دینامیک سیالات کاربردی است. این یک قطعه غیرفعال و بی‌حرکت از مواد کامپوزیت است که اساساً جریان هوای نامرئی و آشفته اطراف یک هواپیما را در زمان واقعی تغییر می‌دهد.[6]

با مهار انرژی گردابه نوک بال، بالک‌ها میلیاردها گالن سوخت برای صنعت هوانوردی جهانی صرفه‌جویی کرده‌اند و از ورود میلیون‌ها تن دی‌اکسید کربن به جو جلوگیری کرده‌اند، و ثابت می‌کنند که گاهی اوقات عمیق‌ترین راه‌حل‌های مهندسی در همان لبه‌های طراحی یافت می‌شوند.[6]