بعد از sub layer به buffer layer یا buffer zone میرسیم که مرز بین زیر لایه لمینار و توربولانس است. علی رغم وجود گرادیان های سرعت زیاد در این لایه اما بخش زیادی از این لایه را جریانات توربولانسی تشکیل میدهد.

زیر لایه لمینار و buffer زمانی بوجود می آیند که سطح صاف باشد و یا اگر برآمدگی یا زبری روی سطح وجود داشته باشد، ارتفاع این برآمدگی کمتر از ضخامت زیر لایه لمینار باشد اما اگر ارتفاع برآمدگی یا زبری بیشتر از ضخامت زیر لایه باشد آنگاه زیر لایه و لایه buffer به وجود نخواهد آمد و جریان تماما توربولانس خواهد بود( مشابه به by pass transition) . و در اخر بعد از لایه buffer ، جریان کاملا توربولانس میشود.
👉@Hadi_Notes✍

از انجایی که sub layer بعلت کاهش سرعت و در نتیجتا کاهش رینولدز و افزایش لزجت بوجود امده لذا در این زیر لایه ، لزجت جریان اهمیت دارد و نه چگالی جریان ( به رابطه رینولدز مراجعه شود) و در جریان توربولانسی که در رینولدزهای بالا رخ میدهد، چگالی جریان اهمیت دارد و نه لزجت جریان.

بنابراین ضخامت این زیر لایه با لزجت دینامیک p (و یا کینماتیک v) رابطه مستقیم و با سرعت رابطه عکس دارد. با افزایش سرعت و در نتیجه افزایش رینولدز جریان ازاد ، جریان ازاد به جریان پتانسیل (غیر لزج، غیر چرخشی و غیر تراکم پذیر) نزدیک تر شده و ضخامت لایه مرزی و زیر لایه لمینار کاهش پیدا میکند. با کاهش ضخامت لایه مرزی ، گرادیان های سرعت در لایه مرزی کاهش و توزیع سرعت در لایه مرزی به توزیع سرعت جریان ازاد نزدیک تر میشود.
👉@Hadi_Notes✍

بصورت کلی میتوان گفت که اگر منحنی بسته ای را حول ضخامت لایه مرزی در نظر بگیریم و سرکیولیشن ( گامای بزرگ) را حول این منحنی حساب کنیم به این نتیجه میرسیم که بعلت یکسان بودن سرعت جریان آزاد ، میزان ورتیسیتی در طول سطح و طول لایه مرزی(نقاط 1 و 2) ثابت خواهد بود اما بعلت توزیع متفاوت این ورتیسیتی ها در طول سطح ، لایه مرزی ضخامت های بیشتری را در طول سطح تجربه میکند.

تفاوت ورتسیتی و ورتکس (گرداب) پیشتر گفته شده

اما بعلت گرادیان های سرعت درون لایه مرزی یعنی از سرعت صفر روی سطح ( no slip condition) تا رسیدن به سرعت جریان ازاد ( 99 درصد سرعت جریان ازاد که در موارد کاربردی 95 درصد سرعت جریان ازاد برای ضخامت لایه مرزی تعریف میشود) ، المان های جریان دچار تنش برشی و دفورمیشن میشوند یعنی علی رغم حرکت المان ها در طول جریان ( حرکت انتقالی) ، خود المان ها به دور خود میچرخند ( حرکت چرحشی) و باعث چرخشی شدن rotational جریان میشوند(کرل سرعت مخالف صفر).
👉@Hadi_Notes✍

با تولید ورتسیتی درون لایه مرزی، میزان ورتسیتی ها یکسان اما توزیع آنها متفاوت خواهد بود. بعنوان مثال اگر 10 ورتسیتی در نقطه 1 داشته باشیم؛ این 10 ورتسیتی بصورت متراکم در نقطه 1 حضور دارند اما با رفتن به نقطه 2، همان 10 ورتسیتی را داریم اما دیگر متراکم نبوده و پراکنده (diffusion) شده اند. این پراکندگی ورتسیتی ها (molecular diffusion) باعث میشود تا ضخامت لایه مرزی در طول سطح افزایش پیدا کند. از انجایی که ضخامت لایه مرزی با رینولدز رابطه عکس دارد بنابراین با اتلاف ویسکوزیته درون لایه مرزی و افزایش دما در این لایه، طبق رابطه ساترلند که در گازها با افزایش دما لزجت نیز افزایش میابد (در مایعات برعکس)، افزایش لزجت باعث کاهش رینولدز و افزایش ضخامت لایه مرزی میشود یا به تعبیر دیگر با افزایش دما میزان پراکندگی یا diffusion ورتسیتی ها افزایش میابد (دلیل اصلی افزایش ضخامت لایه مرزی). میزان ورتسیتی ها برای لایه مرزی لمینار و توربولانس نیز باهم برابر است چراکه سرعت جریان ازاد برای هر دو لایه یکسان است اما تفاوت هایی وجود دارد ...
👉@Hadi_Notes✍

در لایه مرزی توربولانس بعلت زیاد بودن u/y (u∆ به y∆) لذا طبق رابطه تنش برشی، میزان درگ اصطکاکی برای لایه توربولانس بیشتر از لمینار خواهد بود. در لایه توربولانس بعلت حرکات رندوم و 3 بعدی ورتسیتی ها، جریان پر سرعت (مومنتوم بالا) در نزدیکی سطح و جریان کم سرعت دور از سطح قرار میگیرد لذا جریان توربولانس مقاومت بیشتری در برابر گرادیان فشار مثبت و لزجت (بعنوان دو عامل مکمل و اصلی جدایش لایه مرزی) از خود نشان میدهد و جدایش را به تاخیر می اندازد.

بعنوان نکته ی پایانی با افزایش رینولدز و نزدیک شدن جریان به جریان پتانسیل، ضریب درگ اصطکاکی برای هر دو لایه لمینار و توربولانس کاهش پیدا میکند.

نکته : افزایش دما در سرعت های زیر صوت ، باعث جدایش زودهنگام لایه مرزی و کاهش زاویه حمله بحرانی (استال) میشود درحالیکه این اثر در سرعت های هایپرسونیک کاملا برعکس خواهد بود!
غیر از نحوه ی اثر گذاری دما در افزایش ضخامت لایه مرزی، به علت اینکه با افزایش دما، چگالی کاهش میابد، لذا برای عبور دادن جریان(دبی جرمی) از داخل لایه مرزی برای چگالی کاهش یافته و انجام معادله پیوستگی (معادله بقاء جرم)، ضخامت لایه مرزی افزایش میابد.
👉@Hadi_Notes✍

توضیحات قبل رو گفتیم تا بیشتر با مفاهیم مرتبط با زاویه حمله و فرایند جدا شدن لایه مرزی و استال آشنا بشیم .

و الان ، وقتشه سری به میلیتاری بزنیم و به اهمیت و تأثیرگذاری زاویه حمله نگاهی داشته باشیم

روابط تاثیر زاویه حمله در لیفت در اینجا

به عنوان پیش فرضی که قبلا توضیح داده شده در اینجا موارد زیر رو میدونیم:

- در چرخش پایدار لیفت کل بیشتر بهتره چون باعث افزایش لود فاکتور یا کوچک تر شدن دایره چرخش و با افزایش نرخ چرخش در واقع باعث چرخشی سریع تر میشه
- چرخش وابسته به لیفت و لیفت وابسته به زاویه حمله هست و این زاویه حمله باید بهینه باشه یعنی چی: یعنی زاویه حمله ای که در اون بیشترین لیفت ممکن رو داریم به شکل پایدار که طبیعتا وابسته به سرعت و توان پیشران هست.

چرا؟

اگر زاویه حمله بیشتر از حدِ بهینه بشه ولی کمتر از زاویه حمله بحرانی و در واقع جایی که هنوز لایه مرزی جدا نشده و وارد استال نشدیم ، لیفت زیاد میشه اما به همین شکل با افزایش درگ سرعت کم میشه (رانش ثابت همراه در حد اکثر کافی نیست) و با کاهش سرعت لیفت کل هم کم میشه...

اگر استال بشه هم که دیگه هیچی

پس زاویه حمله بهینه به شکل پایدار کجاست؟
👉@Hadi_Notes✍

زاویه حمله بهینه برای مانور پذیری در یک چرخش پایدار زمانی حاصل میشود که بیشترین لیفت کل رو داشته باشیم البته در سرعت پایدار و ثابت و اگر این مفهوم رو گسترش بدیم و چرخش برتر رو با نرخ چرخش بیشتر (در نظر گرفتن زمان و شعاع چرخش با هم) و نرخ چرخش رو با لود فاکتور مرتبط بدونیم ، میتوان گفت هر جنگنده ای با عملکرد آیرودینامیکی تعریف شده ، دارای سرعت و ارتفاع پرواز و در این جا زاویه حمله بهینه ای (حداکثر لیفت پایدار) هست (پیشران نیز با حداکثر توان) که در آن چرخش پایدار دارای بیشترین نرخ چرخش و یا بیشترین لود فاکتور هست

این یعنی مانور پذیری مبتنی بر چرخش در این حالت maximum هست .

خب حالا این مفهوم رو باید با یک تصویر نشون بدیم که تصویر بالا نشون میده !

جنگنده در هر ارتفاعی دارای سرعت خاصی هست که با افزایش یا کاهش اون سرعت نرخ چرخش و لود فاکتور کاهش پیدا می‌کنه . (در هر سرعت زاویه حمله بهینه تصور شده بر اساس سرعت و ارتفاع پرواز)

نکته دیگر این که بر اساس ارتباط لیفت با چگالی و دیگر موارد ، به طور کلی مانور پذیری در ارتفاع پایین بیشتر می‌شود .
👉@Hadi_Notes✍

برای مثال نشون میده جنگنده با وزن 36000 پوند و محموله مشخص و حداکثر رانش پیشران ،

در ارتفاع پایدار (لول ترن پایدار) با توجه به نمودار بهترین عملکرد مانور پذیری رو در حدود 0.9 ماخ به دست می آورد که در آنجا میتواند به لود فاکتور بیش از 8 برسد .

در این ارتفاع و وزن ، بهترین سرعت برای دست یابی به بهترین عملکرد چرخشی مشخص است در حالی که زاویه حمله بهینه حفظ می‌شود و افزایش یا کاهش آن در آن شرایط باعث کاهش لودفاکتور خواهد شد .

تصویر نشان میدهد مانور پذیری جنگنده در فرایند طراحی برای چه سرعتی بهینه سازی بهینه سازی شده (high subsonic)

👉@Hadi_Notes✍

تصویر نشان میدهد که جت طوس با زاویه حمله ۳۵ درجه خط آتش را روی هدف آورده و میتواند آن را شکار کند اما جت نارنجی با زاویه حمله ۱۹ درجه نمی‌تواند خط آتش را روی هدف آورده و به آن شلیک کند و باید منتظر فرصت دیگری باشد .

این یک سناریو برای نشان دادن اهمیت زاویه حمله بود اما شاید بپرسید اگر جنگنده بخواهد خط آتش را روی هدف بیاورد میتواند با اعمال AOA بیشتر این کار را بکند و البته که به این شکل با گذر از AOA بهینه ، نرخ چرخش حداکثر را از دست میدهد و سپس با افزایش بیشتر AOA وارد استال میشود و .......

تصویر بعدی این سناریو را نشان میدهد .

دو جنگنده با نرخ چرخش برابر در حالت پایدار که یکی به عنوان مهاجم با زاویه حمله ای که نمی‌تواند خط آتش را روی هدف بیاورد قرار دارد و سعی میکند هر طور شده با افزایش زاویه حمله به هر قیمتی خط آتش را روی هدف بیاورد

آیا میتواند ؟

👉@Hadi_Notes✍

تصویر دو جنگنده را در سه زمان 1 و 2 و 3 با t∆ یکسان نمایش میدهد

در t¹ :
مهاجم (آبی) نمی‌تواند هدف را شکار کند زیرا خط آتش آن به هدف نمیرسد.
اما تصمیم میگیرد با افزایش زاویه حمله به بیشترین مقدار ممکن هدف را هر طور شده در خط آتش بیاورد.

با این کار ابتدا نرخ چرخش کم می‌شود و سپس با استال از دایره چرخش اوت میشود ! و در واقع دیگر در دایره چرخش نمی‌چرخد در نتیجه مزیت زاویه ای چرخش در دایره را از دست می‌دهد.

در t² :
جنگنده آبی از دایره چرخش خارج شده اما زاویه حمله را بیشتر کرده و میتواند سایه ی جنگنده طوسی در زمان t¹ را بزند اما در حال حاضر جت طوسی در مکان x² قرار دارد و همچنان جت آبی نمی‌تواند خط آتش را روی هدف بیاورد.
همچنین توان کنترل خود را از دست میدهد و بدون تامین لیفت مناسب توان تنظیم دقیق و سریع خط آتش را ندارد زیرا تسلط کافی روی سطوح کنترلی ندارد...

در t³ :
مهاجم آبی حتی سرعت و انرژی خود را از دست میدهد و شروع به سقوط می‌کند و وارد فرایند ریکاوری میشود تا بتواند دوباره انرژی از دست رفته را بازیابی کند و جت طوسی نیز با ادامه چرخش آماده میشود تا مهاجم را دور زده و آن را شکار کند!
👉@Hadi_Notes✍

در سناریو بالا جت آبی با افزایش زاویه حمله نتوانست هدف را در خط آتش بیاورد (زیرا با استال از دایره چرخش خارج و مزیت حرکت دایره ای را از دست داد)

اما آیا همیشه این طور است ؟ خیر

این بستگی دارد به اختلاف خط آتش یا زاویه حمله فعلی جنگنده با آنچه به آن نیاز دارد تا هدف را در خط آتش بیاورد در واقع به فاصله ی دو جنگنده در چرخش همچنین به سرعت و ...

اما نکات دیگری وجود دارد و آن این که افزایش بیش از حد زاویه حمله تاثیر منفی قابل توجهی بر کنترل پذیری دارد زیرا سطوح کنترلی مانند گذشته رفتار نمی‌کنند همچنین در نهایت کاهش قابل توجه سرعت و لیفت باعث می‌شود مجبور به فرایند بازیابی شود زیرا جنگنده مانند یک آجر بدون لیفت مناسب در حال سقوط است !

این فرایند میتواند با از دست دادن رانش پیشران و مشکلات آن دو چندان شود و در صورت عدم زمان کافی یعنی ارتفاع پرواز مناسب میتواند به برخورد با زمین منجر شود .
👉@Hadi_Notes✍

برای نمایش خوب است ...

افزایش ناگهانی زاویه حمله و به سرعت وارد استال شدن در واقع یک سوپر استال که نوعی از آن را با کبرا میشناسیم ...

یکی از حرکات جذاب نمایش های هوایی اجرای مانور هایی مانند کبرا است و این مانور ها در ارتفاع مناسب با وزن کل پایین و رانش مناسب و تنها رو به بالا انجام می‌گیرد تا سپس جنگنده بتواند ریکاوری را بدون مشکل سپری کند و در بسیاری موارد در صورت نداشتن رانش به وزن بالا با کاهش ارتفاع همراه است و بلکه سقوط ... (به خصوص خانواده فلانکر با وزن بالا)

زمان زیادی از ابداع این مانور توسط خلبانان ساب 35 و هم دوره ای هایش در آن سال ها میگذرد اما همچنان امروزه نیز برای نمایش جذاب به نظر می‌رسد و بسیاری از آن الگو گیری کرده اند و گسترش داده اند مانند cobra climb و ...

اما در میدان نبرد و یک داگفایت و چرخش چه عملکردی خواهد داشت ؟

👉@Hadi_Notes✍

در موقعیت مهاجم :

- عدم کنترل پذیری
- خروج از دایره چرخش
- کاهش سرعت و آسیب پذیری
- نیاز به زمان برای ریکاوری

در نتیجه در این موقعیت افزایش زاویه حمله به طوری که جنگنده وارد استال شود ، به نوعی در بسیاری از موارد به معنی تعویض جای شکار و شکارچی و تبدیل مهاجم به شکار است !

در نتیجه به طور کلی هیچ مزیتی در مانور هایی مشابه کبرا برای موقعیت مهاجم تصور نمیشود و جنگنده مهاجم باید راه های دیگری برای استفاده از موقعیت خود برای شکار هدف پیدا کند .
👉@Hadi_Notes✍

در موقعیت مدافع :

در واقع همه ی آنچه به عنوان مزیت چنین کاری (افزایش AOA در این سطح) عنوان میشود برای فرار از موقعیتی است که جنگنده ی مهاجم در پشت سر قرار دارد و فاصله یا مکان زاویه ای اندک است .

در چنین موقعیتی خلبان با افزایش AOA و در عین حال کاهش سرعت ممکن است بتواند محاسبات شکارچی را بر هم زده و بگریزد اما شکارچی به سرعت با چرخش به طرفین یا بالا همزمان با کاهش سرعت خود را دوباره در موقعیت مناسب قرار می‌دهد زیرا هدف پس از استال باید انرژی خود را بازیابی کند و مثلا نمی‌تواند مانور های مبتنی بر افزایش ارتفاع را اجرا کند همچنین با سرعت پایین و مانور پذیری پایین (ارجاع به نمودار اینجا) نمی‌تواند از موقعیت موقتی که با پشت سر حریف قرار گرفتن به دست آورده استفاده کند .

اما میتواند حداقل یک بار نجات بخش باشد هر چند امروزه با بهبود فناوری و توانمندی های AAM های مدرن این مزیت به کلی کم رنگ شده است زیرا توان شلیک به زاویه های بالا توسط موشک های مدرن به دست آمده و حال جنگنده ای که در سرعت بسیار پایین و در حالت استال و در تلاش برای بازیابی است ، هدف بسیار خوب و کم تحرکی برای موشک به حساب می آید .
👉@Hadi_Notes✍

از این رو امروزه به طور کلی به مانور هایی این چنینی لقب مرغابی نشسته داده اند ! (آسیب پذیری و تسلیم)

متخصصین در طراحی جنگنده های مدرن همواره می‌کوشند از استال جلوگیری کنند برای این منظور حتی در جت های نسل دوم! مانند اف۵ شروع به طراحی سطوح آیرودینامیکی ویژه ای برای تاخیر زاویه ای در استال کردند به شکلی که لکس ها پا به میدان گذاشتند.

چنین سطوحی در 4 شکل کلی سعی بر افزایش حداکثر زاویه حمله بدون استال کردند تا جنگنده وارد استال نشود.

طراحی مدرن همواره روی این گزینه تاکید فراوان داشته است و در جنگنده های جدید به اوج خود رسیده است برای مثال حداکثر زاویه حمله قابل دسترسی بدون استال برای F-22 و F-35 به ترتیب از 60 و 50 درجه فراتر میروند !

در سوپر هورنت به شکل چشم گیر تری این سطوح را میبینیم و زاویه حمله بدون استال را به 45~ درجه افزایش داده اند البته در همکاری با دیگر الزامات طراحی آیرودینامیکی پرنده

به طور کلی در چند دهه اخیر طراحان کوشیده اند تا محدودیت های AOA را کاهش داده و توان رسیدن به زوایای حمله بالا بدون استال را فراهم کنند زیرا استال مترادف با از دست رفتن مزیت رزمی تلقی می‌شود .

👉@Hadi_Notes✍