وقتی آدم ها هواپیما شدند!

قدیمی ترین طرح شناخته شده از هواپیمایی را که با نیروی انسانی پرواز می کند داوینچی در 1485( 863شمسی) کشیده است؛ اما تا سال 1977( 1355 شمسی) چنین ایده ای واقعاً به پرواز درنیامد. پرواز نیازمند نیروی براست. و این زمانی اتفاق می افتد که فشار هوای زیر بال برخلاف نیروی وزن به سمت بالا نیرو وارد می کند. برای سال ها بسیاری تصور می کردند که پرواز نیازمند قدرتی بیشتر از توانی است که بدن انسان توان فراهم کردنش را دارد. تصوری که چندان هم بی راه نبود. با این حال دانستن این موضوع تأثیر کمی در توقف تلاش های بشری است.
تمامی هواگردهای امروزی با استفاده از سه پیکره بندی ابتدایی بال ثابت، متحرک و ملخ می توانند پرواز کنند. در طول 50 سال گذشته طراحان و مهندسان هوافضا، دنیای هواپیماهای بال ثابت و متحرک را به تسخیر خود درآوردند؛ اما پرواز با نیروی انسانی به سبک بالگردها همچنان رویایی دست نیافتی باقی مانده است. برای این که یک انسان بتواند یک هلی کوپتر را به پرواز درآورد باید بتواند معادل 500 انرژی تولید کند؛ نیرویی که حتی ورزیده ترین خلبان ها نیز نمی توانند آن را تولید کنند. البته تجربه می گوید هیچ چیز غیرممکن نیست. در این گزارش بهترین نمونه های هرکدام از این هواگردهای انسانی را با هم مرور می کنیم.

هواپیما، پرواز با بال ثابت

پرواز با بال ثابت نیازمند مقطع بالی( بالواره) کارآمد است. سطح مقطع بال هواپیما در نیمه بالایی خود منحنی و سطح زیرین آن مسطح است. وقتی بال به سمت جلو حرکت می کند، هوا در زیر بال سریع تر از روی آن جریان می یابد. در نتیجه تفاوتی میان فشار بالا و پایین بال پدیدار می شود. زمانی که توان فشار زیر بال بر فشار روی آن غلبه می کند نیرویی به سمت بالا ایجاد می شود که هواپیما را به پرواز درمی آورد.
بیشتر هواپیماها برای تولید نیروی پیشران کافی و رسیدن به سرعت موردنیاز از موتور استفاده می کنند. در این بین انسان با اتکا به نیروی بدنی خود به راحتی نمی تواند نیروی پیشران کافی برای کسب سرعت مورد نیاز پرواز را تأمین کند.
به طور کلی هرچه بال ها درازتر باشند نیروی( برا)ی بیشتری تولید می شود. حوالی اوایل دهه 60 میلادی ( اواخر دهه 30 شمسی) ، دانشجویان دانشگاه ساوت همپتون، هواپیمای تجربی طراحی کردند به وزن 58 کیلوگرم و با بالی به پهنای 24 متر که یک سیستم انتقال نیرو دوچرخه مانند متصل به ملخ اصلی هواپیما نیروی آن را تأمین می کرد. این هواپیما چیزی حدود 530 متری پرواز کرد. با این حال در هدایت با مشکلاتی جدی مواجه بود.
در 1977/ 1356 پائول مک کریدی، یک مهندس هوافضای جوان با ترکیبی از آلومینیوم و پلاستیک هواپیمایی به وزن 31 کیلوگرم ساخت و آن را گاسامر کوندور( gassamer condor) نامید. این هواپیما در حقیقت اسکلتی آلومینیومی ساده ای بود که پوششی پلاستیکی روی آن کشیده شده بود. کوندور از نمونه قبلی انعطاف پذیرتر و مانورپذیرتر بود و توانست تا حدود 800 متر پرواز کند. گاسامر کوندور درنهایت موفق شد تا جایزه جامعه هوانوردی انگلیس برای اولین پرواز کنترل شده و با ثبات با نیروی انسانی را از آن خود کند. با این حال هنوز فضای زیادی برای پیشرفت باقی بود. برای مثال در دهه 90(70 شمسی) دو برادر مدل ساز به صورت تجربی هواپیمایی ساختند با نام ایرگلاو( Airglow) که بال هایی انعطاف پذیر داشت و از ملخی که پشت کابین جای گرفته بود نیرو می گرفت. این نمونه( تصویر1) با رکورد بیش از 3/2 کیلومتر پرواز در عمل موفق ترین هواپیمای بال ثابتی است که تا به امروز طراحی شده و همچنان هم پرواز می کند.

ارنیتاپتر، پرواز با بال زدن

پرنده های کوچک مثل مرغ مگس خوار برای ماندن در هوا در تمام طول مدت پرواز در حال بال زدن با سرعت زیاد هستند. فشردن هوای بیشتری به سوی پایین نسبت به هوایی که به بالا می فشارند نیروی بالابر لازم برای شناور ماندن آنها را فراهم می کند. در مقیاس بزرگ اما خیلی مشکل است که آن قدر سریع بال زد تا بتوان نیروی کافی برای درهوا ماندن را تولید کرد. بال های بزرگ تر نیازمند نیروی پیشران هستند. مفهومی که در قالب هواپیما امروزه تحت عنوان ارنیتاپتر( هواپیما با بال پرنده مانند) شناخته می شود. ( واژه ارنیتاپتر در اصل از دو واژه یونانی orhis به معنی پرنده و pteron به مفهوم بال ساخته شده است. )
بال های پرندگان بزرگ علاوه بر حرکت به سوی بالا و پایین به سمت جلو و عقب نیز حرکت می کنند تا به این ترتیب نیروی پیشران اضافی برای پرواز را ایجاد کنند.
تا در ایکرت و چند تن از دوستانش به عنوان دانشجویان هوافضای دانشگاه تورنتو با استفاده از شبیه سازی کامپیوتری، هواپیمایی با نام اسنوبرد( پرنده برفی، تصویر2) طراحی کردند که هر دو بال آن به سوی بالا و پایین به اندازه 10 درجه حرکت می کرد. هواپیمای آنها پهنای بالی 32 متری داشت و برای سبکی از فیبر کربن و کولار ساخته شده بود. نیروی موردنیاز این هواپیمای 42کیلوگرمی را یک نفر با استفاده از یک مجموعه پدالی همانند آنهایی که در باشگاه های بدنسازی پیدا می شوند، تولید می کرد.
در دوم آگوست 2010( مرداد 91) جایی در اونتاریوی کانادا، ماشینی این هواپیما را روی میدانی مسطح کشید تا هواپیما به آرامی به پرواز درآمد. پس از توقف ماشین، رایکرت با استفاده از نیروی پاهای خود شروع به بال زدن کرد. او موفق شد با پرواز در ارتفاع 3/5 متری برای 19/3 ثانیه 144 متر را طی کند. این در نوع خود موفق ترین پرواز نامتعارف یک هواپیما از طریق بال زدن تا به امروز است.

هلی کوپتر، پرواز با ملخ

یک هلی کوپتر زمانی به پرواز درمی آید که پره های ملخ اصلی آن، هوا را آن قدر به پایین فشار می دهند که موجب کاهش فشار هوای بالای بالگرد و افزایش آن در زیر ملخ ها می شود. برخلاف هواپیما و دیگر هواگردهای معمولی. هلی کوپتر نمی تواند به نیروی پیشران تکیه کند. در نتیجه به پرواز درآوردن آن چالش به مراتب بزرگ تری به شمار می رود. هلی کوپتر در عین حال گشتاوری تولید می کند که می تواند ناپایداری جدی را در هدایت و تعادل آن به وجود آورد. تا به امروز چندین تیم مختلف تلاش کرده اند تا اثبات کنند می توان هواگردی را مانند هلی کوپتر اما با نیروی انسانی به پرواز درآورد. جایزه بالگرد با نیروی انسانی سیکروسکی یا اختصاراً جایزه سیکروسکی شاید مهم ترین انگیزه برای دعوت مبتکران برای ساخت چنین ایده ای است. جایزه ای به مبلغ 250 هزار دلار که از طرف بنیاد هلی کوپتر آمریکا برای یک هلی کوپتر با نیروی انسانی که دست کم 1 دقیقه در حداقل ارتفاع 3 متر در محیطی به مساحت 10 متر مربع شناور باشد داده می شود.
چندین ملخ کوچک نزدیک سطح زمین خیلی ساده تر از یک ملخ بزرگ می توانند هواگردی کوچک را از زمین بلند کنند. براین اساس تیمی از دانشگاه مریلند هلی کوپتری طراحی کرده اند با نام Gamerall( تصویر3) که چهار ملخ به پهنای 12/9 متر دارد که به یک سیستم انتقال نیروی دوچرخه مانند متصل است. آنها در عین حال یکدیگر را نیز بهتر متعادل می کنند. در ژوئن 2012/ خرداد 91 خلبانی روی صندلی این بالگرد مکانیکی نشست و موفق شد آن را برای 49/9ثانیه به اندازه 30 سانتی متر از زمین بلند کند.
نیل ساکی، مهندس هوافضا و طراح نخستین بالگردی که در 1989/ 1368 با نیروی انسانی به پرواز درآمد هم با یک طرح جدید با نام آپ ترن( upturn) بازگشته است. آپ ترن( تصویر4) بالگردی پدالی است که از ملخ یگانه ای به پهنای 2/5متر با چهار پره نیرو می گیرد. دو تا از این پره ها در انتهای خود پروانه های کوچکی دارند که به تعادل هواگرد کمک می کنند. هرکدام از پره ها همچنین یک سنسور برای شناسایی لرزش و بالچه ای کوچک برای بالانس کردن مجهزند. نرم افزار سایکی با تغییر زاویه فلپ ها این تعادل را به وجود می آورد. در ژوئن 2012/مرداد 1391 خلبانی توانست آپ ترن را به مدت 10 ثانیه تا ارتفاع 60سانتی متری بالا ببرد.
تنور رقابت البته همچنان گرم است. تاد رایکرت یکی از طراحان اصلی هواپیمای بال ثابت Snowbird به تازگی با گروهی جدید رسماً برای رقابت در جایزه بالگرد سال 2013 ثبت نام کرده است. او البته هنوز از طرح کامل بالگرد چهار ملخ یا کواد کوپتر خود رونمایی نکرده؛ در نتیجه هنوز معلوم نیست که طرح احتمالی او چه خواهد بود. تیم مریلند هم در عین حال همچنان در حال بهبود هواگرد طراحی شده تیم خود هستند و سایکی هم قصد دارد تا در آینده از خلبانی قوی تر استفاده کند.
درنهایت ما هم مطمئنیم که نیروی وزن زمین با تمام توانش در هر قدم با آرزوی این تیم ها خواهد جنگید تا زمانی که یکی از آنها بتوانند جاذبه را دست کم برای مدتی مغلوب کند.
منبع مقاله: دانستنیها، شماره 80.