تويت
الطوافة
الطوافة hovercraft مركبة تستعمل براً وبحراً وفق شروط، ولأهداف معينة مدنية وعسكرية، تعمل على مبدأ الوسادة الهوائية، إذ يتم توليد كمية كبيرة من الهواء يزيد ضغطها على الضغط الجوي بوساطة مجموعة توليد (محركات ومراوح). يستخدم نحو ثلث كمية الهواء لرفع الطوافة عن الأرض ويستخدم الثلثان الباقيان لدفعها نحو الأمام، وهناك منظومات تصميمية عدة مختلفة تفصل الدفع عن الرفع. يكون هواء الرفع محصوراً بين قاع الطوافة وحواجز جانبية مرنة والأرض حسب التصميم المتبع وتدعى المسافة بين قاع الطوافة والأرض مسافة التسريب (h) intervalle de fuite أو ارتفاع التطويف وهي من المواصفات الأساسية للطوافة، ويعوض الهواء المتسرب دوماً عن طريق مجموعة توليد للهواء.
توجد الطوافة في بلدان كثيرة، وتستخدم في المجالين المدني (النقل، الرياضة، السياحة، الانقاذ، مراقبة الشواطئ وغيرها) والعسكري (إنزال القوات، الدفاع، التموين، التمويه، المباغتة) ويكفي الإشارة إلى قدرتها على اختراق الشواطئ من البحر والتوغل في الأعماق بغتةً وسريع، أو الانطلاق من البر إلى البحر بسرعة نحو أي هدف عسكري حيث يطول الحديث عن المهام المدهشة التي يمكن أن تؤديها الطوافة.
لمحة تاريخية
كانت أول طوافة ذات وسادة هوائية بحرية في بريطانيا عام 1959، من نموذجSRN1 وزنها 4طن وارتفاع تسريب الهواء 0.3م، تولى الإشراف على صنعها المهندس كريستوف كوكريل. وقد قامت هذه الطوافة بأول رحلة لها عبر قناة المانش، ولفت نجاحها أنظار أقطاب الصناعة في بريطانيا وأوربا، ووفر الدعامة الأولى لنجاح المشروع وتطويره (الشكل 1).
صنع في عام 1962 النموذج الثاني للطوافة SRN2 وبلغ وزنه 27طناً وسرعته 70عقدة ويحمل 70راكباً. وفي عام 1989 أنتجت شركة هوفركرافت البريطانية British Hovercraft طوافة عسكرية ضخمة BH7طولها31م وعرضها15م ووزنها الإجمالي 100طن وزودت بأسلحة مختلفة (الشكل 2) استخدم في هذه الطوافة محرك عنفي استطاعته 6000حصان، ومروحة هوائية بأربع شفرات للدفع, ومروحة طاردة مركزية بـ 12شفرة للرفع.
أنتجت فرنسا أولى طوافاتها عام 1962(تيربلان Bc-4-Terplane) وكانت أول طوافة في العالم تستطيع رفع حمولة كبيرة. ثم توالت النماذج Bc-7 Bc-6، مع تطويرها دوماً حتى أنتجت حديثاً طوافة عملاقة N -300 تعمل على خطوط بحر المانش وخطوط كورسيكا وطولها 53م وعرضها 23م وتحـمل 400مســافر و 55سيارة، وتتنقل بسرعة 100كم/سا. أما وزنها مع الحمولة فيبلغ 265طناً، وتستخدم أكبر محرك في العالم استطاعته16000حصان، وللوسادة الهوائية 48حجرة مرنة مستقلة الواحدة عن الأخرى (الشكل 3).
كذلك شاركت دول متقدمة أخرى في تحقيق إنجازات مماثلة، منها روسيا الاتحادية التي أنتجت الطوافة زرنيتساZernitsa عام 1972 ومركبة GUS العسكرية عام 1979 (الشكل 4) وقد صنعت من المعادن الخفيفة.
الوسادة الهوائية
راودت هذه الفكرة الفيزيائيين قديماً، ولم تتوافر إمكانيات تطبيقها إلا حديثاً بسبب تقدم التقانة، ويتلخص مبدأ الوسادة الهوائية بتحقيق التوازن بين الوزن الكلي للطوافة (Fe) والقوة الرافعة الناتجة من ضغط الهواء تحتها F أي:
Fe = F
تؤثر القوة الرافعة F في السطح الأفقي للطوافة A نتيجة الضغط الزائد والمساوي الفرقَ بين ضغط الهواء Pc الذي تولده محركاتها والضغط الجوي Pa أي:
F =(Pc-Pa) A
وتكون قيمة الضغط الزائد Pc - Paضعيفة جداً.
إذا كانت كتلة الهواء المتدفقة Q في واحدة الزمن، وسرعة تسرب الهواء V فتكون كمية الحركة مساوية Q.V والقدرة الصافية للرفع
Ps = 1/2Q.V2
إن معامل تضخيم الدفع في الطوافة φيساوي φ = F/QV ويتناسب عكساً مع الارتفاع النسبي للتسريب h/D حيث:
h ارتفاع التسريب، D قطر الطوافة.
أي φ (h/D) = C حيث C ثابت يمثل تزايد قوة الطوافة وقيمته، ويتعلق بطرائق إنجاز الوسادة.
وهناك نماذج عدة للوسادة الهوائية ولكنّ النموذجين الأكثر شيوعاً هما:
أ ـ النموذج ذو الناقوس (أو الحجرة المليئة) وهو إنجاز فرنسي (الشكل 7ـ أ)، ويكون فيه هواء الرفع مضغوطاً في حجرة على شكل ناقوس، ويتسرب من المسافة بين أسفل الناقوس والأرض h ويتميز هذا النموذج بضخامة حجم الهواء الضائع.
ب ـ النموذج المحيطي: وهو إنجاز إنكليزي (الشكل 7ـ ب) ويكون فيه هواء الرفع موزعاً نحو الداخل بوساطة فتحة دائرية موضوعة حول الناقلة وتنتشر بعد ذلك نحو الخارج لتلامس الأرض ويتميز هذا النموذج بانخفاض الاستطاعة اللازمة لتوليد الهواء المضغوط نسبياً.
الخواص الرئيسة للطوافة: وهي ثلاثة عناصر أساسية: الضغط والاستطاعة والتعليق.
أ ـ الضغط: إن القوة الحاملة للوسادة الهوائية تساوي الضغط مضروباً في مساحة الوسادة، أي لا يتعلق الضغط إلا بالوزن و المساحة وليس بالضاغط (مولد الهواء). ومهما كان نموذج الوسادة الهوائية فإن الضغط الممارس على الأرض يكون ضعيفاً جداً، ولايزيد على 500كغ/م2. وهذه القيمة أصغر بنحو 50 إلى 100مرة من ضغط إطارات الشاحنة على الأرض، وأقل بـ 20مرة من ضغط القدم البشرية على الأرض.
ب ـ الاستطاعة: لما كان من الضروري تغذية الوسادة الهوائية للطوافة بالهواء المضغوط دوماً، فهذا يتطلب صرف طاقة في أثناء التوقف كما في الحركة، ولذا من المستحسن استخدام الطوافات ذات السرعات الكبيرة. تتناسب الطاقة اللازمة طرداً مع تدفق الهواء إلى المحيط في حين تزداد القوة الحاملة بازدياد المساحة. وعليه فإن الوسادة الهوائية اقتصادية بقدر ما تكون كبيرة، وتعد الطوافات ذات الأبعاد الكبيرة أكثر مردوداً من الصغيرة.
تحاط جدران الطوافة بحجرات مرنة، وهي عبارة عن حواجز لدنة من نسيج نايلون لدن neoprene-nylon ذي مقاومة كافية، قادر على احتواء الهواء تحت الضغط، ومرن إلى درجة كافية بحيث يتغير شكله تبعاً للعوائق (الأجسام الصلبة أو الأمواج). وعامة إن الاستطاعة الضرورية تتعلق بارتفاع التسريبh.
جـ ـ التعليق: إن الوسادة الهوائية هي في حد ذاتها عنصر تعليق. أما الكتلة غير المعلقة هنا فهي هواء الوسادة، وهي ضعيفة جداً أمام الكتلة الكلية، وهذا ما يمكنها من متابعة تضاريس الأرض بسرعة كبيرة, ويقال تقنياً إن ترددها الخاص مرتفع القيمة.
الأجزاء الرئيسية للطوافة
ويمكن تقسيمها إلى: الهيكل والمراوح والحجرات المرنة والمحركات (الشكل 8).
الهيكل: يجب الإشارة هنا إلى ضرورة استخدام المواد المعدنية الخفيفة. وبازدياد تطور صناعة البتروكيمياويات، زاد الميل إلى استخدام المواد المركبة كالألياف الزجاجيةfiberglass وغيرها.
المراوح: إن الاختيار الصحيح للمراوح يرفع المردود ويحسن الأداء، لذا فاختيار نوع المروحة وقطر ها اختياراً صحيحاً مهم جداً ويماثله اختيار الدورة الصحيحة للمحرك لتطوير قوة دفع جيدة. فكلما زاد قطر المروحة زادت قوة الدفع ولكن المراوح الكبيرة تحتاج إلى واقيات وحوامل كبيرة وثقيلة، وإلى نسب تخفيض سرعة عالية جداً من أجل دورة المحرك المناسبة.
الحجرات المرنة: استطاع المهندس الفرنسي جان بيرتان Jean Bertin تغيير مفهومي ارتفاع التسريب h وارتفاع العقباتH جذرياً، وذلك بابتكاره الستارة المرنة jupe souple التي يتغير شكلها تبعاً للعقبات التي تواجه الطوافة.
إن الحجرات المرنة هي سواتر مرنة تصنع من نسيج نايلون مرن غالباً ذي مقاومة كافية للهواء المحصور تحت الضغط، ومرونته كافية بحيث يتغير تبعاً للعوائق سواءً كانت أجساماً صلبة أم أمواجاً، كما يجب أن يكون هذا النسيج كاتماً للماء والهواء وذا مقاومة عالية للاهتراء.
إن المواصفات العامة التي تميز هذا النوع من القماش الخاص هي: وزن المتر المربع، مقاومة الاحتكاك الجاف والرطب، نفوذ الماء والهواء، الانحلال بالبنزين، درجة اللمعان والإضاءة، مقاومة التمدد والتمزق، مقاومة الحرارة والبرودة، سرعة الاشتعال، مقاومة الماء وسوائل التنظيف مثل الزيوت والمحروقات.
المحركات: مما لاشك فيه أن عملية اختيار المحرك المناسب للطوافة البرمائية مرحلة شاقة وصعبة، فليس هناك ما يؤكد صلاحية محرك معين، يمكن استخدامه مباشرة. لقد استخدمت دول وشركات مصنعة كثيرة محركات بأنواع مختلفة فكانت النتائج التجريبية الخاصة هي مقياس الصلاحية الوحيد.
إن أهم المواصفات المثالية للمحرك هي:
ـ أن يكون ذا استطاعة وعزم كافيين لتدوير المراوح حسب عدد الدورات المطلوب.
ـ أن يكون خفيف الوزن ما أمكن
ـ ألا يسبب اهتزازات كبيرة تؤثر في توازن الطوافة وفي مجموعة نقل الحركة.
ـ ألا يصدر عنه ضجيج مرتفع أو له على الأقل كاتمات صوت مناسبة.
ـ أن تكون طريقة تبريده سهلة.
ـ أن يكون استهلاكه من الوقود أقل مايمكن.
ـ أن يكون سهل التركيب والصيانة والإصلاح.
ـ أن يكون رخيص الثمن.
ـ أن تتوافر قطعه التبديلي
معتز جاويش
الطوافة hovercraft مركبة تستعمل براً وبحراً وفق شروط، ولأهداف معينة مدنية وعسكرية، تعمل على مبدأ الوسادة الهوائية، إذ يتم توليد كمية كبيرة من الهواء يزيد ضغطها على الضغط الجوي بوساطة مجموعة توليد (محركات ومراوح). يستخدم نحو ثلث كمية الهواء لرفع الطوافة عن الأرض ويستخدم الثلثان الباقيان لدفعها نحو الأمام، وهناك منظومات تصميمية عدة مختلفة تفصل الدفع عن الرفع. يكون هواء الرفع محصوراً بين قاع الطوافة وحواجز جانبية مرنة والأرض حسب التصميم المتبع وتدعى المسافة بين قاع الطوافة والأرض مسافة التسريب (h) intervalle de fuite أو ارتفاع التطويف وهي من المواصفات الأساسية للطوافة، ويعوض الهواء المتسرب دوماً عن طريق مجموعة توليد للهواء.
توجد الطوافة في بلدان كثيرة، وتستخدم في المجالين المدني (النقل، الرياضة، السياحة، الانقاذ، مراقبة الشواطئ وغيرها) والعسكري (إنزال القوات، الدفاع، التموين، التمويه، المباغتة) ويكفي الإشارة إلى قدرتها على اختراق الشواطئ من البحر والتوغل في الأعماق بغتةً وسريع، أو الانطلاق من البر إلى البحر بسرعة نحو أي هدف عسكري حيث يطول الحديث عن المهام المدهشة التي يمكن أن تؤديها الطوافة.
لمحة تاريخية
 |
| الشكل (1) |
صنع في عام 1962 النموذج الثاني للطوافة SRN2 وبلغ وزنه 27طناً وسرعته 70عقدة ويحمل 70راكباً. وفي عام 1989 أنتجت شركة هوفركرافت البريطانية British Hovercraft طوافة عسكرية ضخمة BH7طولها31م وعرضها15م ووزنها الإجمالي 100طن وزودت بأسلحة مختلفة (الشكل 2) استخدم في هذه الطوافة محرك عنفي استطاعته 6000حصان، ومروحة هوائية بأربع شفرات للدفع, ومروحة طاردة مركزية بـ 12شفرة للرفع.
 |
| الشكل (2) |
كذلك شاركت دول متقدمة أخرى في تحقيق إنجازات مماثلة، منها روسيا الاتحادية التي أنتجت الطوافة زرنيتساZernitsa عام 1972 ومركبة GUS العسكرية عام 1979 (الشكل 4) وقد صنعت من المعادن الخفيفة.
 |
| الشكل (3) |
 |
| الشكل (4) |
راودت هذه الفكرة الفيزيائيين قديماً، ولم تتوافر إمكانيات تطبيقها إلا حديثاً بسبب تقدم التقانة، ويتلخص مبدأ الوسادة الهوائية بتحقيق التوازن بين الوزن الكلي للطوافة (Fe) والقوة الرافعة الناتجة من ضغط الهواء تحتها F أي:
Fe = F
تؤثر القوة الرافعة F في السطح الأفقي للطوافة A نتيجة الضغط الزائد والمساوي الفرقَ بين ضغط الهواء Pc الذي تولده محركاتها والضغط الجوي Pa أي:
F =(Pc-Pa) A
وتكون قيمة الضغط الزائد Pc - Paضعيفة جداً.
إذا كانت كتلة الهواء المتدفقة Q في واحدة الزمن، وسرعة تسرب الهواء V فتكون كمية الحركة مساوية Q.V والقدرة الصافية للرفع
Ps = 1/2Q.V2
إن معامل تضخيم الدفع في الطوافة φيساوي φ = F/QV ويتناسب عكساً مع الارتفاع النسبي للتسريب h/D حيث:
h ارتفاع التسريب، D قطر الطوافة.
أي φ (h/D) = C حيث C ثابت يمثل تزايد قوة الطوافة وقيمته، ويتعلق بطرائق إنجاز الوسادة.
وهناك نماذج عدة للوسادة الهوائية ولكنّ النموذجين الأكثر شيوعاً هما:
أ ـ النموذج ذو الناقوس (أو الحجرة المليئة) وهو إنجاز فرنسي (الشكل 7ـ أ)، ويكون فيه هواء الرفع مضغوطاً في حجرة على شكل ناقوس، ويتسرب من المسافة بين أسفل الناقوس والأرض h ويتميز هذا النموذج بضخامة حجم الهواء الضائع.
ب ـ النموذج المحيطي: وهو إنجاز إنكليزي (الشكل 7ـ ب) ويكون فيه هواء الرفع موزعاً نحو الداخل بوساطة فتحة دائرية موضوعة حول الناقلة وتنتشر بعد ذلك نحو الخارج لتلامس الأرض ويتميز هذا النموذج بانخفاض الاستطاعة اللازمة لتوليد الهواء المضغوط نسبياً.
 |
 |
| الشكل (5ـ أ) طوافة صينية طراز Maric | الشكل (5ـ ب) طوافة استرالية طراز AP188 |
أ ـ الضغط: إن القوة الحاملة للوسادة الهوائية تساوي الضغط مضروباً في مساحة الوسادة، أي لا يتعلق الضغط إلا بالوزن و المساحة وليس بالضاغط (مولد الهواء). ومهما كان نموذج الوسادة الهوائية فإن الضغط الممارس على الأرض يكون ضعيفاً جداً، ولايزيد على 500كغ/م2. وهذه القيمة أصغر بنحو 50 إلى 100مرة من ضغط إطارات الشاحنة على الأرض، وأقل بـ 20مرة من ضغط القدم البشرية على الأرض.
 |
| الشكل (6) طوافة عسكرية أمريكية حاملة دباباتLCAC-1 |
 |
| الشكل (7) |
تحاط جدران الطوافة بحجرات مرنة، وهي عبارة عن حواجز لدنة من نسيج نايلون لدن neoprene-nylon ذي مقاومة كافية، قادر على احتواء الهواء تحت الضغط، ومرن إلى درجة كافية بحيث يتغير شكله تبعاً للعوائق (الأجسام الصلبة أو الأمواج). وعامة إن الاستطاعة الضرورية تتعلق بارتفاع التسريبh.
جـ ـ التعليق: إن الوسادة الهوائية هي في حد ذاتها عنصر تعليق. أما الكتلة غير المعلقة هنا فهي هواء الوسادة، وهي ضعيفة جداً أمام الكتلة الكلية، وهذا ما يمكنها من متابعة تضاريس الأرض بسرعة كبيرة, ويقال تقنياً إن ترددها الخاص مرتفع القيمة.
الأجزاء الرئيسية للطوافة
ويمكن تقسيمها إلى: الهيكل والمراوح والحجرات المرنة والمحركات (الشكل 8).
الهيكل: يجب الإشارة هنا إلى ضرورة استخدام المواد المعدنية الخفيفة. وبازدياد تطور صناعة البتروكيمياويات، زاد الميل إلى استخدام المواد المركبة كالألياف الزجاجيةfiberglass وغيرها.
المراوح: إن الاختيار الصحيح للمراوح يرفع المردود ويحسن الأداء، لذا فاختيار نوع المروحة وقطر ها اختياراً صحيحاً مهم جداً ويماثله اختيار الدورة الصحيحة للمحرك لتطوير قوة دفع جيدة. فكلما زاد قطر المروحة زادت قوة الدفع ولكن المراوح الكبيرة تحتاج إلى واقيات وحوامل كبيرة وثقيلة، وإلى نسب تخفيض سرعة عالية جداً من أجل دورة المحرك المناسبة.
 |
| الشكل (8) رسم مقطعي يبين أجزاء الطوافة |
إن الحجرات المرنة هي سواتر مرنة تصنع من نسيج نايلون مرن غالباً ذي مقاومة كافية للهواء المحصور تحت الضغط، ومرونته كافية بحيث يتغير تبعاً للعوائق سواءً كانت أجساماً صلبة أم أمواجاً، كما يجب أن يكون هذا النسيج كاتماً للماء والهواء وذا مقاومة عالية للاهتراء.
إن المواصفات العامة التي تميز هذا النوع من القماش الخاص هي: وزن المتر المربع، مقاومة الاحتكاك الجاف والرطب، نفوذ الماء والهواء، الانحلال بالبنزين، درجة اللمعان والإضاءة، مقاومة التمدد والتمزق، مقاومة الحرارة والبرودة، سرعة الاشتعال، مقاومة الماء وسوائل التنظيف مثل الزيوت والمحروقات.
المحركات: مما لاشك فيه أن عملية اختيار المحرك المناسب للطوافة البرمائية مرحلة شاقة وصعبة، فليس هناك ما يؤكد صلاحية محرك معين، يمكن استخدامه مباشرة. لقد استخدمت دول وشركات مصنعة كثيرة محركات بأنواع مختلفة فكانت النتائج التجريبية الخاصة هي مقياس الصلاحية الوحيد.
إن أهم المواصفات المثالية للمحرك هي:
ـ أن يكون ذا استطاعة وعزم كافيين لتدوير المراوح حسب عدد الدورات المطلوب.
ـ أن يكون خفيف الوزن ما أمكن
ـ ألا يسبب اهتزازات كبيرة تؤثر في توازن الطوافة وفي مجموعة نقل الحركة.
ـ ألا يصدر عنه ضجيج مرتفع أو له على الأقل كاتمات صوت مناسبة.
ـ أن تكون طريقة تبريده سهلة.
ـ أن يكون استهلاكه من الوقود أقل مايمكن.
ـ أن يكون سهل التركيب والصيانة والإصلاح.
ـ أن يكون رخيص الثمن.
ـ أن تتوافر قطعه التبديلي
معتز جاويش