Table of Contents

تطور الأيرونات: من الروابط الميكانيكية إلى Fly-by-Wire

وقد كان الأيلرون حجر الزاوية في مراقبة حركة الطائرات منذ الأيام الأولى للطيران، حيث تعتمد التصميمات التقليدية على الكابلات الميكانيكية، والزهور، والمكتظات الهيدروليكية لفك هذه الأسطح، وفي طائرة تقليدية، عندما ينقل الطيار اليوران اليوران السائل، فإن نظام الكابلات والسحب ينقل القيادة إلى الاليونات، ويظل معززو الصيانة الوبائية يخفضون من قوة الضغط.

إن الانتقال إلى الطائرات الكهربائية والهجينة يتطلب إعادة التفكير في كل نظام فرعي، فالأليرون لا يشكل استثناء، بل يجب أن يعملوا على نحو أدق، وأن يكون استهلاك الطاقة أقل، وأن يدمجوا بدرجة أكبر في حواسيب الطيران التي تدير مراقبة الطيران وتوزيع الطاقة، ويُعتبر فهم كيفية ملاءمة الأنهار في النظام الإيكولوجي لإدارة الطاقة أمرا أساسيا للمهندسين الذين يصممون الجيل القادم من الطائرات المستدامة.

أساسيات الأيرون الأيروديناميكات ومراقبتها

كيف يخلق (آيلورون) حركة متحركة

أما الأيلرون فهي سطح مشرقة مثبتة على الطرف الخارجي لكل جناح، وعندما يُنعكس مسارها غير المتناظر، فإن الجانب الآخر من هذه الطائرات يغير توزيع المصعد عبر الجناحين، ويقلل حجم الأيرون المسمى بالرفع من ذلك الجناح، بينما يزيد حجم الطائرة المخفضة المرفوعة من حيث الحجم.

وفي الطائرات التقليدية، يتطلب الحفاظ على الرحلات المنسقة أثناء التحول استخداما متزامنا للطائرات الاليرونة والرودر والمصعد، ويبدأ الشاحنات في تشغيل الدفتر، ويواجه الراكب الضاري (الضربة الطفيفة في الاتجاه المعاكس للدحرج)، ويصبح المصعد أكثر صعوبة عندما يستحدث الدفع الكهربائي تغييرات سريعة في الضغط أو عندما يؤثر بطارية الشحن على توافر الطاقة لأغراض السيطرة على السطح.

الياو العكسي وآثاره على الطائرات الكهربائية

إن الثوران العكسي هو اتجاه طائرة إلى السحب في الاتجاه المعاكس لدفة، إذ أن الـ (أيلرون) المخفضة المدفونة يخلق جرا أكبر من جهاز الطاقة المتطورة، وفي طائرة تقليدية، يعوض السجاد، وفي الطائرات الكهربائية التي توزع على محركات كهربائية صغيرة تعمل على طول خط القاع، يمكن التخفيف جزئيا من قوة الدفع الرئيسية غير الضرورية، ولكن لا بد من أن يُخفف من قوة الدفع الرئيسية.

تحديات إدارة الطاقة الخاصة بالطائرات الكهربائية والطائرات الهجينة

توزيع القروض وتوزيع الأولويات

وعلى عكس محرك توربيني يوفر ضغطاً على الدفع والضغط الهيدروليكي، يجب أن يخصص جهاز كهربائي للطاقة الكهربائية بين أجهزة الدفع، والفيزياء، والمراقبة البيئية، ومحركات التحكم في الطيران، وفي المراحل الحرجة مثل الإقلاع أو الاضطرابات، يجب أن يُمنح جهاز لاصق الكهرباء الأولوية لإدارة الضغط على البطاريات المحدودة.

وتزيد البنايات الهجينة تعقيدا: قد يوفر المسبب للاضطرابات طاقة أساسية بينما توفر البطاريات طلبات ذروة، ويجب على نظام إدارة المباني أن يقرر متى يسحب من البطاريات مقابل المولد، وكيفية معالجة الطفرة العابرة عندما يحتاج الأيلرون إلى انكماشات سريعة وكبيرة، ويسود الاستقرار في التصعيد وحماية الحافلات، وقد يؤدي انخفاض الحد الأدنى من حجم المحرقة إلى تدهور سلطة التحكم أو تفكك النظام.

الإدارة الحرارية للمنشطين الكهربائيين

وتولد الملاجئ الكهربائية (الكهربائية أو الكهرمائية) الحرارة أثناء التشغيل، وخلافا للنظم الهيدروليكية التي تنقل السوائل إلى مبادلات حرارية مركزية، فإن الملاجئ الكهربائية تقع على حافة مقطوعة الأجنحة، حيث يمكن أن يكون تدفق الهواء المبرد محدودا، ويمكن أن تتجاوز معدلات المناورة العالية الجودة المحتملة القدرة الحرارية لهذه المحركات المسببة للفشل في التصميم، مما يؤدي إلى تفكك.

البطارية فولتاجية ورد المُضيّق

كما أن هناك قدرة مفاجئة على التسلق أثناء تسلق الكهرباء يمكن أن تتزامن مع نثر البطاريات، مما يقلل من حرارة المحركات الكهربائية الحديثة، وتستخدم أجهزة تحويل كهربائية ذات غطاء متحرك، ومراقبة جارية من حيث القدرة على الصعود إلى مواقع القيادة بغض النظر عن التقلبات، ولكن هناك حدوداً لمدى التحميلات.

استراتيجيات الرقابة على الطائرات الآيلرونية في الطائرات الكهربائية والطائرات الهجينة

مشغلو كهربائيون بأجهزة لقطع غيار

:: إن إعادة استخدام الأجهزة الهيدروليكية ذات المحركات الكهربائية تتيح مراقبة رقمية دقيقة، ويحتوي كل ملجأ على محرك وقطار للعتاد ومجس للوضع (مثلاً، المصمم أو الـ (LVDT) وجهاز مراقبة محلي، ويرسل جهاز التحكم في الطيران موقعاً قيادياً، ويستخدم المشغل حلقة PID للوصول إلى هذا الموقع بسرعة ويحمله على حمولات من الترددات المنخفضة.

Distributed Power Management and Energy Allocation

في طائرة موزعة للدفع الكهربائي، توجد عدة محركات صغيرة على طول الطرف الأمامي للجناح، ويمكن استخدام هذه المحركات لزيادة التحكم في اللفائف عن طريق تقنية الدافع المتمايزة المعروفة باسم " اللفة الخاضعة للمراقبة الاستفزازية " ، ويمكن أن يخلط حاسوب مراقبة الطيران بين الانزلاق الالي الحديدية والتمزق الحركي للحد من متطلبات سلطة الحاسبة، مما يوفر طاقة متحركة، وهذا التآزر يتطلب استراتيجية مركزية لإدارة الطاقة الكهربائية.

  • Predictive load balancing:] The PMS forecasts coming aileron commands based on flight phase (takeoff, cruise, approach) and bat state, precharging actuator capacitors to reduce transient fls.
  • Priority arbitration:] Critical flight control actuators receive the highest priority current allocation, while non-essential systems (cabin lights, galley) may be temporarily shed.
  • Energy recuperation:] When an aileron is commanded toward a neutral position, the aerodynamic load can back-drive the actuator motor, generating electricity that recharges the bat. Regenerative braking in actuators is an emerging efficiency improvement.

النظم المتردية والتسامح الافتراضي

وكثيرا ما تعتمد الطائرات الكهربائية والهجينة هيكلا للطائرات بالزبابات بالزوايا مع زيادة ثلاثية أو رباعيا للمستشعرات والحواسيب والمكتظات، ويعني ذلك بالنسبة للآليلين وجود محركات متعددة للسطح أو تصميم للكميات المقسمة حيث يكون لكل مشعل قناة خاصة به، وإذا فشل أحد المحركات، فإن بقية المحركات يمكن أن توفر السيطرة الكافية.

استراتيجية رئيسية لإدارة الأخطاء هي "التردي المخلص" بدلاً من فقدان كل السيطرة على حركة السيارات، قد يخفض النظام حدود السفر في الـ(آيرون) أو يتحول إلى قانون رقابة ثانوي يعوض عن الارتداد والتوجه التفاضلي، ويحافظ هذا النهج على السلامة بينما يسمح بالطيران المستمر إلى مطار تحويل مساره.

Aileron Actuation Technologies in Modern Electric Aircraft

المشتغلون بالكهرباء الميكانيكية

تتكون أجهزة التصنيف من محرك كهربائي يقود مسامير كرة أو مسامير الكواكب لتحويل الدوار إلى حركة خطية، وهي كهربائية بالكامل، بدون سائل الهيدروليكي، وتوفر أجهزة التصنت الكهربائية درجة عالية من الموثوقية، وصيانتها المنخفضة، ودقة ممتازة في المواقع، وينعكس الارتداد الرئيسي فيها على تردد الحرارة تحت حمولات مستمرة، وبالنسبة للطائرات الصغيرة والمتوسطة الحجم، فإن أجهزة التصنيف الضوئية تستخدم في طائرات كهربائية المتوسطة لأنها يمكن أن تُصَّل في الجناح.

المشتغلون بالهيدروا

ويجمع الضخ بين مضخة هيدروليكية محلية يقودها محرك كهربائي مع جهاز إسطوانات هدرالية صغيرة، ولا تُستخدم المضخة إلا عندما تكون الحاجة إلى الحرق، مما يقلل استهلاك الطاقة مقارنة بالنظم الهيدروليكية المركزية التي تعمل باستمرار على تشغيل المضخات، وتوفر هذه المبيدات كثافة عالية من القوة ويمكنها معالجة الانكماشات الهزلية الكبيرة، وتستخدم في طائرات ذات كهرباء أكبر.

مشغلو النسيج والنسيج التذكاري للبحر (الشيخوخة)

ويتواصل البحث في مواد ذكية لاختلالات البيوت، إذ يقدم المُصوّرون الكهربية استجابة سريعة ودقيقة عالية ولكن محدودة، وأفضل طريقة لضربات ثلاثية أو تعديلات سطحية صغيرة، ويمكن لمُحرقي الذاكرة أن ينتجوا عن تلوينات كبيرة ذات قوة عالية عندما تسخن، ولكن أوقات التبريد تحد من نطاق الترددات، وقد تجد هذه التكنولوجيات تطبيقات مُثلة في المستقبل، ولا سيما بالنسبة للتغيرات السطحية.

Energy-Efficient Aileron Scheduling and Control Laws

Gain Scheduling Based on Flight Condition

:: قوانين الرقابة على الأيلرون تستخدم عادة جدولا زمنيا للربح: العلاقة بين مدخلات العصي التجريبية والتغيرات في انحراف الأيلرون مع سرعة الهواء والارتفاع، وفي الطائرات الكهربائية، يمكن أن تتضمن جداول زمنية للربح أيضا أحدث الشحنات والحدود الحرارية للسيارات، وعلى سبيل المثال، على مستويات البطاريات المنخفضة، يمكن لنظام المراقبة أن يقلل من معدلات التشريح القصوى أو الحد من زوايا الانحلال من أجل الحفاظ على الصفات الآمنة.

نموذج المراقبة الافتراضية لاستخدام الطاقة المنسق

وتتوقع المراقبة النموذجية للتنبؤ حالة الطائرة في المستقبل على أفق قصير وتحسب أفضل قيادة للطائرة التي تقلل من استهلاك الطاقة إلى أدنى حد مع تتبع نية الطيار، ويمكن للحركة أن تفسر رسم الطاقة الكهربائية، والحمولات الهوائية، والمناورات المقبلة، وتتطلب التنفيذات قوة حاسوبية كبيرة، ولكن التقدم في معدات الحواسيب الجوية يجعل من الممكن تطبيق نظام حماية المركبات الآلي للجيل القادم.

الرقابة التصحيحية على الأوضاع المتدهورة

وإذا أصبح الملجأ أقل كفاءة بسبب اللبس أو درجة الحرارة، فإن خوارزميات التحكم التكييفية يمكن أن تعدل الأوامر للحفاظ على الأداء دون تحميل المصباح أكثر من اللازم، وتتعلم هذه الخوارزميات الخصائص الحالية للموقوف في الوقت الحقيقي وتستكمل قانون الرقابة تبعا لذلك، وهذا أمر له قيمة خاصة بالنسبة للطائرات الهجينة الطويلة الأجل التي قد تحدث فيها تحلل عنصري على مدار ساعات طيران عديدة.

التكامل مع نظم إدارة الطيران والرحلات الجوية

ولا يُعزل نظام مراقبة الطيران، إذ يجب أن يتصل حاسوب مراقبة الطيران بوحدة إدارة الطاقة، ونظام إدارة البطاريات، ومراقبي السيارات، كما أن حافلة بيانات موحدة (مثلاً، ARINC 429، يمكن أن تُحافل أو مركبات جوية مرتكزة على الشبكة) تحمل أوامر ورسائل مركزية، وتُبلغ دائرة إدارة المباني عن وجود القوة والحدود الحالية ودرجة حرارة البطاريات، ثم يُضبط جهاز التحكم في الرحلات الجوية سلطة أو معدلاً احتياطياً من أجل البقاء في إطار الحد الأقصى.

وفي الطائرات المهجورة التي لديها جهاز كهرباء، قد يؤثر متحكم المولدات أيضا على أوامر إيليرون بصورة غير مباشرة، وإذا كان المولد يعمل في أقصى نقطة من الكفاءة، قد يطلب جهاز إدارة المباني تخفيضا طفيفا في نشاط الأيلرون لتجنب الانتقال إلى نقطة تشغيل أقل كفاءة، ولا يمكن لنظام مراقبة الطيران أن يقبل هذا الطلب إلا إذا لم تتعرض السلامة للخطر، باستخدام منطق يعطي الأولوية لمراقبة الكفاءة.

التطورات المستقبلية: رائحات المورفين، وآي، وتصوير لاسلكي

مورفينج ايلورونز و Wing Twist

وبدلا من أن تستخدم الطائرات الكهربائية الممزقة ذات الوجهات المتقطعة الجلدية للجنحة المتحركة التي تغير باستمرار الكامبر أو التلوي لدحرج التحكم، وتزيل هذه التصاميم الثغرات والثغرات، وتحسن كفاءة الهواء وتخفض الضوضاء، وتتكون المحركات الكهربائية (المواد الذكية أو صفائف الموزعة من طراز EMA) داخل هيكل الجناح، وتصبح إدارة الطاقة الكهربائية أكثر تعقيدا لأن عشرات من المشغلات المتجهة يجب أن تنسق لإنتاج ذروة.

الاستخبارات الفنية للتحكم الافتراضي

ويمكن أن تتعلم الخوارزميات من طراز AI السلوك التجريبي وأنماط الطيران لتوقعات أوامر الإيليرون، مثلاً أثناء نهج الهبوط، يمكن أن تنبأ المؤسسات الإصلاحية المتقاطعة المقبلة والمحاضرين قبل تنشيطها أو تخصيص القدرة على البطارية، كما تعزز المنظمة الكشف عن الأخطاء عن طريق تحليل التوقيعات الحالية للمنظمين وأنماط اليقظة للتنبؤ بالفشل الأولي.

تصوّر غير سلكي

ويقلل القضاء على الأسلاك من الوزن والبساطة من تركيب الجناحين، ويجري البحث في نقل الطاقة اللاسلكية والاتصالات بين محركات الصنع والملاذات الجناحين، ويمكن أن تؤدي الانقلابات الاسترشادية أو الطاقة اللاسلكية المتردية إلى توليد الطاقة، بينما يمكن للثورة اللاسلكية غير الموثوقة ذاتيا جدا أن تبث إشارات القيادة، بينما يتطلب إعادة التوحيد قنوات لاسلكية مستقلة متعددة.

الاعتبارات المتعلقة بإصدار الشهادات والتنظيم

وتشتمل عملية التصديق على نظم إيليرون في الطائرات الكهربائية على إثبات الامتثال لمعايير صلاحية الطيران (مثل CS-23، و CS-25، أو الجزء 23/25) وتشمل الشواغل الرئيسية التدخل الكهرومغناطيسي من المحركات ذات الطاقة العالية، ونوعية الطاقة البطارية، واحتواء الأخطاء، وضمان البرامجيات، ويجب أن تعالج قوانين الرقابة عمليات تحويل مسارات الفولط، وترشيحات المحركات، كما أن الكثير من الأجهزة التنظيمية تحتاج إلى أدلة غير قابلة للتفكيك.

ومن الأمثلة البارزة على ذلك التصديق على نظام بيبستريل فيليس إيلكيرو الذي يستخدم نظاماً للكهرباء الكهربائية الميكانيكية يُستخدم في البطارية الرئيسية، وقد خضعت الطائرة لفحص دقيق لأداء المُشغلين في إطار انخفاض حجم البطاريات والفشل المحاكا، وتُستدل من الدروس المستفادة من هذه الشهادات على تصميم مُرشدين كهربائيين أكبر.

الاستنتاج: الطريق إلى المتزوج، أكثر كفاءة،

وتتطور الأيرونات في الطائرات الكهربائية والهجينة من أسطح آلية بسيطة إلى نظم فرعية عالية التكامل وكثيفة البرمجيات، فإدارة الطاقة لم تعد دراسة بعدية - بل هي نظرة تصميمية من الدرجة الأولى تؤثر على اختيار المشغلين، وقوانين التحكم، والتصميم الحراري، والتسامح إزاء الأخطاء، فمع تحسن كثافة الطاقة في البطاريات وزيادة قدرة السيارات الكهربائية، ستستمر استراتيجيات الرقابة في التكيف، وزيادة الكفاءة.

ويجب على المهندسين أن يوازنوا بين المطالب المتضاربة بالاستجابة السريعة، وانخفاض استهلاك الطاقة، والتكرار القوي، والحلول التي ظهرت اليوم - إدارة الطاقة، والاختراع التجددي، والتحكم التنبؤي النموذجي، والتنبؤ المدعوم من قبل منظمة العفو الدولية - سوف تصبح معيارية في العقد القادم، ولكي تحقق صناعة الطيران أهدافها في مجال الاستدامة، يجب أن تكون كل نظام فرعي، بما في ذلك الأيرون المتواضع، أفضل من أجل الحقبة الكهربائية.

For further reading on electric flight control systems, see NASA’s electric aircraft research], the ]FAA guidance on electric aircraft certification], and the IEE paper on power management for flight control actuation.