The Impact of Aileron Design on Fuel Consumption and Emission Reduction

وصناعة الطيران تواجه ضغطاً شديداً لتقليل آثارها البيئية، بينما تركز الاهتمام كثيراً على الوقود والوقود البديلة، فإن الإطار الجوي نفسه، على وجه التحديد، الأجنحة وأسطح التحكم فيها، تُعطي فرصاً كبيرة لتحقيق مكاسب في الكفاءة، ومن بين هذه الأسطح، يؤدي الإيلرون دوراً معقداً بشكل مخادع، وغالباً ما يعتبر جهازاً بسيطاً لمراقبة التدحرج، ويؤثر تصميمه تأثيراً كبيراً على سحب الوقود الجوي واسته، واستهلاكه من الوقود، ويتحول في نهاية المطاف إلى الانبعاثات.

فهم (آيلورون) ووظيفتهم

إن الأيلرون مشرقة على أطراف كل جناح، وعادة ما تكون خارجاً من المزلاجات، وتتمثل مهمتهم الرئيسية في التحكم في التناوب الدائري للطائرات حول محورها الطويل الأجل، وعندما يحرك الطيار اليوران اليوران السيطرة أو العصيان، يتحول أحد الأيلرون إلى أعلى بينما يتدفق الآخر إلى أسفل.

الميكانيكيون والبيوت الجوية

فالقوى الهوائية على أيرون ممزق ليست بسيطة، فالأيلرون المُرتفعة المُحدَّدة يقلل من المقصف المحلي وزاوية الهجوم، ويقلل من المصعد، ويزيد أيضا من سحبه إلى ذلك القسم، وعلى العكس من ذلك، فإن التسارع الذي يُحدَّد إلى حد أدنى من التسارع، يزيد من سرعة الارتداد، بل ويزيد أيضا من السحب المستحث، وقد يؤدي إلى انفصال في التدفق، مما يؤدي إلى الحد من الفعالية.

الحل الكلاسيكي هو الـ(فريز آيرون) الذي يُنتج باختراع في العشرينات والذي تُحدث فيه الإنهيارات الرئيسية للـ(آيرون) التي ترتفع إلى أعلى أسفل سطح الجناح، مما يُحدث جراً إضافياً على الجناح المُتعطل لمواجهة اليوجات المناوئة.

Aileron Design and Aerodynamic Drag

فالدراج هو خصم كفاءة الوقود، إذ يجب على الطائرات التي تسافر أن تتغلب على جر الطفيليات (احتكاك الجلد، سحب الدخان، سحب الدخان) والسحب المستحث (السحب بسبب الرفع).

توزيع الدراج والحرف

ويولد السحب المحفز كمنتج ثانوي للرفع، ففي الجناح التقليدي، يؤدي الفرق في الضغط بين السطحين الأعلى والأدنى إلى تدفق سريع يؤدي إلى حدوث دودة، ترتبط بالسحب المستحث، وتقاس كفاءة الإنتاج بعامل الكفاءة في الإطالة، وكثيرا ما تؤدي الانكماشات التي تُحدث في اتجاه الرفع المحلي إلى انخفاض في الكفاءة وزيادة التدفق الناجم عن السحب.

تصميم الـ(آيرون) بعناية يمكن أن يقلل من هذه الخسائر، أحد النهجين هو استخدام نظام "الزجاجة الحديدية" حيث يمكن أن يُسحب (أليرون) بشكل متماثل خلال الرحلة البحرية لتقليل كواشف الجناح الفعالة أو لتعظيم توزيع الرفع على نطاق واسع

نوعية التنظيف السطحي

أيّ بروتوب أو ثغرة في سطح الجناح تزيد من جرّ الطفيليات، فالسلايين التقليديين لديهم ثغرات مُحدّدة، ومُنظمة للمُحرقة، وقوارير التحكم التي تُخلّص التدفق الجوي، وتُستخدم التصميمات الحديثة في فترات زمنية طويلة، وطول المُزدّات والمزلاجات المستمرة، مع خطوط الخلايا المختومة أو شبه المُمّة، لتقليل الثغرات، والتشييدات المُ المُ المُ الأكثر دقةً.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن شكل الأيلرون نفسه يهم، إذ قد يوفر قسم الأيلرون السميك قدرا أكبر من التشعب الهيكلي ولكنه يزيد من جره، كما أن الأيلرونات المتدنية المائلة التي تقل فيها نسبة السميك إلى الجواد عن 10 في المائة شائعة في الطائرات الثانوية العالية، كما أن سميك الحافة المتصاعدة يؤثر أيضا على الحافة؛ ويمكن أن تحقق الصناعة الحديثة الحوافات التي تبلغ رقعتها 0.5 ملم، مما يقل بدرجة كبيرة عن جر.

أثر استهلاك الوقود

ويتناسب استهلاك الوقود بشكل مباشر مع مجموع الجر المدمج على مسارات الطيران، ويمكن أن يؤدي انخفاض الجر بنسبة 1 في المائة إلى انخفاض بنسبة تتراوح بين 0.5 و0.7 في المائة تقريبا في حروق الوقود، حسب البعثة، ويساهم تحقيق الحد الأمثل من السحب من خلال عدة آليات.

تحديد كمية الآثار

وقد أظهرت الدراسات المتعلقة بطائرات النقل أن الجدولة المثلى للطائرات الاليرون (مثلا، فإن الانقسام الطفيف في السفينة " إيلورون " أثناء الرحلة البحرية لتحسين تحميل الطائرات) يمكن أن يقلل من الجر بنسبة تصل إلى 2 في المائة، مع انخفاض عدد ساعات الطيران الطفيلية من الثغرات المفقودة والأسطح الأكثر سلاسة، مما يؤدي إلى تحقيق وفورات في إجمالي الجر تبلغ 3.5 في المائة تقريبا بالنسبة لطائرة طويلة الأجل مثل جر الطائرة 777.

برنامج "ناسا" للطيران الهوائي الناشط الذي يتحكم بلوّية الجناح أثناء الرحلة يمكن أن يحسن الكفاءة، برنامج "ناسا" للطيران الناشط أثبت أن استخدام "آيرون" لإثارة اللوّية الجناحية المفضّلة، يمكن أن يخفض السحب بنسبة تصل إلى 4% في السرعة عبر المحيط، وقد أثرت هذه التكنولوجيا على تصميم "مدخلات "بوينغ 787" المُتُتُتُتُتُتُ" و"

الاعتبارات التشغيلية

مدخرات الوقود من تصميمات الـ(آيرون) ليست نظرية فحسب، فالخطوط الجوية التي تعتمد طائرات ذات أنظمة إيليرون المتقدمة تشهد تحسينات قابلة للقياس، على سبيل المثال، فإن شركة (آيبوس) للطائرات (A350 XWB) تُميز وظيفة (الآيرون) المُتعطلة، حيث تُجففّفُ الطائرات المُنقّحة 5-10 درجات خلال الرحلة البحرية لتحسين كفاءة الهواء في الجناح، وفقاً للطائرات الجوية،

وبالمثل، يستخدم نظام " بوينغ 737 ماكس " نظاماً محسناً لليرون يدمج مع الجناح الجديد للتكنولوجيا المتقدمة، ومن المقرر أن يوفر الأيلرون توزيعاً أمثل للمصعد عبر النطاق، ويقلل من الجر المسبب، ويزعم أن " شركة ماكس " لديها استهلاك أقل من الوقود لكل مقعد من " A320neo " ، مع تصميم الجناحين - بما في ذلك تشكيلة إيليرون - تؤدي دوراً رئيسياً.

خفض الانبعاثات

ويقلل استهلاك الوقود بصورة مباشرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وكل كيلوغرام من وقود الطائرات المحترقة ينتج حوالي 3.16 كيلوغراما من ثاني أكسيد الكربون، ويتفادى تخفيض قدره 000 1 لتر من الوقود سنويا لكل طائرة ما يقرب من 2.5 طن متري من ثاني أكسيد الكربون، ولكن الفوائد البيئية تمتد إلى ما يتجاوز ثاني أكسيد الكربون، كما يؤثر تصميم الأيلورون على انبعاثات أكسيد النيتروجين (NOx)، وخامات الجسيمات، وتكوين الموانات.

NOx and Contrails

إن تكوين النيتروز هو وظيفة من وظائف درجة حرارة الاحتراق والضغط، وفي حين أن تصميم الأيلرون لا يغير مباشرة دورة المحرك، فإن انخفاض حروق الوقود يعني تقليل الدافع اللازم لنفس درجة الحمولة، مما يسمح للمحرك بالعمل في درجات حرارة الاحتراق الأدنى، مما يقلل من إنتاج النيتروز، وبالإضافة إلى ذلك، فإن انخفاض الجر يُسمح بزيادة كفاءة التسلق، مما يقلل من الوقت الذي يُنفق في الطاقة العالية، مصدر آخر من مصادر النيتروز.

إن تشكيلة المضيق تتأثر بعادم محرك الطائرة وبظروف الغلاف الجوي المحيطة، ولكن الكفاءة الهوائية للجناح تؤثر على نسبة الرفع إلى الدراجة وصحبة الجر المسببة، وجناح أكثر كفاءة مع وجود أقصر من الاليونات المسببة للجراحة، مما قد يؤثر على خليط من العادم المحركي واستمرار تأثيرات السحب الأقل.

اعتبارات دورة الحياة

إن خفض الانبعاثات من تصميم الأيلرون يجب أن ينظر إليه على مدى دورة حياة الطائرة بأكملها، إنتاج نظم إيرون متقدمة ذات مواد ذكية أو محركات كهربائية قد يكون له أثر كربوني أعلى من النظم الميكانيكية البسيطة، ولكن بسبب طول العمر التشغيلي (20-30 سنة)، فإن وفورات الوقود تعوض عادة انبعاثات التصنيع خلال السنوات القليلة الأولى، كما أن الأيرونات المركبة توفر وفورات في الوزن، مما يزيد من تخفيض حروق الوقود والانبعاثات في جميع أنحاء حياة الطائرات.

التطورات التكنولوجية في تصميم الآيلرون

وقد شهد العقدان الماضيان تقدما ملحوظا في تكنولوجيا الأيلرون، مدفوعا بنظم الطيران بالزوارق، والمواد المتقدمة، وتحكم الهندسة.

Fly-by-Wire and Active Control

"الـ "إف بي دبليو" يسمح بـ "التحكم في القانون" على الوجه الأمثل "الذي يمكن أن يضبط "الـ "آيرون" للحد الأدنى من السحب عبر جميع مراحل الطيران

إن مشروع هياكل الطائرات الذكية الذكية الذكية الذكية، الذي يموله الاتحاد الأوروبي، أثبت وجود حافة تكيفية ذات بشرة مرنة يمكن أن تغير شكل الـ(آيلورون) باستمرار، وهذا يتيح أداءً مثالياً في كل عدد من علامات الذكاء وزاوية هجوم ثابتة، مقارنةً بسحبها إلى 5 في المائة.

المواد وصنعها

البوليمرات المعززة من الألياف الكربونية أصبحت الآن معيارية على الطائرات الجديدة، وهي أخف وأكثر تضخماً وأكثر مقاومة للتآكل من الألومنيوم، مما يتيح أشكالاً أرق وأقوى من حيث الهوائية، كما أن التصنيع الإضافي (3Dطباع) يستخدم في مكونات صغيرة من الأيليرون، مما يقلل من الوزن وجزء من الوزن.

التكامل مع وينغلتس وقركلتز

وعادة ما يُضمّن جهازاً متحركاً من المناشف المتحركة أجنحة أو قرش يساعد على الحد من جرّة السحب بسبب كسر دودة العجلات، ويجب أن يُدمج تصميم الأيلرون مع هذه الأجهزة لتجنب التدخل، وبعض التصميمات، مثل جناح تكنولوجيا المزيّد (Being 737) المتطورة، التي تُعدّ على متنها منطقة الجناحين.

التحديات والمفاضلات

وعلى الرغم من الفوائد الواضحة، فإن تحسين تصميم الأيلرون ينطوي على تحديات، فالضعف والتعقيد والتكلفة والاعتماد عوامل رئيسية، إذ تتطلب نظم الأيرون النشطة مزيدا من المُلَكِّمين والمجسِّسات والتحكم في الحواسيب، مما يزيد من مطالب الوزن والصيانة، وتعني متطلبات الموثوقية للنظم الجوية الحرجة أن أي آلية جديدة للسيرون يجب أن تخضع لفحص واسع النطاق، وكثيرا ما تزيد من وقت التنمية.

بالإضافة إلى ذلك، فإنّ المُسلّحات التكيّفية التي تستخدم الجلد المرنّة تواجه مشاكل ذات قابلية للدوام والإجهاد، يجب أن يكون الجلد قادراً على التحلل بشكل متكرر دون كسر أو فقدان سلاسة السطح، المواد مثل الجلد المُشرّع أو الجلد المُزدّد، تمّ اختبارها، ولكنّها لم تُصدّق بعد على استخدامها تجارياً، إنّ التداول بين الفوائد الهوائية ووزن على النظام،

وتشترط سلطات التصديق، مثل وكالة الطيران الاتحادية ووكالة المحاسبة الدولية، أن توفر أسطح المراقبة سلطة رقابة كافية في جميع ظروف الطيران، بما في ذلك حالات فشل النظام، وقد حد ذلك تاريخيا من اعتماد جداول زمنية أسيرية عالية التفاؤل لأن الإخفاقات يمكن أن تؤدي إلى قوى غير متماثلة، وقد عالجت النظم الحديثة من القوات المسلحة التي لديها مكتظات زائدة وقوانين لمراقبة المنشقين، إلى حد كبير هذه الشواغل، ولكن التصديق لا يزال عملية طويلة.

الاتجاهات المستقبلية

الحدود التالية في تصميم الأيلرون هي مفهوم "جناح الثوران" الذي يمكن فيه لسطح الجناح بأكمله أن يتغير بشكله الأمثل لأي حالة طيران، سيصبح (آيلورونز) جزءاً من حافة مستمرة لتغيير الشكل، ويمول (ناسا) و(داربا) البحث في هياكل أجنحة ملهمة بيولوجياً تريش الطيور الميكنة، مما يسمح بتغيير الكامبر في مراحلهون البحرية،

وثمة اتجاه آخر هو إدماج مراقبة الأيلرون مع انتشار الصواريخ الكهربائية الموزعة، وفي طائرة هيبريه أو جميع العجلات، يمكن استخدام المحركات لخلق دفعة متمايزة لضبط الدوافع، مما قد يقلل أو يزيل الحاجة إلى السكك الحديدية التقليدية، مما سيبسط الجناح ويقلل من الجر والوزن، ولكنه يتطلب أجهزة إلكترونية متقدمة للكهرباء ونظما للبطارية.

وأخيرا، فإن قواعد البيانات والتعلم الآلي المفتوحة المصدر تتيح تحقيق التصاميم على الاليرون على نحو سريع، ويمكن للمهندسين الآن أن يديروا آلاف المحاكاة التي تقوم بها إدارة الطيران المدني لإيجاد أشكال إيلورون تقلل إلى أدنى حد من السحب عبر موجز للبعثة، وهذه الأساليب الحاسوبية أصبحت معيارية في الصناعة، مما يؤدي إلى تصميمات لليلورون أكثر كفاءة من تلك التي يتم تطويرها من خلال اختبار النفق الريحي وحده.

خاتمة

إن تصميم الأيلرون عامل حاسم ولكنه كثيرا ما يغفل في كفاءة وقود الطائرات وخفض الانبعاثات، فمن أوائل جزر فريسي الأيلرون إلى نظم حديثة ذات قدرات تكيفية، فإن كل تحسن يقلل من جرّه، ويخفض استهلاكه من الوقود، ويخفض انبعاثات غازات الدفيئة، وسيستمر دافع صناعة الطيران نحو الاستدامة في دفع حدود تكنولوجيا الأيلرون، ودعم الانتقال إلى رحلات جوية أنظف.