وقد صممت شركات الطيران التجارية الحديثة لتعظيم كفاءة الوقود مع ضمان السلامة والراحة، ومن بين الابتكارات الرئيسية في تصميم الطائرات استخدام خطوط الطيران - اللافتية أو الزوايا في طرفي الأجنحة، وقد ركزت البحوث الأخيرة على كيفية تأثير قياسات هذه الجناح على اقتصاد الوقود، وهو أمر حاسم في الحد من تكاليف التشغيل والأثر البيئي.

فيزياء وينجتيب فورتيكيس و دراغ

لفهم كيف يؤثر الهندسة الجناحية على اقتصاد الوقود يجب أن يستوعب المرء أولاً الظواهر الهوائية التي تُصمم للتخفيف من: دودة الجناح، حيث يولد الجناح ارتفاعاً، الضغط الجوي على السطح السفلي أعلى من السطح الأعلى، وهذا الفرق في الضغط يتدفق حول الجناح، ويخلق تدفقاً متصاعداً،

فالطاقة التي فقدت في تكوين واستمرار هذه المظاهر المسببة للدراج المسببة للسحب ]، التي تمثل جزءا كبيرا من مجموع الجروح، ولا سيما أثناء الإقلاع والتسلق والمراحل المنخفضة السرعة، ويتوقف حجم وقوام الطفيليات على نطاق الجناح ونسبة الجانب الأطول والأجنحة الضيقة على زيادة الوزن.

وبوضع سطح عمودي أو متشابك في الجناح، تقطع الجنايات دوامة، وتنشر طاقتها على حجم أكبر من الهواء وتضعفه، كما يولد الجناح عنصره الصغير (قوة جانبية) الذي يمكن حله إلى عنصر دفعة للأمام، ويزيد من الحد من السحب الكلي، وتتوقف فعالية هذا التخفيف من الطيف على الارتفاع الأمثل لحجم الطائرة التي ترتفع فيها الطوابع.

تطور تصميم Winglet: From Whitcomb to Modern Scimitars

ويعود مفهوم الجنايات إلى السبعينات، عندما أجرى مهندس ناسا ريتشارد ويتكومب اختبارات للرياح تبين أن الأسطح الرأسية الصغيرة المصممة بعناية في الجناحين يمكن أن تقلل من الجر بنسبة 5-7 في المائة، وكانت عمليات التنفيذ المبكر بسيطة وعمودية، ولكن مع تقدم ديناميات السوائل المحسوبة واختبارات الريح، تعلم المصممون أن التكوينات المتحركة والمزدحمة يمكن أن تحقق مكاسب أكبر.

وقد استحدثت طائرات " بويينغ " في الثمانينات من القرن الماضي على متن الطائرة ٧٤٧-٤٠٠، تليها خط طويل من خيارات الاسترداد والإنتاج، وقد طورت شركة " إيربوس " متغيرها الخاص بها، وهو " أحذية " أطول وأكثر انحرافاً، واليوم، فإن أكثر التصميمات تقدماً - مثل الجناح المقسم على اتجاه " بوينغ ٧٣٧ " ، يُشكل من كل مواسير متعددة.

البارامترات الأرضية الرئيسية للجينغلات

ويمكن وصف الهندسة الجيولوجية للجناح بالعديد من المعايير المترابطة، ويمكن أن تؤثر التغييرات الصغيرة في أي منها تأثيرا عميقا على الحد من الجر الناجم عن ذلك، وخصائص التوقف، والأداء غير المصمم، وفيما يلي أهم التغييرات:

كانغ انجلي

وزاوية الكانت هي منحدر الجناح بعيدا عن المحور الرأسي، وتتراوح القيم النموذجية بين صفر درجة (خطية) وحوالي 30 درجة إلى الخارج، ويزيد من زاوية الكانتون الأعلى عنصر القوة الجانبية، الذي يمكن أن ينتج أثرا مماثلا للوجه، ولكنه يزيد أيضا من لحظة القفز عند الطرف الجناح، والزاوية المثلى للزبائن هي توازن بين خفض الجر والحمولات الهيكلية.

مرتفعات وطول

ويمتد ارتفاع الجناح بشكل فعال إلى نطاق الجناح الأيرودينامي، حيث تنتج جناحات تالير نسبة أكبر من الجوانب الفعالة، مما يقلل من الجر المدفوع، غير أن ارتفاعه يزيد من الوزن ويزيد من الجر الطفيلي، ففيما يتعلق بالأجنحة المخفوقة، كثيرا ما يكون ارتفاع الجناح محدودا بتطهير المطارات والتكامل الهيكلي، وفي موقع بوينغ 737 ماكس، يضيف جناح السيم المقسم نحو 8 أقدام إلى النطاق الفعال.

Sweep Angle

ويساعد تغيير الجناح الخلفي على التحكم في تدفق الهواء بسرعة عالية وتأخير تكوين الصدمة، وعادة ما تُنقش الأجنحة الحديثة بين 30 درجة و50 درجة، كما يؤثر السورب على توزيع المصعد على نطاق واسع؛ ويمكن أن يقلل التنظيف السليم من الاتجاه إلى توقف الجناح قبل الأوان.

Taper Ratio and Planform Shape

وتتم عادة تسجيل الرواسب من الجذر إلى البقشيش لخفض الوزن والسحب المحلي، وعادة ما تتراوح نسبة الشرائط (القطعة الرطبة/الشق الجذري) بين 0.2 و 0.5، وتستخدم بعض التصميمات شكلاً من أشكال " الدخان " ، حيث يتزايد مسح الطرف الرئيسي مع اقتراب النصب، وهذا الشكل يساعد على الحفاظ على تدفق ملحق على مجموعة واسعة من زوايا الهجوم.

Blend Radius

إن منحنى الانتقال بين الجناح والجناح - الذي يسمى نصف قطرة الوصل - هو أمر حاسم لتقليل التشويش إلى أدنى حد، ويقلل الخليط السلس مع نطاق واسع من مستويات الضغط المحلية القوية التي يمكن أن تسبب انفصالاً في التدفق، وتميز الأجنحة المزروعة، مثل تلك التي تُجرى على 737 كلاسيكية و757، بانتقال لطيف، في حين أن الأسوار الأبسط من الجناحين (مثلها على مستوى A320ce).

المصادرة المنقسمة

وبعض الأجنحة الحديثة تتضمن تشكيلة متصاعدة وشبه مقسمة، ويعترض عنصر الخفض )أو " الإبحار " ( الدوافع من الأسفل، بينما يتعامل العنصر الصعودي مع الجزء الأعلى، والميزة هي أن السطحين يمكن أن يُحد َّدا على نحو أمثل لأحوال طيران مختلفة، وأن الارتفاع الكلي يمكن أن يقل بالمقارنة مع جناح واحد طويل الأجل، مما يؤدي إلى إزالة الأرض.

أنواع الجيولوجيا في الخدمة

وتستخدم شركات الطيران التجارية اليوم مجموعة متنوعة من الجيولوجيا ذات الجناح، مصممة خصيصا لمنصة طائرات محددة، وفيما يلي أكثر الأنواع انتشارا، إلى جانب خصائصها الهوائية.

Winglets Blended

وتشتمل هذه الرافعات المنزوعة التي قدمتها بوينغ بالتعاون مع شركاء الطيران على منحنى لا يرحم يربط الجناح والجناح، وجهاز التنظيف واسع النطاق، مما يؤدي إلى تحول سلس، ويقلل من التداخل ويسمح للجناح بأن يكون طوله بدرجة معقولة دون وزن مفرط، وتعاد صياغة الأجنحة المحتوية على الـ 737-700/3000000 و757-200، وتُحد من المدخرات.

القرش (أيربوس)

وتزداد طولاً وشديداً في أروقة الطائرات التي أُدخلت على أسرة أ320نيو وتعود إلى أ320سيو، وتزداد شدة حرق الوقود بنسبة 4 في المائة تقريباً في الرحلات الجوية البعيدة المدى، كما أنها تؤدي إلى مسح بارز لحوالي 45 درجة وشكل واضح من المعلومات.

Split Scimitar Winglet (Boeing 737 MAX)

وربما يكون أكثر من محرك إنتاجي متقدم، فإن تصميم سيمتار مقسم يجمع بين معلومة تصاعدية تقليدية مع عنصر تنازلي أصغر، ويتمتع العنصر الصعودي بفتحة من نوع سيمتار (مثلاً في الزلاد)، بينما يوضع العنصر الهابط داخلاً، ويتيح هذا التشكيل للطيران تحقيق تمديد فعال يعادل جناح واحد أطول بكثير، ولكن مع انخفاض الوزن وتحسين مستوى المحركات الأرضية (Mabin).

Wingtip Fences

وسور النوبات مسطحة ومسطحة ومتكونة من لوحات عمودية في ممرات الجناح، وغالبا ما تكون ذات انبوبة صغيرة، وكانت شائعة في نسختين سابقتين من A320 و A340، وفي حين أن الأسوار أبسط وأخف من الأجنحة المنزوعة، فإنها أقل كفاءة لأنها تولد دفعة أقل من المصعد وتزيد من الدخان، فقد ارتفعت مدخرات الوقود إلى 1 في المائة.

التحسينات الكمية لاقتصاد الوقود: البحوث والبيانات العالمية الحقيقية

وقد حددت الدراسات العديدة وتقارير الطيران أثر قياسات الجينليت على اقتصاد الوقود، وقد وجدت دراسة ممولة من وكالة ناسا باستخدام بيانات عالية الجودة من قبل لجنة حماية البيئة والتنمية أن تحقيق الحد الأمثل من زاوية الكانتونات والطول والتنظيف لطائرة نقل ممثلة يمكن أن يؤدي إلى تخفيض صافي الجرعة بنسبة 5-6 في المائة في الرحلات السياحية، مترجما إلى تخفيض حروق الوقود بنسبة 3-4 في المائة عند حساب الوزن وغرامات جر الترايم.

وتفيد شركة Airbus أن شركة Sharklets on the A320neo تقلص حروق الوقود بالقطع بنسبة 4 في المائة مقارنة بطائرة A320ceo بدون أجنحة، وفي رحلة عادية تبلغ 500 1 ميل بحري، تعادل الوفورات التي تبلغ نحو 500-600 كغم من الوقود، وبالنسبة لأسطول يبلغ 50 طائرة تطير 000 3 دورة سنويا، يمكن أن تتجاوز الوفورات السنوية في تكلفة الوقود 5 ملايين دولار (بواقع 3 دولارات للغالون الواحد).

ويحقق الجناح المقسم للسفنغ، مقترنا بمحرك الـ 737 متقدم ومصفوفات إيرودينامية، حرقا أقل من الجيل القادم من الوقود بنسبة 14 في المائة، ويأتي حوالي 50 في المائة من هذا التحسن من الجناح والتحسين الأمثل، وقد أكدت الدراسات المستقلة التي أجرتها شركات الطيران مثل جنوب غربي أن الخلية المقسمة من الغازات فوق الـ 737-800 تحقق وفورات في الوقود الأصلي بلغت 2.3 في المائة.

ومن المهم ملاحظة أن وفورات الوقود ليست ثابتة في جميع قطاعات الرحلات الجوية، إذ توفر الرواسب أكبر فائدة أثناء الرحلات السياحية التي ترتفع فيها وترتفع فيها معدلات الجر، حيث تكون الجر المتعمد نسبة مئوية أكبر من مجموع الجر، وفي الرحلات البحرية السريعة أو تحت الريح القوية، تتناقص الفوائد، وبالتالي فإن شركات الطيران في القطاعات ذات المدار القصير التي تشهد العديد من عمليات السحب والتسلق تحقق مكاسب نسبية أعلى.

المقايضة: الوزن، والضعاف الهيكلية، والتكاليف

وعلى الرغم من الفوائد الواضحة للطيران الهوائي، يجب أن يكون التوازن الدقيق بين قياسات الجينات والعقوبات الهيكلية، فطولها، يزيد من حجمها، ويزيد من عدد المحركات التي تُرفع من الجذر، مما يتطلب دفعات أقوى (أثقل) للجناح، كما يفرض وزنا إضافيا عقوبة حرق الوقود، مما يقلل من صافي الفائدة، فعلى سبيل المثال، فإن الجناح الثقيل الذي يضيف 200 كيلوغرام إلى الطائرة لا يمكن أن يحقق سوى نسبة صافية من الوقود تبلغ 2 في المائة، في حين

وتزيد تكلفة تصنيع الطائرات المجهزة ذات الأجنحة الممنوعة من المواصفات الجغرافية المتشددة عن التصميمات الأكثر بساطة، وكثيرا ما تستخدم المواد المركبة في توفير الوزن، ولكنها تتطلب عمليات ترسبات وربط باهظة التكلفة، ويمكن أن تكلف مجموعات إعادة الترديد 000 500 دولار إلى مليون دولار لكل طائرة، ويجب على شركات الطيران أن تعيد تجميع ذلك الاستثمار من خلال وفورات الوقود على مدى عدة سنوات، وتتوقف فترة السداد على الاستخدام وأسعار الوقود.

وعلاوة على ذلك، تؤثر الطائرات المتحركة على خصائص مناولة الطائرات، ولا سيما في التوائم وخلال استعادة المكسوحات، ويجب على المصممين أن يكفلوا ألا يؤدي هذا المسح إلى تدهور هوامش التوقف أو زيادة سحبها في ظروف غير محددة، كما يلزم إجراء اختبارات واسعة النطاق للرحلات وإصدار شهادات، مما يضيف إلى تكاليف التنمية.

الاتجاهات المستقبلية: ورماح النشيط والمورفينج

ويجري حالياً بحث لتطوير أجنحة " نشطة " يمكنها تعديل قياسها الجيودي في رحلاتها لتعظيم الكفاءة عبر مختلف المراحل، وتشمل المفاهيم زاويات مختلفة، أو ارتفاعاً في التليفزيون، أو حتى أسطح مائية تتغير من خلال التقلبات، ويمكن لهذه التصاميم أن تحافظ على الحد الأمثل من دودة التسلق والرحل والنسب، مما قد يؤدي إلى تحسين اقتصاد الوقود بنسبة 1 إلى 1 إلى 1 في المائة.

وثمة مجال آخر مستجد يتمثل في إدماج الجنايات التي تستخدم نظم الدفع الموزعة أو ابتلاع الطوابق الحدودية، ويمكن للمرجن أن يأوي مروحيات كهربائية صغيرة تعيد تنشيط التدفق، مما يزيد من تخفيض قوة الدوافع، وفي حين أن هذه التكنولوجيات لا تزال تجريبية، فإنها تشير إلى مستقبل يصبح فيه قياس الجينات ديناميا ومصمما حسب الظروف السائدة في الوقت الحقيقي.

وبالنسبة للأسطول القائمة، يتمثل الاتجاه نحو إعادة تشكيل طائرات أجنحة متقدمة على طائرات أقدم لسد الفجوة إلى حين وصول الجيل القادم من الجيل التالي من الاستبدال، ويدل نجاح برنامج إعادة الارتداد المقسم إلى الجيتار بالنسبة إلى مجموعة الـ 737NG على أنه لا يزال هناك مجال لإدخال تحسينات تدريجية على قياس الجينات.

خاتمة

ويؤدي قياس الجينات دورا حاسما في تعزيز الديناميكا الهوائية للخطوط الجوية التجارية، ومن السياج العمودي البسيط للثمانينات إلى تصميمات سيمطرية متطورة اليوم، فإن المهندسين يحسنون باستمرار من زاوية الكانتونات، والطول، والتنظيف، والغطاء لتحقيق وفورات ذات مغزى في الوقود، ويظهر البحث باستمرار أن أفضل شكل من أشكال قياسات أجنحة يمكن أن يقلل من حروق الوقود بنسبة 3.5 في المائة، مما يؤدي إلى زيادة في التكاليف التشغيلية.

وللاطلاع على مزيد من القراءة، انظر استعراض ناسا التاريخي لتطوير الجناحين، وصف بوينغ لـ 737 ماكس الجناح، والورقة التقنية التي أعدها إيربوس بشأن أداء القرش.