ومع تسارع صناعة الطيران نحو إزالة الكربون، فإن الطائرات التجارية الهجينة والكهربائية قد ظهرت بوصفها الطريق الرئيسي لتخفيض الانبعاثات، وفي حين أن معظم الاهتمام العام والهندسي يركز على عمليات تطوير الطاقة الكهربائية، وخلايا الوقود، والمركبات الكهربائية - التي يعمل فيها الحاسوب الجوي نفسه، يجب أن تخضع للتحولات المتطرفة بنفس القدر، ومن بين أكثر العناصر حساسية في كثير من الأحيان في هذا التحول، هي عوامل مؤثرة في تصميم الطائرات.

دور أجهزة الإضاءة في أداء الطائرات

فالأعلام هي أجهزة عالية الحركة تزيد من المساحة المكمومة والسطحية للجناح، مما يسمح للطائرة بتوليد قدر كاف من الرفع بالسرعة الدنيا أثناء الاقلاع والهبوط، وبدونها، ستحتاج الطائرات التجارية إلى مجرى أطول بكثير أو سرعة عالية في النهج، وفي الطائرات التقليدية التي تربفان، عادة ما تكون المزلاجات مشتعلة بواسطة أجهزة الإسطوانات الهيدروليكية والروابط الميكانيكية التي تتحكم فيها المحركات.

وفي الطائرات الهجينة والكهربائية، تتغير مفهوم الدفع بالكامل، وتوفر المحركات الكهربائية المحركات المتحركة على الفور ويمكن توزيعها على طول الجناح، مما يتيح تشكيلات جديدة مثل الدفع الكهربائي الموزع، ويجب أن تتكيف أجهزة الإرسال مع هذه البنى الجديدة، وقد تحتاج إلى الانكماش بالتنسيق مع أجهزة توجيه الطائرات، والعمل صامتا دون ضجيج من الأجهزة الهيدروليكية، ودمج وسائل الترجيح العالية.

التحديات في تصميم الأطنان للطائرات الهجينة والكهربائية

ويجب التغلب على عدة عقبات هندسية لإيجاد مغازلات موثوقة وفعالة ومتوافقة مع مضيق الطاقة الكهربائية الهجينة، وتمثل التحديات التالية أكثر المجالات إلحاحاً التي تثير قلق المصممين وسلطات التصديق.

دمج العاملين في مجال الكهرباء

ويمكن للنظم الهيدروليكية أن توفر قوى هائلة في مجموعة من الاتفاقات، ولكنها تتطلب مضخات وخزانات وصمامات وكميات من التصفيق، مما يزيد من الوزن والتعقيد، كما أن المحركات الكهربائية، مثل المحركات الكهروميكانيكية، أو المحركات الكهرومغناطيسية، تزيل الشبكة الهيدروليكية، ولكنها عادة ما تكون قادرة على توفير قوة مكافئة.

كفاءة استخدام الطاقة

كما أن كل كيلوغرام من وزن نظام النكهة يخفض بصورة مباشرة حمولة الطائرات أو نطاقها، وفي طائرة هيبرية - كهربائية، حيث تفرض البطاريات بالفعل عقوبة شديدة على الوزن، وتخفض وزنها الهيكلي والكهربائي إلى أدنى حد، كما أن المسارات التقليدية للغاز، والنقل، والعناصر الهيدروليكية ثقيلة، ويجب أن تُستخدم التصميمات الجديدة في استخدام المواد المتقدمة - مركبات الكربون - التراكمي، والإضافة المستمرة للجزر

التصديق والإعادة إلى الخدمة

إن نظم التصفيق حرجة للرحلات؛ ويمكن أن يؤدي الفشل أثناء الهبوط إلى فقدان السيطرة على الحوادث، إذ أن أطر التصديق القائمة (مثل الجزء 25) تتطلب إعادة التشغيل والتسامح إزاء الأخطاء، أما بالنسبة للمصابيح الكهربائية، فإن تحقيق الموثوقية المكافئة قد يتطلب محركات مزدوجة الارتداد، وقنوات طاقة مستقلة، وأجهزة احتياطية آلية مثل الرافعات اليدوية أو التشويش الذي يولده الربيع.

التداخل المغناطيسي الكهربائي ونوعية الطاقة

وتولد المحركات الكهربائية ذات الطاقة العالية حقول الكهرومغناطيسية يمكن أن تتدخل في الملاحة الجوية القريبة والمجسات ونظم الاتصالات، ويقع محركات الفتح بالقرب من حافة التعقب التي تحلق على الأجنحة، وغالبا ما تكون قريبة من هوائيات أو حواسيب التحكم بالرحلات الجوية، ويجب استخدام الشحنات والتصفية والطرق الدقيقة لكبلات الطاقة الكهربائية للحفاظ على سلامة الإشارات.

حلول التصميم الابتكارية

وعلى الرغم من هذه التحديات، يقوم المهندسون بنشاط بوضع حلول لا تتغلب على القيود المفروضة على التكنولوجيا الحالية فحسب، بل تفتح أيضا إمكانيات جديدة للأداء، وتمثل النهج التالية مقدمة تصميمات المطاط بالنسبة للطائرات التجارية الهجينة والكهربائية.

مشغلو الميكانيكيين الكهربيين المزودين بالمراقبة المتكاملة

يستعاض عن الأسطوانات الهيدروليكية بالمواقد الكهروميكانيكية المدمجة التي تتضمن محركاً بلا فرش، وصناديق معدات الكواكب، وأجهزة الفرز أو اللفائف في إطار سكن واحد، وتخفض أجهزة التصنيف الإلكترونية الحديثة من موردين مثل موغ و

ومن المتغيرات الواعدة نظام الفرز الموزع، حيث تؤدي عمليات التجهيز البيئي الأصغر المتعددة إلى إنشاء فريق واحد للتشبث، مما يتفادى الحاجة إلى أنبوب عروق ثقيلة وصلات آلية، مما يتيح لكل ملجأ أن يكون أصغر وأكثر كفاءة، ويوفر النظام بطبيعة الحال إعادة التكرار: إذا فشل أحد المحرقين، فإن الآخرين لا يزال بإمكانهم تحريك المزلاج، وإن كان ذلك بتقليل السلطة.

مواد الوزن الخفيف المتقدمة

(ج) إن المكونات المركبة ذات التأثير العالي للكربون هي بالفعل شائعة في الأطقم الجوية الحديثة، ولكن المكونات الخاصة بالمزلاجات تتطلب حلولاً مصممة خصيصاً، أما بالنسبة لمجموعات الرش والأضلاع ]، فإن التركيبات المركبة الحرارية [FLT:] تتيح دورات تصنيع أسرع وتتحمل أضرار أفضل من مكونات الحرارة التقليدية.

ويجري أيضا استكشاف البوليمرات المعززة بألياف الكربون المستمرة من أجل المسارات المزدوجة والمزلاجات، ويجب أن تكون هذه المكونات متحملة للضغوط المحلية العالية والارتطام، ولكن مع المعاطف السطحية المناسبة (مثل طبقات PTFE-impregnated) يمكن أن تضاهي أو تتجاوز حياة الفولاذ دون خطر التآكل.

نظم مراقبة الذكاء والتكامل بين الفطائر والأياف

ويمكن التحكم بدقة في المحركات الكهربائية باستخدام حلقات التغذية الرقمية، والوظائف التمكينية التي يصعب أو يتعذر استخدامها في الهيدروليكات، ويمكن تحديد مواقع الطائرات بصورة دينامية على أساس سرعة الهواء والوزن والارتفاع وحتى في الغلاف الجوي لتحقيق أقصى قدر من نسبة المصعد إلى الدراجات، وبالنسبة للطائرات المتحركة التي كثيرا ما تكون لها شحنات متغيرة من أجنحة بسبب وزن البطاريات، يمكن أن تؤدي الجداول الزمنية الذكية إلى تحسين الأداء بشكل كبير.

كما أن إدماج مراقبة المغازلة مع نظام " الطيران بالزبائن " يتيح أيضاً التخفيف من عبء العمل باللغات ، بالإضافة إلى أن نظم التحكم الذكية يمكن أن ترصد الاضطرابات المفاجئة في الجناحين، وتكيف المحركات في المطاحن في الثانية لخفض الحمولات الهيكلية، ويمكن أن تؤدي هذه القدرة إلى هياكل أجنحة أخف، وزيادة تحسين الكفاءة.

الهيكلان النموذجي والمقعد

ولتقليل تكاليف التنمية وتيسير التصديق، يجري تصميم نظم الارتباك مع الأخذ في الاعتبار، ويمكن استخدام وحدة واحدة للمحاضرات، كاملة بمحركات وصناديق للعتاد ومتحكم وموصلات، في محطات متعددة للثبات عبر نماذج مختلفة للطائرات، وهذه الوحدات المشتركة تبسط لوجستيات قطع الغيار وتخفض التدريب، كما يتيح النهج النموذجي رفع مستوى الارتقاء تدريجيا: حيث يمكن للنموذج الأصلي للتشغيل الآلي أن يحل محل التركيب.

وتتسم القدرة على التصعيد بأهمية خاصة بالنسبة للطائرات الكهربية التي تتراوح بين تسعة سواتل إقليمية وتضييق الطائرات النفاثة، ويتيح هيكل متحرك قابل للارتطام تطبيق نفس مبادئ التصميم عبر خطوط المنتجات، والتعجيل بإصدار الشهادات ودخول الأسواق.

الابتكارات الإدارية الحرارية

ويفرض رفض القذف من المحركات الكهربائية داخل الجناح قيوداً خطيرة على التصميم، إذ يُضمّن المهندسون ] مواد تغيير مرحلية (PCMs) داخل المُحرقة لاستيعاب حمولات الحرارة القصوى وإطلاقها ببطء أثناء مراحل طيران أكثر برودة، ويستخدم بعض المفاهيم أنابيب حرارية متكاملة تنقل الحرارة إلى الجلد المجنح، مع تفريقها إلى مجرى الهواء.

التكامل والاختبارات على نطاق المنظومة

فالانتقال من تصميم المكونات إلى نظام متكامل تماماً للثغرات يتطلب اختباراً دقيقاً عبر مجالات متعددة، وتتحقق اختبارات الهياكل الأساسية من أن لوحات الفتح والملاجئ يمكن أن تتحمل الحمولات النهائية، بما في ذلك سيناريوهات التراكم الجليدي غير المتناظرة وضرب الطيور، وتكفل اختبارات التوافق المغناطيسي عدم تدخل المحركات المتحركة في أجهزة الملاحة أو الاتصالات، وتحفز غرف الفراغ الحرارية على وجود ظروف عالية.

ويؤدي محاكاة البرمجيات ذات الصبغة الجاهزة دورا متزايد الأهمية، إذ يرتبط محرقة كاملة، بما في ذلك متحكمها، بتحفيز حركية الطائرات وحمولاتها في الوقت الحقيقي، ويمكن للمهندسين ممارسة النظام من خلال آلاف دورات الطيران، بما في ذلك أساليب الفشل مثل فقدان أجهزة الاستشعار أو أجهزة إطفاء السيارات.

ويضيف انتشار الكهرباء الموزعة طبقة أخرى من التعقيد: يجب على المحركات المشتعلة الاتصال بمراقبي الدفع لتنسيق الانكماشات المشتعلة مع أجهزة الدفع أو المروحة، ويتطلب هذا التكامل هياكل برمجية متقدمة وربط شبكات محددة، تستند في كثير من الأحيان إلى معايير مثل " آرنس 664 " أو TSN (الشبكة الحساسة للشبكة).

التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية

مسار تصميم الطين على الطائرات الهجينة والكهربائية يتجه نحو التكامل والاستخبارات على نحو دائم، ويستكشف الباحثون حواف التلقيحية التي تزيل لوحات الارتطام المتفرقة تماماً، وبدلاً من ذلك، فإن تغيرات سطحية مرنة مستمرة عن طريق توزيع محركات متحركة - محركات غير متحركة في آن واحد

وثمة مفهوم جديد آخر هو استخدام أجهزة الفتح المغلقة للطائرات الكهربائية، حيث يمكن، عن طريق توجيه الهواء العالي الضغط من المراوح الكهربائية فوق سطح المكسور، زيادة الرفع زيادة كبيرة دون زيادة مساحة الجناحين، وهذه التكنولوجيا، التي تذكر بالأجهزة الكهربائية ذات الترددات العالية من طراز C-17، يمكن أن تتيح استخدام أجهزة الكهرباء والهبوط على نطاق إقليمي قصير جدا بدلا من أن توفر القدرة الكهربائية اللازمة.

ويجري أيضاً إجراء بحوث في المحركات المُصوِّرة التي تعمل بالمُحرِّكات، وإذا ما أصبح الموصلون المُفرِّقون ذوات الحرارة العالية عملياً في الفضاء الجوي، فإنهم يستطيعون تقديم كثافة عالية جداً من حيث الخسائر في الأورامية التي لا تُذكر، مما قد يقلل وزن المُشغل بنسبة 50 في المائة أخرى، غير أن نظم التبريد المُلزمة لا تزال تشكل تحدياً هندسياً كبيراً.

وأخيرا، فإن الدفع الأوسع نطاقا نحو التحليق المستقل يتطلب أن تعمل نظم الارتباك بدون تدخل بشري، وأن يكون المصابيح ذاتيا التي تحتوي على البرغنوسيكيات المبنية معيارا، وأن تنقل البيانات الصحية إلى مراكز الصيانة الأرضية عن طريق وصلات ساتلية، وأن نظام المزلاج الذي سيستخدمه الطيران المختلط المستقبلي لن يكون مجرد جهاز ميكانيكي بل هو شعار مصمم تماما لأجهزة التحكم بالأجهزة الاستشعارية.

خاتمة

فالتحول إلى الدفع الهجين والكهربائي يتطلب إعادة التفكير الأساسية في كل نظام من نظم الطائرات، والارتجاجات ليست استثناء، وفي حين أن التحديات هي التي تدمج بشكل كبير المحركات الكهربائية في أجنحة محدودة الوزن، بما يضمن الموثوقية على مستوى التصديق، وإدارة الأحمال الحرارية، والحفاظ على التوافق الكهرومغناطيسي - فإن الحلول لها نفس القدر من الإلزام.