إن أجهزة رفع عالية مثل المزلاجات والصفوف والتمديدات الرائدة هي أساسية للتصميم الحديث للطائرات، وهي تتيح الإقلاع الآمن والهبوط بسرعة أقل بزيادة مكنة الطائرات وسطحها، مما يؤدي إلى الرفع اللازم، غير أن نظم الحرق التي تنشر وتسحب هذه الأجهزة هي مستهلك كبير للطاقة على متنها، كما أن الهياكل الهيدرولية والكهربائية التقليدية، في الوقت الذي ثبت فيه، يمكن أن ترسم فيه مراحل كبيرة من الطاقة.

نظم تطويق الأجهزة العالية

وعادة ما تنقل أجهزة رفع عالية بواسطة محركات خطية أو محركات دوارة تقع على طول حافة الجناح أو الطرف الرائد، ويجب أن يوفر نظام التكوين قوة كافية للتغلب على الحمولات الهوائية والاحتكاك والثبات الهيكلية مع ضمان الوزع المتزامن بين الأجنحة، كما أن النظم الهيدروليكية المركزية توفر الطاقة، مع توجيه الصمامات إلى المصعد الكهربائي المكثف.

وينشأ استهلاك الطاقة في التهوية من ثلاثة مصادر رئيسية: (1) التغلب على الضغط الهوائي على سطح الجهاز، (2) التغلب على الاحتكاك في المحملات والختم، (3) خسائر الطاقة داخل المشعل نفسه - مثل ضغط السوائل الهيدروليكية، وعدم كفاءة المحرك الكهربائي، وخسائر في النقل.

أساليب التصويب التقليدية والحدود المفروضة عليها

وقبل دراسة النُهج الجديدة، من المفيد استعراض الأساليب التقليدية التي سادت الطيران التجاري منذ عقود.

مشغلو الهيدروليك

(أ) استخدام النظم الهيدروليكية لسوائل مجهزة بالضغط (عادة 000 3 إلى 000 5 بيزو) لحمل محركات تُمدّد أو تُسحب الطوافات والنظارات، وهي توفر كثافة عالية في الطاقة وقوية، مما يجعلها مناسبة لطائرات النقل الكبيرة.

مشغلو الكهرباء

أما الملاجئ الكهربائية الميكانيكية فتحوّل الطاقة الكهربائية مباشرة إلى حركة آلية بواسطة آلية للسيارات والعتاد وآلية للمسامير، وتزيل السوائل الهيدروليكية وتخفض الصيانة وتسمح باستبقاء أكثر مرونة، غير أن هيئة التصنيع لا تزال تستهلك طاقة كبيرة أثناء مرحلة الانتشار العالية، بينما تُسهم الخسائر في المحركات، والاحتكاك بالعتاد، والحاجة إلى معالجة السائل الكهربائي في الفشل في الطلب على الطاقة.

وعادة ما تعمل النظم الهيدروليكية والكهربائية في نمط " الملجأ " بمجرد نشرها، مما يتطلب استمرار القوة أو القفل الميكانيكي للحفاظ على موقعها ضد الحمولات الهوائية، ويحتفظ بالطاقة حتى ولو كانت صغيرة الحجم في مرحلة الاستخدام العالية للرفع.

تقنيات التطور في مجال كفاءة الطاقة

وتركز البحوث والتطوير مؤخرا على الحد من استهلاك الطاقة من خلال مبادئ ابتكارية للاكتتاب تستغل المواد المتقدمة، واسترداد الطاقة، وتحسين هيكل النظم إلى أقصى حد.

مشتغلون بالمواد الذكية

والمواد الذكية - مثل محار الذاكرة المكوّنة، والسراميات الفائقة الفطائر، والمواد المغناطيسية - التي يمكن أن تنتج التشريد الميكانيكي أو القوة الميكانيكية استجابة لحافز كهربائي أو حراري دون محركات تقليدية أو أكاذيب هائية.

  • S Shape Memory Alloys (SMAs):] SMAs, like Nitinol, can be trained to “remember” a specific shape, when heated (via electrical current), they undergo a phase transformation that generates high stresses and strains, directly driving motion. For high lift devices, SMActus or springs can replace traditional actuator
  • (أ) تتوسع المواد الانشطارية أو تتعاقد مع شركات الطاقة الكهربائية، وتقدم استجابة سريعة جداً وثباتات عالية، ولكن تشردها عادةً صغير (معدات ميكانيكية إلى مطاحن) بالنسبة لأجهزة رفع عالية حيث تتطلب عمليات تعديل في مواقع الطاقة الصغيرة، وتُجمع بين محركات السحب الفائقة.
  • Magnetostrictive Actuators:] Materials like Terfenol —D change shape in a magnetic field. These actuators can produce large forces with moderate beats and have the advantage of operating at lower voltages than piezoelectric types.

فالأكتوارات المولدة للذكاء توفر كفاءة عالية في الطاقة لأن الطاقة لا تطبق إلا خلال مرحلة التشوه؛ ويمكن أن تحمل المواد حالتها بأقل قدر من الطاقة أو بدونها، كما أنها تقلل من التعقيد والوزن الميكانيكيين، وتشمل التحديات الحياة البدينة، وحساسية درجة الحرارة، وتعتمد على مواد جديدة لسلامة الطيران.

المشتغلون بالكهرباء الميكانيكية مع المخابرا الإبداعية

وعندما يتم نشر جهاز رفع عالي، يقوم المشعل بعمل إيجابي ضد الحمولات الهوائية، غير أنه خلال عملية السحب، يمكن أن تساعد القوى الهوائية والجاذبية الحركة، مما يعني أن المشعل يمكن أن يعمل كمولد، ويحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية يمكن تخزينها أو إعادة استخدامها، وتلتقط نظم التكرير الإبداعية هذه الطاقة.

وفي نظام إي إم آي التقليدي، يمكن برمجة متحكم السيارات ليعمل كمولد أثناء السحب، ويغذي حالياً في حافلة الطائرات DC أو في جهاز تخزين مخصص مثل مركب أو بطارية خارقة، ويمكن عندئذ استخدام الطاقة المخزنة في دورات النشر اللاحقة أو حمولات أخرى.

ويتطلب التنفيذ أجهزة إلكترونية متطورة لتوليد الطاقة، وخوارزميات التحكم التي يمكن أن تتحول دون هوادة بين السيارات والطرق المولدة، وبالإضافة إلى ذلك، يجب تصميم النظام الميكانيكي لمعالجة تراجع العراك دون إدخال صدمات أو عدم استقرار.

النظم الهيدروليكية - الكهربائية

فبدلا من الاعتماد على نوع واحد من أنواع الطاقة، تجمع البنايات الهجينة أفضل خصائص الهيدروليكية والكهربائية، مثلا، يمكن لنظام الهيدروليك " الذكية " أن يستخدم المضخات الكهربائية التي لا تعمل إلا عند الحاجة، بدلا من أن يتواصل تشغيلها، ويمكن أن تضاهي المحركات الكهربائية المتقلبة السرعة المحتوية على المضخات الهيدروليكية التدفق والضغط الثابتين على الطلب، مما يؤدي إلى إزالة الخسائر المستمرة في الضخ.

وثمة نهج هجين آخر يتمثل في استخدام المحركات الكهرومغناطيسية التي تُستخدم بواسطة محرك كهربائي محلي ولكن تستخدم تكدس التشريد الهيدروليكي، ويمكن التحكم في هذه المرافق رقمياً للتقليل من استهلاك الطاقة خلال مراحل الحيازة، وتشمل بعض التصميمات مراكب الضغط التي تخزن الطاقة الهيدروليكية أثناء السحب وتطلقها أثناء النشر، وهي مسببة للتكرار.

ومن خلال إدماج التحكم الكهربائي في كثافة الطاقة الهيدروليكية، يمكن للنظم الهجينة أن تحقق مكاسب شاملة في الكفاءة تتراوح بين 10 و20 في المائة مقارنة بالهيدروليكات المركزية التقليدية، كما أنها تعرض زيادة في التصريف: إذا فشل المصدر الكهربائي، فإن النظام الهيدروليكي لا يزال يمكن الضغط عليه.

Distributed Actuation

وتستخدم نظم الرفع العالية التقليدية مصباحا واحدا كبيرا أو أنبوبا وسطيا للضغط على عدة مواهب أو صفارات على طول الجناح، مما يؤدي إلى ارتفاع حجم الأفراد، وتعزيز هيكلي ثقيل، وإقامة روابط آلية طويلة تعاني من الاحتكاك والتخلف، ويحل محل النظام المركزي بعدة محركات أصغر حجما، ويقود كل منها جزءا من جهاز الرفع العالي.

وتشمل الفوائد انخفاض الطلب على الطاقة في ذروتها لكل ملجأ، وانخفاض التعقيد الميكانيكي، وتحسين توزيع الحمولة، ويمكن أن يكون المصباح الأصغر أخف، وإذا فشل أحد، لا يتأثر سوى جزء محلي بدلا من أن يُستخدم بكامله، وعلاوة على ذلك، يمكن التحكم في المحركات الموزعة على حدة من أجل تحقيق الشكل الأمثل لكل نقطة طيران - مفهوم شبيه بسطح " الحرق " .

كما أن هناك تدقيقاً موزعاً بالتكفير المتجدد: يمكن لكل ملجأ أن يستعيد الطاقة بصورة مستقلة، ويمكن للنظام العام أن ينسق توقيت التراجع في تدفقات الطاقة السلسة، وقد قامت برامج بحثية مثل برنامج " سكايين " التابع للاتحاد الأوروبي [(FLT:0]) باستكشاف الاختراع للطائرات المقبلة، مما يسلط الضوء على وفورات الطاقة المحتملة بنسبة 30 في المائة أو أكثر.

فوائد أساليب الاختراع الابتكارية

ويسفر اعتماد تقنيات الفرز المتطور عن سلسلة من الفوائد تتجاوز الحد من الطاقة.

  • Reduced Power Consumption:] Smart material actuators achieve near — hold power, regenerative braking recovers energy, and hybrid systems optimize on‐demand operation. Overall reductions in the range of 30–50% are feasible for the high lift subsystem.
  • ][ تحقيق وفورات في الوزن: ][ إصلاح الأنابيب الهيدروليكية الثقيلة والمصاعد المركزية ذات المكونات الكهربائية الخفيفة، أو المواد الذكية، أو الوحدات الموزعة، يؤدي إلى خفض الكتلة الهيكلية، وكل كيلوغرام ينقذ على نظام التكوين يترجم إلى حرق أقل للوقود على مدى عمر الطائرة.
  • Enhanced Reliability and Maintainability:] Fewer moving parts, elimination of hydraulic liquid, and simplerميكانيكي linkages reduce failure modes and maintenance burdens. Smart material actuators have no sliding seals or‐prone equipments, improving mean time between overhauls.
  • Environmental Benefits:] Low energy draw reduces fuel consumption and associated CO2 emissions.تحسين كفاءة الملجأ يقلل أيضاً من النفايات الحرارية، ويتيح نظم التبريد الأصغر، ويزيد من وفورات الوزن.
  • Operational Flexibility:] Distributed and independently controlled actuators allow changing camber and spanwise shaping, which can optimize liftto-of- -drag ratio during different flight phases, leading to additional fuel savings.

التحديات والنظر في المسألة

ورغم وعدهم، فإن أساليب الاختراع المبتكرة تواجه عقبات كبيرة قبل اعتمادها على نطاق واسع.

التصديق والسلامة

ويجب أن تستوفي نظم حرق الطائرات معايير السلامة الصارمة (مثلاً، برمجيات دو - 178C، وD DO‐254 للأجهزة)، ولا توجد مواد جديدة مثل أجهزة التصنيف ذات القيمة الجوية الطويلة، مما يتطلب اختباراً واسعاً للضغط على الزند، والتدوير الحراري، ووسيلة الفشل، ويجب أن تبين النظم الإبداعية أن استعادة الطاقة المعيبة لا يمكن أن تسبب تحميلاً كهربائياً أو حركة غير مقصودة.

الاستحقاق من حيث التكلفة والصناعة

وكثيرا ما تكون المواد الذكية باهظة الثمن لإنتاجها في جو من الاتساق، وتحتاج أكوام الطاقة الكهربائية ذات التطاير العالي، وتحتاج أجهزة التحليل الذاتي إلى إدارة حرارية دقيقة لتجنب الإفراط في التسخين أو " التحلل " . ويزيد التقلبات الموزعة عدد العناصر الفردية، التي يمكن أن تزيد التكلفة الأولية والتعقيد، على الرغم من أن ذلك قد يقابله انخفاض في الصيانة.

التكامل مع الهياكل القائمة

فمعظم الطائرات الحالية مصممة حول النظم الهيدروليكية أو الكهربائية المركزية، كما أن إعادة استخدام أجهزة الرفع العالية في شكل تركيبات جديدة أمر صعب؛ وتكمن الفرصة الأولى في برامج جديدة للطائرات مثل الجيل القادم من السلاسل الضيقة أو التصميمات التجارية للساحل، وتقوم شركات تصنيع الطيران مثل بوينغ والطائرات بتقييم هذه التكنولوجيات بصورة نشطة للمنصات المقبلة.

التوقعات المستقبلية

وما زالت البحوث تتسارع، مدفوعة بالحاجة إلى مزيد من استدامة الطيران، إذ أن إدماج الاستخبارات الاصطناعية والتعلم الآلي مع نظم مراقبة التقلبات يعد بزيادة استهلاك الطاقة إلى الحد الأمثل، فعلى سبيل المثال، يمكن لمراقب التكيف أن يتعلم الحمولات الهوائية على كل جزء من أجزاء الطوافات أثناء كل رحلة، وأن يعدل أوامر المشغلين في الوقت الحقيقي للتقليل من الطاقة مع الحفاظ على الرفع المطلوب، كما يمكن لهذه النظم أن تتنبأ بالاحتياجات من حيث الاستهلاك.

كما أن التقدم في تخزين الطاقة - مثل المكثفات العالية الطاقة أو البطاريات ذات الصلصة - سيعزز فعالية التكرير التجددي بتوفير حاجز للطاقة المستعادة، كما أن تكنولوجيا المحركات المولدة للمواد الذكية تعمل أيضاً على توفير الزراعة: فقد مولت وكالة ناسا والوكالة الأوروبية للطاقة الذرية عدة اختبارات طيران لأسطح التحكم المكسورة، مما يدل على إمكانية البقاء، ومع تحسن عمليات التصنيع، يتوقع أن تسقط التكلفة لكل ملجأ.

وفي نهاية المطاف، قد يكون نظام المصعد العالي في المستقبل كهربائيا بالكامل، حيث توفر محركات المواد الذكية النشر والحيازة، وأجهزة إعادة توليد الطاقة، وتركيب هياكل موزعة تتيح تشكيلات أجنحة مكيفة تماما، وستكون النتيجة الطائرات التي تستهلك قدرا أقل من الطاقة خلال مراحل الطيران الحرجة، مما يسهم في تحقيق هدف الصناعة المتمثل في صافي انبعاثات الكربون في المنطقة بحلول عام ٢٠٥٠.

خاتمة

إن ارتفاع مستوى إنتاج أجهزة الرفع هو مجال مغفل نسبياً لتحقيق وفورات في الطاقة في تصميم الطائرات، ولكنه يوفر إمكانات كبيرة، بينما لا تُستخدم الأساليب الهيدروليكية والكهربائية التقليدية، في حين أن ذلك موثوق بها، على النحو الأمثل بالنسبة للطلب المنخفض على الطاقة، ولا تزال النهج الابتكارية - المواد المتطورة - المصباح المتجدد، ونظم التكرير الهجين، وتوزع استهلاكاً للطاقة بمقدار النصف أو أكثر، بينما تخفض أيضاً من سرعة اعتمادها وتوليدها.