إدماج الأجهزة العالية في تصميمات الطائرات ذات الأجساد الخفيفة

Understanding Blended Wing Body Aircraft: Why the Shape Matters

وتمثل طائرة هيئة الجناح المتجهة بطائرة متوقفة عن التصميمات التقليدية للأنواع والأجنحة، وفي تشكيلة من BWB، تدمج البخار والأجنحة بسلاسة في سطح واحد للرفع، مما يخلق شكلا يشبه جناحاً طائراً، ولكن مع هيئة مركزية متميزة تستوعب الركاب أو البضائع أو الوقود، وينتج عن هذا التكامل غير المستقر فوائد كبيرة من حيث الارتفاع المستمر إلى مستوى أعلى.

وقد درس مفهوم BWB منذ عقود، حيث تم العمل المبكر من قبل ناسا والقوات الجوية خلال التسعينات مما يمهد الطريق للمتظاهرين الحديثين مثل السلسلة X-48، وعلى عكس الطائرات التقليدية، حيث تكون الجناح والأثاث عناصر متميزة مقترنة بموجة محددة جيدا، فإن مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور تبرز منحنى مستمر يمزج الحدود بين الجسم والجناح، ويطالب فلسفة التصميم هذه بأن تكون نظم رفع عالية الجودة.

تاريخ موجز لمفاهيم BWB

وقد اكتسبت بحوث BWB زخما في التسعينات عندما بدأت ناسا وماكدونيل دوغلاس (المحلية) دراسات عن تشكيلات كبيرة للنقل، وكان الدافع الدافع إلى الوصل هو الوعد بتحقيق وفورات كبيرة في الوقود؛ وتراوحت التقديرات بين 20 و 30 في المائة مقارنة بالطائرات ذات الطائفة الواسعة التقليدية، وأكدت اختبارات النفق الريحية اللاحقة وديناميات السائل الحاسبي أن عمليات السحب الحسنة يمكن أن تحقق أساسا تقلل.

وقد تحقق المتظاهرون من طراز X-48B و X-48C، الذين حلقوا بين عامي 2007 و 2013، من العديد من هذه التنبؤات، وقد أثبتت هذه الطائرات الفرعية التي تم تجريبها عن بعد أن تشكيلات BWB لها خصائص مقبولة للاستقرار والمراقبة، بما في ذلك خلال نظم الطيران المنخفضة السرعة التي تكون فيها أجهزة رفع عالية الأهمية، وما زالت الدروس المستفادة من هذه البرامج تسترشد بالبحوث الجارية في استراتيجيات التكامل العالية.

المبادئ الأيرودينامية التي تحقق الكفاءة في استخدام المياه

أولا، إن الإطار الجوي كله يسهم في الرفع، مما يقلل من الحمولة لكل منطقة من مناطق الوحدة على أي قسم معين من الجناح، وهذا الرفع الموزع يقلل من الجر الناتج عن السحب، وهو عنصر رئيسي من مجموع الجر في الرحلات البحرية، وثانيا، إن عدم وجود صمامات مميزة يزيل من مستويات الضغط المفاجئة التي تحدث في مقاطعات الجيران التقليدية التي تخفض وزن أجنحة الجسم.

غير أن هذه السمات نفسها تخلق صعوبات في الاندماج العالي، ويعني استمرار انتهاج مخطط BWB أن الأجهزة التقليدية الرائدة والمتتالية، التي تهدف إلى العمل على قطاعات جناحية مباشرة نسبيا، يجب تكييفها بحيث تُشفى الأقسام الممزوجة أو المصفورة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن المجموعة المركزية السميكة من BWB تولد رفعا كبيرا من تلقاء نفسها، وبالتالي يجب أن يكون توزيع الرفع العالي على طول النطاق متأه على الوجه الأيسر.

الدور الحاسم لنُساء عالية الرفع في الطيران الحديث

إن أجهزة رفع عالية هي أسطح قابلة للتحرك تزيد من معامل رفع الجناح أثناء الإقلاع والهبوط، وغيرها من العمليات ذات السرعة المنخفضة، وبدونها، ستحتاج الطائرات إلى ممر أطول بكثير لتحقيق سرعة آمنة للإقلاع والهبوط، وهو أمر لا عملي ولا اقتصادي، وبالنسبة للنقل التجاري، فإن نظم رفع المركبات العالية مصممة للعمل بصورة موثوقة على أكثر من عشرات الآلاف من دورات الطيران، مع وجود روابط متينة وفشلة.

وبالنسبة لطائرات BWB، فإن المخاطر أعلى من ذلك لأن قياسات الهندسة غير التقليدية تضاعف عواقب تصميم المصعد المرتفع الفقير، ويمكن أن ينشر الإنهيار على سطح BWB بسرعة عبر سطح الرفع المستمر، مما يؤدي إلى فقدان سلطة التحكم، ولذلك يجب اختبار كل نظام رفع مرتفع يوضع على متن طائرة BWB بدقة والتحقق من صحته عبر مظروف الطيران الكامل.

Leading Edge Devices: Slats and Droop Noses

أجهزة الدفع تم نشرها لزيادة كواشف الجناح وتأخير فصل التدفق عند زوايا الهجوم المرتفعة، وتمتد السلاطات من الطرف الرئيسي، وتخلق فتحة تنشط طبقة الحدود وتسمح للجنحة بالعمل في زوايا هجومية أعلى قبل التمطيط، وأنوف الدرووب، التي تفجر كل التلال الأمامية، تحقق أثراً مماثلاً مع ميكانيكيين بسيطين.

وفي تصميمات BWB، يجب أن تستوعب الأجهزة الرائدة المتغيرات التي تُجرى على طول النطاق، وبقرب الجسم المركزي، حيث يكون الجناح سميكاً، وزاوية المسح منخفضة، ويمكن أن تكون الصفائح تقليدية نسبياً، ولكن في الخارج، حيث يصبح الجناح أكثر رقاقة وأكثر غموضاً، تصبح الهندسة أكثر تحدياً، وقد اقترح بعض البحوث المتعلقة بمركبات ثنائي الفينيل متعدد الأطراف استخدام هذه القطع من الوزن إلى جانب معالجة مستقلة.

أجهزة تعقب أجهزة الإدج: أعلام وأجورها

ترتفع الطوافات المتحركة إلى حد كبير من كاميرا الجناح الفعالة وأحياناً منطقته، تقدم دفعة كبيرة في معامل رفع،

على متن طائرة "بي دبليو بي" يجب أن تكون أجهزة التقاط الأثر مصممة للعمل بالتوافق مع مساهمة المصعد في المركب المركزي لأن الجسد المركزي نفسه يولد رفعاً كبيراً

كروزير فلابس وغيرها من الحلول المتخصصة

وتُعدّ طوافات الكروغر لوحات مائلة على سطح الطرف الرئيسي الذي يطير إلى الخارج والتنازل، ويزيد من المخيم ويؤخر الفصل، وهي أبسط من الناحية الآلية من الصفائح، وكثيرا ما تستخدم في الأقسام الداخلية التي يكون فيها حيز المسارات محدودة، وبالنسبة لتشكيلات BWB، قد تكون فصائل كروغر مفيدة على الطرف المؤدي إلى الركيزة المركزية، حيث يكون الستار صعبا.

ومن بين مفاهيم الرفع العالية المتخصصة الأخرى نظم الكامبر المتغيرة التي تستخدم التشوه المستمر لخط سير الجناح لتحقيق تغييرات سلسة في رفعها دون فجوات متفاوتة، بينما هذه النظم أكثر كثافة وأكثر تعقيدا من النكهات التقليدية، فإنها توفر منافع في مجال الملاحة الجوية عن طريق الحد من السحب المرتبط بالفجوات المشتعلة والمعارض المتحركة، وقد استكشفت بعض الدراسات المتعلقة بمركبات الدفن في أعلى طريقة للتوفيق بين متطلبات الارتحال.

التحديات التقنية التي تواجه إدماج الأجهزة العالية الرفع في اتحادات BWB

ولا يقتصر إدماج أجهزة رفع عالية في إطار جوي BWB على توسيع نطاق التصاميم القائمة، بل إن الهندسة الفريدة والتصميم الهيكلي للمركبات الثنائية الفينيل المتعددة البروم تشكل عقبات تتطلب حلولا هندسية جديدة، وهذه التحديات تشمل الديناميات الهوائية والهياكل والآليات وتكامل النظم، ويجب حلها قبل أن تتمكن طائرات BWB من دخول الخدمة التجارية.

Aerodynamic Interference and Flow Separation Risks

إن التحدي الأقرب في مجال الهوائي هو تجنب الفصل المبكر بين التدفق عند نشر أجهزة رفع عالية، وفي الجناح التقليدي، يوفر الصمام حدا طبيعيا يحد من التدفق الواسع النطاق، ولكن سطح الرفع المستمر يسمح بالنشر الحر، ويمكن أن ينشر بسرعة اندلاع مشتعلة تسبب الانفصال المحلي قرب المجمع المركزي، مما يؤدي إلى فقدان مفاجئ وناظر للرفع.

وقد أظهرت ديناميات السوائل الحاسوبية أن الجدول الأمثل لنشر أجهزة رفع عالية من طراز BWB أكثر تعقيدا من ذي قبل بالنسبة للأجنحة التقليدية، ويجب على المصانع أن تتابع بعناية توسيع نطاق أجهزة التأشيرات والمقطورات للحفاظ على تدفقها عبر النطاق بأكمله، وقد تكون تكنولوجيات التحكم في التدفق النشط، مثل الطائرات الاصطناعية أو المولدات الدوائرية، ضرورية لقمع حالات الفصل.

توزيع القروض الهيكلية والنزاهة

وتولد أجهزة رفع عالية كميات كبيرة من الهواء الديناميكية يجب نقلها من خلال هيكل الجناح إلى الحاسوب الجوي، وفي مصرف BWB، يتعقد مسار الحمل بسبب عدم وجود هيكل متنقل ذي أجنحة منفصلة، بل إن الجسد المركزي نفسه يعمل كصندوق هيكلي، ويجب توزيع حمولات عالية من المصعد من خلال إطار مركب أو معدني متكامل بدرجة كبيرة.

وتظهر تحليلات العناصر النهائية أن نقاط ربط مسارات النكهة والسكك الحديدية النحيلة تخلق تركيزات ضغط محلية في جلد وبنية فرعية BWB، ويجب على المصممين تعزيز هذه المناطق دون إضافة وزن مفرط، مما يمكن أن يبطل فوائد الكفاءة في تشكيلة BWB.

التعقيد الميكانيكي وتعبئة القيود

إن الحجم الداخلي لجناح BWB هو سطحي ومشكل بشكل غير منتظم أكثر من حجم الجناح التقليدي، ولا سيما قرب الجسيم المركزي، وهذا الحيز المحدود يقيد حجم الآليات التي تنشر وتسحب أجهزة رفع عالية، والمكتظات السائلة، والأنابيب المتحركة، والبرلاك، والمسارات يجب أن تكون جميعها في المظروف المتاح دون التدخل في صهاريج الوقود أو خطوط الهبوط الكهربائية،

ويصبح التعبئة أكثر تقييدا عندما يكون جهاز التعبئة مصمما لنقل الركاب، حيث يجب على الهيئة المركزية أن تستوعب المقصورة واللافتاوريات والغاليات والرؤوس العامة، وما ينتج عن ذلك من منافسة لفرق تصميم قوات الحجم الداخلية على إعطاء الأولوية، وأحياناً ما يكون ذلك مضراً، على نظام الرفع العالي، وبعض المفاهيم المقترحة المتعلقة بشبكة التعبئة والمحركات خارج الجناح في المعارض المبسطة، ولكن هذا النهج يزيد من جره وضوضاءته.

العقوبات الضعيفة والمفاضلات الفعالة

فكل كيلوغرام من معدات نظام الرفع العالي يقلل من الحمولة أو الوقود الذي يمكن أن تحمله طائرة، وبالنسبة لتصميمات المركبات التي تكون بالفعل مراعية للوزن بسبب هيكلها غير التقليدي، يجب التحكم بعناية في كتلة الرمل والثبات والتعقب والمحاضرين والنظم المرتبطة بها، وكثيرا ما تركز مبادرات خفض الوزن على استخدام المواد المركبة للأسطح المنقولة وعلى تكامل نظم الطيران الأخرى.

غير أن الوزن ليس هو الشاغل الوحيد، إذ أن عقوبة السحب من الثغرات والعقبات والمعارض يمكن أن تؤثر تأثيرا كبيرا على كفاءة الرحلات البحرية، ويجب على مصممي مركبات البوتاسيوم أن يقرروا كم من التنظيفات الهوائية للتضحية من أجل أداء مرتفع، كما أن الأسطح المورفينية توفر طريقا لإزالة الثغرات كليا، ولكنها تزيد من التعقيد والتكلفة، وسيختلف التوازن الأمثل تبعا لملامح البعثة والاحتياجات التشغيلية للطائرة.

التكنولوجيات الناشئة واستراتيجيات التكامل الابتكارية

وللتغلب على التحديات المذكورة أعلاه، يقوم الباحثون والمصنعون بتطوير تكنولوجيات جديدة تضفي على الخط بين أجهزة رفع عالية والهيكل الأساسي للجناح، وتعود هذه الابتكارات بتحقيق الزيادة اللازمة في الرفع دون المساس بالمزايا الأيرودينامية والهيكلية لتشكيلات ثنائي الفينيل متعدد البروم.

هياكل وواجهات إيجابية

وتتغير هياكل الدفن استجابة لظروف الطيران، باستخدام المحركات المتحركة لتزييف الجلد والأطر الداخلية، وبالنسبة لتطبيقات رفع المركبات العالية، يمكن أن تزيد الحافة الرئيسية للمورفين من الكامبر دون الحاجة إلى قطعان مفصّلة، بينما يمكن لطرف متحرك أن يعمل كثافة لا توصف، وقد أظهرت ناسا وعدة جامعات تغيرات طفيفة في شكل مقاييس للكميات تُحدِّدُها عقوبات كبيرة على الرك.

والعقبة الرئيسية التي تحول دون رطوبة أسطح المصعد المرتفعة هي التحمل، إذ يجب أن تصمد الجلود المرنة والآليات الممتثلة لآلاف دورات النشر، والتعرض للأمطار والجليد، وتضرب الطيور، وتركز البحوث الجارية على تشكيل سبيكات الذاكرة ومركبات البوليمر التي يمكن أن تتغير بشكل متكرر دون تشوه دائم، وإذا ما بلغت هذه المواد درجة النضج، فإنها يمكن أن تمكن الطائرات من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات أجنحة حقا.

ابتزاز وحيازة باطلة

وينطوي الدافع الموزع على وضع محركات أو مشجعات صغيرة متعددة على طول الطرف المؤدي إلى الجناح، وكثيرا ما يغرس طبقة الحدود البطيئة الحركة لتحسين الكفاءة في الدفع، وعندما يقترن ذلك بأجهزة رفع عالية، يمكن للدفع الموزع أن يعزز الرفع من خلال التعجيل بالتدفق على السطح العلوي، والعمل بفعالية كطائرة نفاثة، وتستخدم عدة دراسات مفاهيمية من طراز BWB الدافع الموزع للحد من التعقيد الميكانيكي المطلوب للطرق التقليدية.

Boundary layer ingestion (BLI) further improves efficiency by re-energizing the flow near the surface, delaying separation and allowing higher lift coefficients. While BLI is primarily studied for its fuel-saving potential, it also has synergy with high lift systems. By carefully integrating the propulsion and high lift functions, designers can reduce the size and weight of mechanical devices while maintaining or improving field performance.

المواد المتقدمة وتقنيات التصنيع

وقد مكّنت الصناعة التحويلية الاصطناعية، والتنسيب الألياف الآلية، والهياكل المركبة المجهزة المتعاونة من اتباع نهج جديدة في تصميم نظام رفع عال، مثلا، يمكن أن تؤدي مسارات القفز المهيكلة بالبطاقات التي ينتجها صمامات مسحوق الليزر إلى خفض الوزن بنسبة تتراوح بين 30 و 40 في المائة مقارنة بمكافئات الألومنيوم المأكولة، وبالمثل، يمكن أن تكون التركيبات المركبة ذات تركيزاً مبسطاً بدلاً من الضغط السريع.

وهذه التطورات الصناعية قيمة بوجه خاص بالنسبة لطائرات BWB، التي تتطلب مكونات هيكلية كبيرة وممنوعة باهظة التكلفة لإنتاجها باستخدام الأساليب التقليدية، ومع زيادة حجم إنتاج طائرات BWB، يتوقع أن تتراجع تكلفة هذه التقنيات الصناعية المتقدمة، مما يجعل اعتمادها أكثر قابلية للاستمرار من الناحية الاقتصادية.

دراسات الحالة وبرامج البحوث

وقد وفر عدد من برامج البحوث بيانات قيمة وبصرات عملية بشأن تكامل الرفع العالي لتصميمات البيوتادايين السداسي الكلور، وهذه الجهود تشمل الوكالات الحكومية واتحادات الصناعة والمؤسسات الأكاديمية، وكل منها يسهم في جزء من اللغز.

متظاهرة ناسا X-48 BWB

أما السلسلة X-48، التي بنيتها شركة بوينغ وتدفقها ناسا، فهي أكثر البرامج توثيقاً لتجربة الطيران BWB، وX-48B (8.5 في المائة من الحجم) وX-48C (مع مجموعة من السطو والزهور المعدلة) التي تراكمت على 100 رحلة، بما في ذلك عمليات التصفية والهبوط والبطء في عمليات تقييم المناولة، ورغم أن البرنامج لم يتضمن أدوات رفع عالية التشغيل.

نتائج رحلات (إكس-48) أظهرت أنّ مخطّط (بي دبليو بي) يُظهر خصائص كشك المُقزّل إذا تمّ تشكيل الجسد المركزي بشكل سليم، يمكن أن تتدفق الطائرة إلى زوايا هجومية تتجاوز 20 درجة دون انقطاع مفاجئ، مما يعطي إنذاراً واسعاً من المكسو، هذا السلوك مُفضّل لتصميم نظام رفع عالي لأنه يعني أنه حتى لو حدث فصل تدفق محلي، فإنّة البحث الجوي العالمية لا تزال قابلة للتنبؤ.

Airbus MAVERIC and Other Industry Efforts

قام متظاهرون من طراز Airbus بكشف مفاعله (Mdel Aircraft for Validation and Experiment of Robust Innovative Controls) في معرض سنغافورة لعام 2020، وهذا المفهوم 1.6.5 من المقياس BWB يميز شكلاً مختلطاً مع محركات مثبتة ولا ذيل عمودي، في حين أن شركة Airbus لم تنشر مواصفات مفصلة لنظام رفع عال، فإن الشركة أشارت إلى أن التعبئة البرمجيات البرمجيات البرمجيات المبتكرة تشمل

وتشمل مبادرات الصناعة الأخرى دراسات من قبل شعبة البرامج المتقدمة في بونينغ، واتحاد البحوث في مجال السماء النظيفة 2، وقد استكشفت هذه البرامج مختلف مفاهيم الرفع العالية، بما في ذلك الرفوف المثبطة، والحواجز الرئيسية الملتوية، ومراقبة التدفق النشط، التي تطبق على تشكيلات المركبات ذات النطاقات والبعثات المختلفة، وتقارب النتائج بين هذه الدراسات، يشير إلى أنه لا توجد محركات ذات محرك واحد.

التوقعات المستقبلية والخاتمة

ولا يزال إدماج أجهزة رفع عالية في طائرات أجنحة مختلطة أحد أكثر الجوانب تحدياً في تحويل هذه التشكيلة الواعدة إلى السوق، غير أن التقدم المحرز في العقدين الماضيين من التصنيع، وطريقة الرفع؛ ومن تجارب الريح ومحاكاة الديوكسينات المميتة إلى اختبارات الطيران للمتظاهرين الفرعيين، وشكل أساساً صلباً لمواصلة التقدم، وتتزايد قاعدة البيانات الأيرودينامية للنظم العالية في البوسنة والهرسك.

ومن المرجح أن يكون المعلم التالي في المستقبل طائرة متظاهرة تكنولوجية كاملة النطاق تضم نظاما عاليا تماما للرفع، ومن شأن هذه المركبة أن تتيح للمهندسين التحقق من صحة خامات النشر وقياس الحمولات والانحرافات في الرحلات الجوية وتقييم مدى استدامة النظام في الأجل الطويل، وستغذي الدروس المستفادة من ذلك المتظاهر مباشرة في تصميم طائرات BWB التي يمكن أن تدخل الخدمة في السوق في عام 2030 أو 2040.

وبالنسبة للخطوط الجوية والمشغلين، فإن النجاح في إدماج أجهزة رفع عالية في تصميمات المركبات الثنائية الفينيل المتعددة الكلور يعني الوصول إلى الطائرات التي تجمع بين كفاءة الرحلات الجوية الاستثنائية وتوافق المطارات، وقصر طولها الميداني، وانخفاض آثار ضوضاءها، وانخفاض استهلاك الوقود، إذا ما تم تصميم نظام رفع عالي بنفس المعايير العالية التي يُعدها باقي الأطقم الجوية، وسيكون الدفع النهائي هو جيل من الطائرات التي لا تقدم بشكل ملموس فحسب، بل تعمل أيضا في مجال النقل الحقيقي والاقتصادي.

وسيلزم التعاون المستمر بين الباحثين والمصنعين والهيئات التنظيمية لحل الشكوك المتبقية، كما ستشارك منظمات مثل إدارة الطيران الاتحادية و وكالة سلامة الطيران التابعة للاتحاد الأوروبي في مناقشات أولية بشأن متطلبات التصديق على تشكيلات BWB، وسيؤثر توجيهها على خيارات الصيانة المتعلقة بنظم رفع عالية، ولا سيما فيما يتعلق بكيفية الوصول إلى المركبات.