إدماج نظم الطاقة الكهربائية الهجينة في التجمعات التجارية للطائرات

The Shift Toward Hybrid-Electric Propulsion in Commercial Aviation

وتخضع صناعة الطيران التجاري لضغط متزايد من أجل تخفيض آثار الكربون في الوقت الذي تحافظ فيه على السلامة والموثوقية والقدرة الاقتصادية التي تحدد السفر الجوي الحديث، وقد ظهرت نظم الطاقة الكهربائية الهجينة باعتبارها أحد أكثر الطرق واعدة نحو تحقيق هذه الأهداف، ومن خلال إدماج عناصر الدفع الكهربائي التي تنطوي على محركات تربينية تقليدية للغاز، فإن البنايات الهجينة توفر جسرا بين الطائرات الحالية التي تعتمد على الوقود الأحفوري، كما أنها تشكل أسطولا للطاقة الكهربائية التي تعالج بصورة منهجية.

وتقدم هذه المادة دراسة مفصلة للاعتبارات التقنية، والمبادلات التصميمية، والآثار الاستراتيجية المرتبطة بإدماج نظم الطاقة الكهربائية الهجينة في الطائرات التجارية، وهي موجهة لمخططي الأسطول، ومصممي الطائرات، ومشغلي الطائرات، وأي شخص له مصلحة مهنية في الانتقال إلى الطيران الأكثر استدامة.

Understanding Hybrid-Electric Power Systems

ويجمع نظام الطاقة الكهربائية الهجينة في طائرة ما بين نظام واحد على الأقل من المحركات الحرارية التقليدية، ومحرك حراري واحد، وجهاز تربوي أو توربوبروب للانبعاثات من طراز " توربو " ، ونظام فرعي للدفع الكهربائي يشمل البطاريات، والمركبات الكهربائية، والمحارق، ووحدة لإدارة الطاقة، والافتراض الأساسي هو أن الجزء الكهربائي يمكن أن يكمل أو يحل محل محرك السيارات الحرارية.

يمكن أن يتفاوت هيكل نظام الطاقة الهجينة تفاوتاً كبيراً في SURGd، أو تركيبة المحرك الحراري التي تنتج الكهرباء، أو التي بدورها تعمل بالكهرباء على تركيبة المحرك الحرفي (FLT: 1) أو التي تعمل كعازف للطاقة.

ويتحمل كل هيكل آثاراً متميزة على الوزن والكفاءة والتكرار وتعقيد نظام المراقبة، ويعتمد اختيار الطبقات على موجزات البعثات وحجم الطائرات ودرجة نضج التكنولوجيات الأساسية المكونة.

العناصر الرئيسية ودورها الوظيفي

ويضم جهاز كهربائي كهربائي هجيني عدة نظم فرعية يجب أن تعمل في إطار توافقي، ويُعد فهم كل عنصر من عناصر الكويكو، والدور الأساسي لتقييم احتياجات التكامل.

Battery Energy Storage Systems

وتخزن البطاريات الطاقة الكهربائية للاستخدام أثناء الرحلة، حيث توفر الكيمياء الحالية لليثيوم - إيون كثافة محددة للطاقة في نطاق 250 مندش؛ 300 من العجلات/كغ على مستوى الخلايا، على الرغم من أن عبوة على مستوى المنظومة تقلل من ذلك إلى 150 من التعبئة الحرارية؛ 200 من العجلات/كغ، وبالنسبة للطائرات الكهربية المهجورة، فإن البطاريات تُطَّة لتوفير الطاقة اللازمة للإقلاع وتسلق.

المحركات الكهربائية والمترجمون الشفويون

وتحوّل محركات الكهرباء الطاقة الكهربائية إلى طاقة آلية للتشغيل المروحي أو المروحيات، وتُفضَّل المحركات المتزامنة الدائمة لكثافة الطاقة العالية وكفاءتها، التي تتجاوز في كثير من الأحيان 95 في المائة، أما اللافتر الذي يحول التيار المباشر من البطارية أو المولد إلى تيار متناوب للمحرك، فيجب أن يتعامل مع ارتفاع ترددات التحويل ومستويات الطاقة، مع التقليل إلى أدنى حد من التدخل الكهرومغناطيسي.

إدارة السلطة والتوزيع

وتراقب وحدة إدارة الطاقة تدفق الكهرباء بين المولدات والبطاريات والسيارات وشحنات الطائرات، ويجب عليها أن تستجيب للتغيرات السريعة في الطلب على الطاقة، وإدارة حالة الشحن، وضمان بقاء الفولط والتواتر في حدود مقبولة، كما يجري تطوير نظم توزيع عالية الحركة تعمل في 1ندوش(4)؛ كما يجري تطوير المركبات للحد من الخسائر في الكتلة الكابلاتية وفي الأورام، كما أن الكشف عن الأخطاء والعزلة هما من السمات الأساسية في هذه البنيانات العالية.

المحركات الحرارية والمولدات الكهربائية

وفي التشكيلات الهجينة، قد يكون المحرك الحراري مشتقاً من توربفان قائم أو توربان غازي مبني على الغرض، ويحقق الكفاءة في نقطة تشغيل محددة، وعندما يستخدم في نظام هجين أو توربويكلي، يقود المحرك مولداً كهربائياً يزود المولد بالطاقة الكهربائية بالمحركات، ويجب أن يكون قادراً على معالجة إنتاج المحرك العالي الإثراء، ويجب تصميمه من أجل تهيئة بيئة ملائمة.

اعتبارات التصميم للتكامل

ويتطلب إدماج نظم الطاقة الكهربائية الهجينة في إطار جوي إعادة التفكير في تشكيلة الطائرات، والاعتبارات التالية هي من بين أكثر الاعتبارات تأثيرا.

التأثير على الإدارة السليمة والهيكل

فإضافة البطاريات والسيارات الكهربائية والإلكترونيات الكهربائية ونظم التبريد المرتبطة بها تُدخل كتلة كبيرة، ويمكن أن تزن مجموعات البطاريات وحدها عدة أطنان، حتى بالنسبة للطائرات الإقليمية، ويجب أن يقابل هذا الوزن الإضافي تخفيضات في عبء الوقود وبأمثلة هيكلية، كما أن الكتلة الموزعة تتحول أيضا إلى التصاميم المضغوط للطائرات، مما قد يتطلب تغييرات في موقع الجناح، أو تركيبة للوزن المتطورة أو تركيبة المتطورة.

توزيع السلطة وسحب المرافعات

ويجب توجيه كابلات الطاقة ذات التأثير العالي عبر الحاسوب الجوي لربط المولدات والبطاريات والسيارات، والوزن القاتم، والتفكك الحراري، والتدفئة الكهرومغناطيسية، إلى اتخاذ القرارات، ويجب حماية الكابلات من الضرر في سيناريوهات التحطم، ويجب ألا تتدخل في كابلات التحكم بالرحلات، أو خطوط الوقود، أو العناصر الهيكلية، وفي التشكيلات الآلية التي تخترق أجنحة، وتعبر أكوام الطائرات.

نظم الإدارة الحرارية

وتولد البطاريات والإلكترونيات للطاقة حرارة كبيرة يجب رفضها للبيئة، وقد تكون نظم الإدارة الحرارية الحالية مصممة أساساً لتدفئة المحركات وتكييف الهواء في المقصورة، إذ تتطلب الطائرات المتحركة القدرة على التبريد، وكثيراً ما تستخدم حلقات التبريد السائلة مع أجهزة الترميز التي تُقام في الناكسات أو الحوافات الرئيسية الجناحين، ويجب إدماج قنوات الرم الجوية وأجهزة التبريد الحرارية دون زيادة الإفراط في الترام.

الهيكل التنظيمي لأماكن الإقامة والسلامة

وتطالب متطلبات التأهيل للطائرات التجارية بعدم وجود أي فشل واحد يؤدي إلى حدوث كارثة، إذ أن نظم الطاقة الكهربائية الهجينة تستحدث أساليب فشل جديدة، بما في ذلك الممر الحراري للبطارية، وأخطاء أجهزة التحكم في السيارات، وارتفاع مستوى الحركة، ويجب تصميم إعادة التوحيد على مستوى النظام، مع وجود مسارات متعددة مستقلة للطاقة، ورياح محركية زائدة، وحزمة للتحكم في المركبات.

القدرة على التكرار بالصدمات الكهربائية

وتولد المحاورون والمحركات ذات الطاقة العالية حقول الكهرومغناطيسية يمكن أن تتداخل مع نظم الملاحة والاتصالات، والشحن والتصفية والربط بالكابلات بعناية، وذلك للوفاء بمعايير التوافق الكهرومغناطيسي، ويجب أن يُصاغ التفاعل بين الكترونيات الكهربائية والطائرات المصفحة، وأن يُختبر النظام الكهربائي في جميع ظروف التشغيل.

تغيرات في تشكيل الطائرات من أجل التكامل الهجين - الإلكتروني

وقد يختلف التصميم المادي لطائرة كهربية مختلطة اختلافا كبيرا عن مخطط الطائرة التقليدية، مما يؤثر على الديناميات الهوائية وتوزيع الوزن وإمكانية الوصول إلى الصيانة.

ابتزاز وحيازة باطلة

ومن أكثر التشكيلات دراسة للطائرات الكهربية الهجينة، توزيعها على الدافع الكهربائي، حيث يقوم مروحيات أو مروحات صغيرة متعددة بحملات دفع السيارات وتوزيعها على طول الجناح أو النسيج، ويمكن لهذا الترتيب أن يحسن كفاءة البيوت الهوائية بتمكين طبقة الحدود من التكبير؛ ويزيد من تعقيدات الهواء من سطح النسيج، ويحد من الجر وتحسين كفاءة الدافعين(57).

Wing-Mounted Motor Nacelles

وفي التشكيلات التي تقود فيها السيارات الكهربائية المدافعة الجناحين، يجب تصميم الناكسيليات لتقليل الجاذبية إلى أدنى حد وللاندماج مع هيكل الجناح، وقد يتطلب الكتلة المضافة من المحركات ونظم التبريد في الجناح تعزيز جناح السبار وتغييرات في توزيع لحظة القفز بالجناح، ويجب إعادة تقييم الآثار الهوائية، بما في ذلك التدفق.

إدماج مجموعات البطاريات

ومن المرجح أن تُقام عبوات البطارية في مخزن الصمامات، إما تحت طاولات المقصورة، أو في حاويات الشحن المخصصة، وهذا المكان يحمي البطاريات من التأثير في هبوط تحطم، ولكنه يستهلك كمية كبيرة من البضائع أو أماكن الركاب، كما أن الحماية من الحرائق الهيكلية واحتواء المدرج الحراري إلزامية، مما يتطلب حواجز مقاومة للحرائق ونظم تهوية يمكن أن تعالج عمليات القصف بالبطارية.

عمليات الهبوط والهبوط

وقد يكون للطائرات الكهربائية الهجينة توزيع مختلف للوزن أثناء المناولة الأرضية، وقد يلزم إعادة تركيب معدات الهبوط أو تعزيزها، كما أن قدرة سيارات الأجرة الكهربائية تستحدث متطلبات جديدة لوصلات الطاقة الأرضية، والهياكل الأساسية المسبقة للضرب عند البوابات، وإجراءات الصيانة للنظم ذات الحركة العالية.

أوجه التكامل الهجين - الإليكتري

وتتجاوز الفوائد المحتملة للدفع بالكهرباء المدخرات في الوقود، والمزايا التالية تدفع الاستثمار في جميع أنحاء الصناعة.

انخفاض استهلاك الوقود وتكاليف التشغيل

وباستعمال الطاقة الكهربائية خلال المراحل العالية الصدأة مثل الإقلاع والتسلق، تسمح النظم الهجينة للمحرك الحراري بالعمل في بيئة رحلات جوية أكثر كفاءة، وتشير الدراسات إلى أن الطائرات المهجنة الإقليمية يمكن أن تقلل من حروق الوقود المانع بنسبة تتراوح بين 20 و 40 في المائة مقارنة بالاضطرابات التقليدية، تبعاً لطول البعثة وكثافة الطاقة في البطاريات، ويقلل استهلاك الوقود بصورة مباشرة من تكاليف التشغيل ومن التعرض لتقلب أسعار الوقود.

انخفاض الانبعاثات والفوائد البيئية

وتنتج الدافع الكهربائي صفرا من ثاني أكسيد الكربون في الرحلة، وثاني أكسيد النيتروز، وانبعاثات الجسيمات، وحتى عندما تكون محاسبة الكهرباء الشبكية المستخدمة في شحن البطاريات، فإن انبعاثات الوقود من الواسير منخفضة عن انبعاثات وقود الطائرات، ولا سيما إذا تم تطهير الشبكة، كما أن الطائرات المتحركة تعمل على الحد من الآثار غير ثاني أكسيد الكربون مثل تكوين المكشوف، حيث تقل درجة حرارة العادم وثبات المائية عن المحتويات الكهربائية.

تخفيض عدد الأفراد

والمحركات الكهربائية أكثر هدوءا من محركات الاحتراق الداخلية، وفي التشكيلات الكهربائية الهجينة، يمكن إعادة تشغيل المحرك الحراري أو إغلاقه أثناء النهوج والهبوط، مما يقلل بدرجة كبيرة من آثار الضوضاء المحيطة بالمطارات، وقد تتيح هذه القدرة العمليات في مطارات حساسة للضوضاء ومدة ساعات الطيران، مما يؤدي إلى تحسين استخدام الأسطول.

المرونة التشغيلية والبعثة على الوجه الأمثل

وتتيح نظم الطاقة الكهربائية القدرة على تحقيق الاستخدام الأمثل لعمليات الطاقة لمراحل مختلفة من الرحلات الجوية، وتخفض الزيادة الكهربائية أثناء الإقلاع من ارتداء المحرك الحراري وتمتد من عمر المحرك، وتزيل سيارات الأجرة الكهربائية حروق الوقود والانبعاثات على الأرض، مما يمكن أن يمثل نسبة تصل إلى 5 في المائة من كمية الحرارة العادية، واستهلاك الوقود، ويمكن أن يتحول الارتفاع في الهواء إلى أعلى مستوى من الطاقة الحرارية والكهربائية إلى أقصى حد ممكن.

تحسين عمليات إعادة التوطين والسلامة

ومع وجود مصادر متعددة مستقلة للطاقة، يمكن للطائرات الكهربائية الهجينة أن تحقق مستوى أعلى من إعادة التكرار في الدفع مقارنة بالتصميمات التقليدية للمحركين المزدوجين، وفي حالة فشل المحرك الحراري، يمكن للمحركات الكهربائية أن توفر زخما مستمرا، مما قد يلغي الحاجة إلى إجراءات الانجراف المحركات، وهذه القدرة تبسط تخطيط الرحلات وتفتح إمكانيات جديدة للطرق على التضاريس التي تتطلب حاليا عمليات ممتدة ذات محركين.

Certification and Regulatory Landscape

وتطرح شهادة الطائرات المهجورة تحديات جديدة أمام المنظمين، وتعمل القوات المسلحة الأنغولية ووكالة الفضاء الأوروبية وغيرها من السلطات على تكييف معايير صلاحية الطيران الحالية بحيث تُحسب للنظم ذات الحركة العالية، وسلامة البطاريات، وزيادات الدفع الكهربائي.

وتشمل المجالات الرئيسية للتركيز التنظيمي ما يلي:

• Battery safety:] Thermal runaway containment, venting, fire suppression, and structural protection in crash conditions.
• High-voltage systems:] Arc fault protection, insulation monitoring, and personnel safety during maintenance.
• Electric motor reliable:] Demonstration of motor life, winding insulation durability, and fault tolerance.
• Power management software:] Certification of control algorithms that manage power distribution and system refiguration.
• Electromagnetic compatibility:] Demonstration that propulsion electrical systems do not interfere with flight-critical avionics.

وتتعاون الصناعة من خلال منظمات مثل شركة SAE International وشركة الطيران النظيفة الأوروبية لوضع معايير توافقية للدفع الكهربي المختلط، غير أن الجدول الزمني لإصدار الشهادات للطائرة الأولى العاملة في مجال الطاقة الكهربائية المهجورة التجارية من المرجح أن يمتد إلى أوائل الثلاثينات، حيث أن المنظمين والمصنعين يكتسبون خبرة في هذه التكنولوجيات.

البرامج الحالية واللاعبون في مجال الصناعة

وتقوم عدة شركات رئيسية في صناعة الفضاء الجوي، وبدء التشغيل، ومنظمات البحوث، بتطوير طائرات كهربية بصورة نشطة، وتوفر هذه البرامج نظرة ثاقبة على مسار التكنولوجيا في الأجل القريب.

الطائرات الإقليمية والبرية

وتدرس شركات تصنيع مثل شركة ATR و Embraer و De Havilland Canada المتغيرات الهيجينة الكهربية لمنصات توربوبروب القائمة، وتعتبر السوق الإقليمية من 50 إلى 100 مقعد هي أكثر نقاط الدخول واعدة في الأجل القريب بالنسبة للنشرات الكهربية، حيث أن الأجزاء القصيرة من الرحلات الجوية وسرعات الرحلات السياحية الأقل تتواءم مع كثافة الطاقة الحالية في الفضاء الجوي.

NASA and Government Research

مشروع كشف كهرباء الكهرباء في ناسا هو اختبار نظام كهربائي واحد لإدارة المحرك الكهربائي والطاقة على طائرة إقليمية معدلة، ويهدف البرنامج إلى تسريع استعداد عناصر الطاقة الكهربائية من خلال اختبار الطيران والتحقق منه. NASArsquo؛ وبرمجة الدفع بالطائرات المكهربة

المصانع الرئيسية والموردون

(ب) أعلنت شركة " إيه بيبس " عن عزمها على تطوير طائرة تجارية تعمل بالطاقة الهيدروجينية، ولكن الشركة تستثمر أيضاً في تكنولوجيات الطاقة الكهربائية الهجينة للمنابر الإقليمية، وقد اشتركت شركة " بوينغ " مع المؤسسات الأكاديمية المعنية بالبحث عن الطاقة الكهرمائية.() وقد طورت شركة رولز رويس " (EonBird)، وهي عبارة عن 2.5 ميغاوات كهربائية مصممة لتطبيقات كهربائية.

بدء العمل والنُهج الفاسدة

Ampaire, a California-based startup, has modified a nine-seat Cessna Caravan to fly with a hybrid-electric powertrain and has conducted commercial passenger flights in Hawaii. The experience gained by Ampaire in operating hybrid-electric aircraft under Part 135 rules offers early data on reliable, maintenance, and dispatch rates. Amprics feasible qurso

التوقعات والتحديات المستقبلية

ولن يحدث دمج نظم الطاقة الكهربائية الهجينة في الطائرات التجارية بين عشية وضحاها، ويجب التغلب على العديد من التحديات الحاسمة قبل أن تصبح هذه التشكيلات جزءا رئيسيا من مسارها.

حدود تكنولوجيا البطاريات

ولا توفر البطاريات الحالية لليثيوم طاقة محددة كافية للرحلة الجوية الهجينة الطويلة، وحتى بالنسبة للبعثات الإقليمية، يفرض وزن البطاريات عقوبة كبيرة على الحمولة، كما أن البطاريات ذات الولاية الصلبة وكيمياء الكبريت الليثيوم قيد التطوير، ويعودون ببطاقات محددة من 400 راندش؛ 600 Whkg على مستوى الخلايا، ولكن الاستعداد للإنتاج لا يزال بعيدا عن ذلك.

الهياكل الأساسية والعمليات الأرضية

وسيحتاج المطارات إلى الاستثمار في محطات شحن عالية الطاقة لرسوم التاكسي الإلكتروني للبطارية وعمليات الطيران، ويتطلب شحن مجموعة من البطاريات الإقليمية في 20 إلى 30 دقيقة تسليم طاقة متعددة الميغاوات، قد تضغط على الشبكات الكهربائية المحلية، وسيلزم نشر أجهزة الربط الموحدة للشحن، وبروتوكولات السلامة، ونظم تخزين الشبكات عبر شبكة المطارات.

التكلفة الاستحقاق والإنتاج

ولا تزال المكونات الكهربية الهجينة باهظة التكلفة بسبب انخفاض حجم الإنتاج، إذ أن سلسلة الإمداد بالحيز الجوي للمحركات ذات الحركة العالية، والإلكترونيات الكهربائية، والبطاريات الكبيرة الحجم لم تُضخ بعد لدعم نشر الأسطول، وإلى أن تزداد أحجام الإنتاج وتتراجع التكاليف، فإن الطائرات الإلكترونية المختلطة ستحمل علاوة سعر شراء يجب أن تقابلها وفورات في الوقود.

مخاطر التصديق على النظام

ويزيد عدم اليقين في جداول التوثيق والمتطلبات من المخاطر التي تهدد قرارات الاستثمار، إذ يجب على الجهات المصنعة أن تخصص رأس مال كبير لبرامج التنمية دون وضوح تام للمعايير التي ستطبق في نهاية المطاف، وتعمل الوكالات التنظيمية على توفير التوجيه، ولكن سرعة وضع القواعد قد تتخلف عن سرعة تطوير التكنولوجيا.

أفراد القوة العاملة والأفراد المهرة

وسيحتاج العمل في مجال الصيانة والإصلاح وإصلاحها وإصلاحها إلى تدريب على نظم ذات دفعات عالية، وتشخيص البطاريات، ورصد صحة السيارات الكهربائية، ويجب على شركات الخطوط الجوية ومقدمي خدمات النقل المتعدد الوسائط تطوير مجموعات جديدة من المهارات ومسارات التصديق للميكانيكيين والمهندسين، كما يتطلب الانتقال إلى عمليات أسطول المركبات الهجينة أيضا من المرسلين والطيارين والمعالجين الأرضيين لفهم الخصائص التشغيلية للدفع الكهربائي.

الآثار الاستراتيجية لتخطيط الأسطول

وبالنسبة للخطوط الجوية ومخططي الأسطول، تمثل الطائرات المهجورة الكهربية فرصة وتحد استراتيجي على حد سواء، وتتمثل هذه الفرصة في الاعتماد المبكر للتكنولوجيا الأقل تكلفة التي يمكن أن تقلل من تكاليف الوقود وتوفر ميزة تسويقية في الأسواق التي تركز على الاستدامة، ويتمثل التحدي في الاستثمار الرأسمالي الكبير، والاعتماد على الهياكل الأساسية، ومنحى التعلم التشغيلي المرتبط بأي نموذج جديد للدفع.

وينبغي لمخططي الأسطول أن ينظروا في ما يلي عند تقييم التكامل بين الطاقة الكهربائية الهجينة:

• Route network alignment:] Hybrid-electric aircraft will initially be suited to short-haul, high-frequency routes within regional networks. Planners should identify routes where the payload-range capabilities of early hybrid-electric models align with current demand.
• ]Charging and maintenance infrastructure:] Investment in charging stations, bat storage, and trained maintenance personnel will be required at hub airports. Planners must coordinate with airport authorities and ground service providers to ensure readiness.
• Phased fleet transition:] A gradual introduction of hybrid-electric aircraft, starting with one or two routes, allows flights to gain operational experience before scaling. Lessons learned from early operations inform subsequent fleet purchase decisions.
• ]Partnerships and risk sharing:] Collaboration with manufacturers, leasing companies, and energy providers can reduce financial risk. Power purchase agreements for renewable energy to charge aircraft batteries can further improve the environmental case.

خاتمة

وتمثل نظم الطاقة الكهربائية الهجينة مسارا عمليا عمليا وعمليا نحو إزالة الكربون من الطيران التجاري، ولا سيما بالنسبة للأساطيل الإقليمية والقصيرة المدى، ويستلزم إدماج هذه النظم في تشكيلات الطائرات اهتماما دقيقا بالوزن، والإدارة الحرارية، وتوزيع الطاقة، والسلامة، والامتثال التنظيمي، وفي حين أن القيود المفروضة على تكنولوجيا البطاريات، ومتطلبات الهياكل الأساسية، والجداول الزمنية لإصدار الشهادات تشكل حواجز حقيقية، فإن وتيرة التنمية في جميع أنحاء الصناعة آخذة في التسارع.

وسيشهد العقد المقبل أول طائرة هيبريهية تجارية تدخل الخدمة، في البداية في العمليات الإقليمية وعمليات النقل المخففة، وستؤدي عمليات النشر المبكر هذه إلى بناء الخبرة التشغيلية، ودرجة نضج سلسلة الإمداد، والسوابق التنظيمية اللازمة لتوسيع نطاق التكنولوجيا لتشمل الطائرات الأكبر والبعثات الأطول، وبالنسبة لمخططي الأسطول ومهنيين الطيران، فإن الوقت الذي يبدأ فيه الإعداد للانتقال السريع الهجين هو الآن فهم الحقائق الهندسية، والآثار المترتبة على ذلك، والمنظمات.