مقدمة

وتتوفر الطائرات الحديثة في توتر مستمر بين الأداء والكفاءة، فكل ملليمتر من الأطقم الجوية، وكل معقوفتين، وكل عنصر متطور يجب تبريره من خلال المبادلات الهندسية التي تجلبها، ومن بين أكثر الحلول اناقة للسحب التي تنتجها هذه الترسبات هي [التصميمات الرباعية] للوقود الجوي - أشكال الارتداد البصري المحترقة التي تُعرض فيها الأجهزة.

وتعود أصول المعارض إلى الأيام الأولى للطيران، عندما يضاف المصممون نسيج مغطى بالملئ لتنظيف تدفق الطائرات حول هدنة العجلات وموجات التعبئة الجناحية، واليوم، تسمح ديناميات السوائل الحاسوبية والمواد المركبة المتقدمة للمهندسين بتشكيل مذاهب بدقة، وتحقيق تخفيضات في الجرعات تترجم مباشرة إلى تكاليف تشغيلية أقل، وتخفض انبعاثات الكربون.

ما هي المسابقات الهوائية؟

إن إقامة معرض جوي هو نظام غير هيكلي أو شبه هيكلي يغطي الغرض الرئيسي منه تخفيض السحب الهوائي من خلال سلاسة التدفق الجوي فوق العناصر التي من شأنها أن تعطل المسار الحر، وترتبط المسابقات عادة بقطع الغيار التي تغطيها أو تدمج فيها، وتتبع مبادئ المخروطات المبسطة - المسيل للدموع.

وتدرج المكافآت في عدة فئات على أساس الموقع:

  • ] Landing Equipment fairings:] Cover wheels, struts, and retraction mechanisms during flight. They may remain fixed or be deployed after gear retraction.
  • Pylons:] Wrap around motor pylons (and sometimes the motortowing junction) to minimize interference drag and wake turbulence.
  • ]Wing —Wing —body fairings:] Smooth the junction between wing and fuselage — often called “wing fillets.” while not the main focus here, they are related in principle.
  • Tailcone and antenna fairings:] Used on radomes, tracking edges, etc.

ويجب أن يوازن تصميم أي من أشكال الإنصاف بين الفوائد الأيرودينامية من الوزن والتكاليف والقابلية للاستمرار، وبالنسبة لمعدات الهبوط والزهور على وجه الخصوص، فإن المخاطر عالية لأن هذه المكونات كبيرة ومحمولة بشدة ومعرضة بدرجة عالية أثناء الرحلة. ويمكن أن تؤدي المعارض المصممة جيدا إلى خفض إجمالي جر الطائرات بنسبة 1 إلى 3 في المائة، مما يترجم إلى وفورات كبيرة في الوقود على حياة شركة طيران (Source: 2009[FLT:]

الأثر على لاندينغ غرز

مصادر من الغطاء الأرضي

وتشكل معدات الهبوط أحد أكبر مصادر جر الطائرات، حيث تصل إلى ٥-١٥ في المائة من مجموع الجر في مرحلتي الإقلاع والتسلق، وجزء أصغر حجما وإن كان لا يزال كبيرا أثناء الرحلة )إذا ثبتت المعدات(، بل إن المعدات القابلة للسحب، بعد أن تهتز، تخلق جرا من آبار العجلات، والإطارات المعرضة جزئيا، والآليات نفسها، وتشمل المصادر الرئيسية لسحب معدات الهبوط ما يلي:

  • Profile drag] from wheels, struts, and torque links.
  • Interference drag] at the junction between equipment components and the airframe.
  • Base drag] from blunt tracking edges.
  • Flow separation] behind cylindrical struts.

How Fairings Mitigate These Sources

وتتناول معارض معدات الهبوط - التي تسمى أحيانا " المسافات " على الطائرات الصغيرة أو " الطوابق الكبيرة " على كل مصدر - كل من هذه المصادر، وتشمل أكثر أنواع المناظر شيوعا ما يلي:

  • Wheel fairings:] Enclose the tires in a smooth, aerofoil — binding shell that reduces profile and base drag. On many general aviation aircraft, these are fixed; on flights, they often collapse or fold after gear retraction.
  • Strut fairings:] Streamlined covers around the main strut, often incorporating a “knife-folding” tracking edge to reduce the wake.
  • Torque link fairings:] Small, teardrop-shaped covers over the scissor link (torque link) to reduce parasitic drag.
  • Wheel well fairings:] Smooth panels that close over the wheel well after retraction, preventing the well from acting as a drag -inducing cavity.

- إن طائرات النقل الحديثة مثل طائرة بوينغ 787 والطائرات A350 لها مواصفات مجهزة بالهبوط المنصفة على نطاق واسع، إذ تستخدم 787، على سبيل المثال، معارض مركبة مجهزة للكربون ومحررة خصيصاً لساق المعدات الرئيسية، وتخفض هذه المعارض الجر بنسبة 1.5 في المائة تقريباً مقارنة بالتصميمات التقليدية للألومنيوم، وتسهم أيضاً في انخفاض مستويات الضوضاء عن طريق سلاسة التدفق الجوي حول المعدات أثناء عملية الخفض.

النظر في مسألة الاستخلاص والنشر

ويجب ألا تتدخل معارض معدات الهبوط في دورة السحب، ففي العديد من الطائرات، تتجه المرافعات إلى فتحها وقربها مع امتداد المعدات وسحبها، مما يُحدث تعقيدا: يلزم الإكتوارات، والخطوط، وأجهزة الاستشعار القريبة لضمان الإغلاق الإيجابي، ويجب على المهندسين أيضا أن يُشكلوا التوسع الحراري، والانحراف، والاحتمالية في استهلاك الحطام.

تخفيض عدد الأفراد

كما تؤدي المسابقات دوراً رئيسياً في تخفيف حدة الضجيج الهوائي في معدات الهبوط - وهو مساهم رئيسي في الضجيج المجتمعي أثناء الهبوط - وبتسد الثغرات وسد الحواف الحادة، تؤدي المعارض إلى الحد من الايقاظات المضطربة ورفوف الطوابق التي تولد ضوضاء عالية التردد، وقد أظهرت البحوث التي أجريت في وكالة ناسا وفي إطار برنامج السماء النظيفة التابع للاتحاد الأوروبي أن التصاميم المثلى للضوضاء يمكن أن تقلل من مستوياتها إلى 14 عاماً.

الأثر على مصادرة البيلونات

Pylon Aerodynamics and Interference Drag

إن الأنابيب المحركية هي الجسور الهيكلية بين الجناح )أو الصمام( والمحرك ناسيل، ويجب أن تحمل حمولات الدفع، وخطوط الوقود، والكابلات الكهربائية، بينما توجه أيضا تدفق الهواء الوافد إلى محرك السيارة، ولا بد أن يؤدي وجودها إلى اضطرابات في الهواء، أي الاضطراب والانفصال، مما يزيد من جره بل ويمكن أن يزعزع استقرار طبقة الحدود التابعة للجناح.

إن التدخل الجوي بين البيلونز والجناح والناتشيل معقد للغاية، وتتسارع التدفق بين الناتشيل والجناح السفلي، ويجب أن يكون تقاطع البيلونز بعناية لتجنب فصل التدفق، كما أن الجنيات التي تدمج البيلونز في الجناح )المعروفة باسم " المليئين " (، وأن التدخل السلس في مسار البلايون أمر أساسي للتقليل إلى أدنى حد.

أنواع المعارض باللونات

  • Pylon Traing‐edge fairings:] A long, tapering fairing that extends aft of the structural pylon, often reaching the tracking edge of the wing flap. This fairing guides the air flow smoothly past the pylon and reduces wake fishness.
  • Pylon —to —NAcelle fairings:] Rounded transitions at the junction between the pylon and the motor nacelle. These prevent a sharp step that would create separation.
  • Pylon —to —‐joings:] Also called “pylon cages,” these are streamlined covers that wrap around the pylon attached points on the wing lower surface. They significantly reduce interference drag at the wing —pylon junction.
  • Engine accessory fairings:] Small, teardrop covers for external motor components like electricitys or hydraulic pumps mounted on the pylon.

دراسة حالة: تركيبات حديثة من طراز توربفان

)أ( إن مقياس كبير لمحركات التربفان العالية )مثلاً، طراز CFM LEAP، وPrat & Whitney GTF، وRoels-Royce Trent( يجعل تصميم معرض للهالونات حرجاً بوجه خاص، ويحتاج التباعد بين المحرك والجناح إلى قرع مُصفية تسمح أيضاً بتركيب أجهزة عكسية للدفع وأجهزة مُثبطنة مُثثثثثثثثثثثثتة.

كفاءة الوقود وازدياد التجارة

وتزيد معارض اليونز تعقيدات الوزن والتصنيع، إذ يجب أن يقابل كل كيلوغرام من المكافآت تخفيضا قابلا للقياس في حروق الوقود، وفي الممارسة العملية، يمكن أن تقلل معارض الأنابيب المصممة جيدا من جر الطائرات عموما بنسبة 0.5 إلى 1.5%، مما يترجم إلى وفورات سنوية في الوقود تبلغ عشرات الآلاف من الدولارات لكل طائرة، وعندما تضاعف عبر أسطول، تكون حالة الاستثمار في تصميمات المرافعة المتقدمة قوية.

اعتبارات التصميم

Weight vs. Drag

والمبادلات الأساسية في تصميم المناصفات هي بين الأداء الهوائي والكتلة، إذ تؤدي معارض الخفيف إلى تخفيض العقوبة الهيكلية، ولكنها قد تكون أقل صرامة، مما يؤدي إلى قضايا الارتطامات أو الاهتزاز، وتوفر المواد المركبة (البوليمرات المحررة من حيث الكربون، والمركبات المتحررة من الزجاج) نسبة قوة مفضلة إلى الوزن ويمكن أن تُدمج في أشكال معقدة ومعقدة من حيث التكلفة.

المقاومة الحرارية والبيئية

ويجب أن تصمد المسابقات القريبة من المحركات درجات حرارة عالية (وبخاصة قرب العادم) وبالنسبة لمعارضات البيلونز، يجب أن تقاوم المادة الحرارة حتى 200-300 درجة مئوية وأن تكون مقاومة للوقود والزيت والسائل الهيدروليكي، وكثيرا ما تستخدم التيتانيوم والمركبات المتقدمة ذات الراتنجات العالية الحرارة، كما أن معارض معدات الهبوط، بينما لا تكون مجهدة بدرجة حرارية، لا يمكن أن تتحمل آثارا من المواد الكيميائية.

المحافظة على القدرة على العمل والوصول إليها

وكثيرا ما تشمل المسابقات عناصر تتطلب الصيانة المنتظمة - محركات الهبوط، خطوط المكابح، أسلاك اليون، ولذلك يجب أن تكون المرافعات قابلة للإعادة بسرعة (أو تكون لديها لوحات دخول) دون أدوات خاصة، ويجب توثيق إجراءات الصيانة لتجنب الإبعاد وإعادة الإدماج.

التصديق والسلامة

ولا تزال معارض الطائرات، وإن لم تكن هيكلها الأساسي، تخضع لشروط التصديق، ولا يجب أن تُفصل وتتسبب في مخاطر، كما يجب ألا تتدخل في عمليات مراقبة الطيران، أو سحب معدات الهبوط، أو نظم الطوارئ، وقد يلزم توفير حماية الارتطام والضربات الخفيفة، وقد يلزم بالنسبة لمعارضات معدات الهبوط، القدرة على تحمل ظواهر انفجر الإطارات (مثلا من حريق المكابح).

النماذج والاختبارات الحاسوبية

دور الصندوق

ويبدأ تصميم المسابقة في المجال الرقمي تماما تقريبا، وتتيح ديناميات السوائل الحاسوبية للمهندسين محاكاة التدفق حول معدات الهبوط والفول السوداني، وتحديد مناطق الفصل، وتكرار استخدام الهندسة المنصفة بكفاءة عالية، وتستعمل قيود التخزين الجغرافي المتطورة - المتغيرات في المعالم الأرضية.

نفق الرياح

وعلى الرغم من قوة الديوكسين الديوكسين، لا يزال اختبار النفق الريحي ضروريا، فالنماذج الصخرية التي تُستخدم فيها صنابير الضغط الصغيرة، وأرصدة القوة، والتصوير المرئي لتدفق النفط يؤكد التنبؤات الحسابية، وبالنسبة لضوضاء معدات الهبوط، فإن الأنفاق الهوائية (مثل مرفق لانغلي للتدفق الهادئ) تقيس الفوائد الصوتية لتصميمات المعارض.

اختبار الطيران

وفي نهاية المطاف، يجب التحقق من تصميم جديد لمعارضة الطائرات الفعلية، وتشمل حملات اختبار الرحلات قياس الجر من خلال مقارنات تدفق الوقود، وقياسات الضغط على المهد نفسه، وأجهزة الميكروفون لتقييم مستويات الضوضاء، ويمكن التصديق على مجموعات مواد تنظيم الأساطيل (مثلاً، بالنسبة لنظم معدات الهبوط القديمة) من خلال شهادة تكميلية من النوع (STC) بعد أن تبين تحسينات قابلة للقياس في الأداء.

الاتجاهات المستقبلية

المورفين والمعارض النشطة

ومن القيود التي تحد من المعارض الحالية أنها تُحدَّد إلى أقصى حد ممكن لحالة طيران واحدة - عادة ما تكون الرحلات البحرية - ويمكن أن تتيح البحوث في هياكل المورفينة للمعارضة تغيير شكلها خلال مراحل مختلفة من الرحلات، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تؤدي إقامة معرض للعتاد الهبوطي يتسع أثناء التسلق (عندما ترتفع المعدات) والعقود أثناء الارتحال (عندما يتم توسيع نطاق المعدات) إلى فوائد إضافية، وبالمثل، فإن مراقبة التدفق النشطة باستخدام طائرات صغيرة أو طائرات ذات أجنحة الاصطناعية.

الصناعة التحويلية

فالطباعة 3D (الصناعة الايجابية) تتيح إنتاج أشكال عضوية معقدة يصعب تحقيقها بالقول أو الذكاء التقليديين، ويمكن أن تكون المعارض ذات الهياكل الداخلية للطلاء أخف وأقوى، وبالنسبة لمعارضات البيلونز التي تتطلب قنوات متكاملة للتبريد أو نقاط التكدس، فإن التصنيع الإضافي يتيح وسيلة لخفض عدد أجزاء التجميع وتبسيطه.

التنقل الجوي الإقليمي والحضري

فمفاهيم الطائرات الجديدة - مركبات الإقلاع الرأسي الكهربائي والهبوط )الطائرة الإلكترونية( والطائرات الإقليمية الهجينة - كثيرا ما تكون لها تشكيلات غير تقليدية مع عدة مدافعين وتمركز معدات الهبوط، وستكون المعارض حاسمة في إدارة التدخل الجوي المعقد في هذه التصميمات، ويتمثل التحدي في إيجاد معارض خفيفة الوزن وفعالة من حيث التكلفة يمكن إنتاجها على نطاق واسع مع استيفاء معايير التصديق على الضوضاء والسلامة.

خاتمة

إن المعارض الهوائية هي أكثر بكثير من الإضافات التجميلية، وهي عنصر أساسي في تصميم الطائرات الحديثة، مما يرسم مسار التدفق حول معدات الهبوط والفول السوداني للحد من السحب، وانخفاض استهلاك الوقود، وتحسين خصائص الضوضاء، ويمكن أن يؤدي الأثر المشترك لمعارض معدات الهبوط ومعارضات الأنابيب إلى خفض مجموع جر الطائرات بنسبة 1 إلى 3 في المائة، مما يترجم إلى وفورات تشغيلية كبيرة وإلى فوائد بيئية على مدى الحياة.

ومع استمرار تطور هندسة الفضاء الجوي، سيزداد صقل تصميم المناظير، وستؤدي الأدوات الحاسوبية المتقدمة والمواد الجديدة وتكنولوجيات مراقبة التدفق النشطة إلى دفع حدود ما هو ممكن، وبالنسبة لمشغلي الأساطيل ومنظمات الصيانة، فهم دور المعارض - والاستثمار في بدائل أو مخلفات جديدة - إلى تحقيق ميزة تنافسية كبيرة، وستؤدي الطائرات الهادئة والفعالة في المستقبل إلى تحقيق قدر كبير من النجاح.

Further reading: For a deep dive into the aerodynamics of aircraft drag, see ]SAE International’s *Aircraft Drag Reduction Handbook*.