استكشاف الرصيد بين الرفع والحفر في الطائرات ذات الطاقة الشمسية

تحدي مستمر للطيران ذو القوتين الشمسية

ويمثل الطيران بالطاقة الشمسية أحد أكثر التخصصات الهندسية طلبا في الفضاء الجوي الحديث، خلافا للطائرات التقليدية التي تعتمد على الوقود الهيدروكربوني الكثيف للطاقة الذي يوصل ما يقرب من 000 12 ساعة من الطراز الواحد لكل كيلوغرام، يجب على الطائرات الشمسية أن تحرق ضوء الشمس عبر صفوف فولتيكية، وأن تحوله مباشرة إلى طاقة كهربائية للنشر، والمشكلة الحاسمة لا تقتصر على جمع الطاقة الشمسية الكافية، بل تؤدي إلى ذلك في الوقت الذي تحافظ فيه على مصعد دقيق

إنجزات مشاريع مثل مصافحة ناسا وسلسلة النبضات الشمسية حولت ما كان في السابق عملية نظرية إلى واقع عملي، وتظهر هذه البرامج أن الطيران بدون الوقود لا يمكن إلا من خلال الاهتمام الدقيق بالأساسيات الهوائية، ولا يزال التحدي الأساسي يتمثل في أن كل قرار تصميمي، من الجناح إلى الكيمياء البطارية، يغذي في نهاية المطاف الرفع.

المبادئ المادية: السرقة، والدراج، والنسب التي تهم

لتفهم قيود التصميم التي تواجهها الطائرات الشمسية يجب أن يفهم القوتان المتعارضتان اللذان يحكمان كل الرحلات الجوية في الغلاف الجوي

ونسبة الرفع إلى الجر (L/D) هي الميكروات المركزية للكفاءة الهوائية، ويشير ارتفاع معدل السحب/السحب إلى أن الطائرة يمكن أن تولد رفعا كبيرا بينما تُجر جرا ضئيلا نسبيا، وأن المنحدرات التقليدية تحقق عادة معدلات السحب/الد أكثر من 40، وأن الطائرات المقاتلة المتخصصة تزيد على 60 طائرة تعمل بالطاقة الشمسية، وأن بلوغ هذه النسبة إلى أقصى حد ليس مجرد هدف ثابت من أهداف الأداء، بل هو شرط أساسي للبقاء.

فهم تفكك الدراج

ويمكن التخلص من السحب في الطائرات الشمسية في ثلاث فئات رئيسية، كل منها يتطلب استراتيجيات مختلفة للتخفيف من حدة الكوارث:

• Parasitic drag] originates from non-lifting surfaces such as the fuselage, landing equipment, antennas, and panel gaps. This component scales with the square of velocity and the wetted area of the airframe.
• Induced drag] is an unavoidable consequence of generating lift. It decreases as wingspan increases and is proportional to the square of the lift coefficient divided by the aspect ratio. This is why solar aircraft push wingspan to extreme limits.
• Skin friction drag] results from the viscosity of air interacting with surface roughness. Laminar flow reduces skin friction by up to 90% compared to turbulent flow, making surface quality a critical design parameter.

لماذا يجب أن تعمل الطائرات ذات الدفع الشمسي عند حافة الكفاءة

ويمكن أن تعمل طائرة مصممة خصيصا للطائرات المحركات بالطائرة L/D من 10 إلى 15 لأن وقودها يحمل حوالي 000 12 ساعة واط/ساعة لكل كيلوغرام، وتعمل الطائرات الشمسية على ميزانية طاقة أرق بكثير، وفي الارتفاعات المفاجئة، فإن ذروة الإشعال الشمسي تبلغ نحو 000 1 واط لكل متر مربع، ولكن الخلايا الفولطية الضوئية لا تحوّل إلا 20 إلى 25 في المائة من تلك الطاقة الكهربائية المثالية.

وقد حقق الاندفاع الشمسي ٢ درجة حرارة تبلغ حوالي ٣٧ درجة، مقارنة بمساحة عالية الأداء، وقد أمكن ذلك بواسطة جناحين طولهما ٢٧ مترا، وعينات مصممة بعناية، وتصلب كامل الانصاف، وقد سمح النقاء الجوي للطائرة بعبور المحيط الهادئ على مدى خمسة أيام وليلات متتالية، وكان من المستحيل دون ذلك المستوى من الكفاءة.

قسوة ميزانية الطاقة في التجزئة

إن الطاقة المتاحة لطائرة شمسية في أي لحظة من الأوقات هي وظيفة من وظائف الإشعاع الشمسي، ومنطقة الألواح، وكفاءة التحويل، وفقدان النظام، والنظر في سيناريو نموذجي:

• الإشعاع الشمسي على ارتفاعات الرحلات: 000 1 و/م2 عند الظهر الشمسي، ينخفض إلى صفر في الليل
• كفاءة الخلايا الفولطية: 22-25 في المائة لخلايا النسيج الحديثة
• كفاءة المحركات: 92-97 في المائة لمحركات العاصمة عديمة الرحمة
• كفاءة المرسل: 80-85 في المائة في ظروف التشغيل المثلى
• الكهرباء الإلكترونية وخسائر الأسلاك: 5-10 في المائة

وقد تكون الطاقة الصافية الصالحة للاستخدام لكل متر مربع من مناطق الجناح منخفضة إلى ما يتراوح بين ١٥٠ و ٢٠٠ و/م٢، وبالنسبة لطائرة تحتاج إلى ٥ و ١٠ كيلوواط من الرحل، يجب أن يكون الجناح كبيرا بما يكفي لجمع تلك الطاقة مع القيام في الوقت نفسه برفع كاف، وهذا الانقلاب بين جمع الطاقة والأداء الهوائي هو ما يجعل تصميم الطائرات الشمسية أمرا صعبا بشكل فريد.

هيكل الجناح: الساحة الرئيسية للتوازن بين القوات

ويتفاوض على هذه الطائرة الصغيرة التي تستخدم أجنحة عالمية تقريباً مع نسبة عالية من الجوانب [(FLT:1)] - نسبة الطول إلى متوسط المضغ.

بيد أن ارتفاع نسبة الجزاء يفرض عقوبات، إذ يتطلب جناح أطول درجة أكبر لمقاومة اللحظات التي تُضاف فيها الوزن الهيكلي، ويصبح أكثر مرونة، مما يزيد من خطر الاضطرابات الهوائية مثل الاختلاف والارتطام، ويجب أن يجد المصممون أن هناك أعلى من حيث المكاسب التي تجنيها الطائرات في التكاليف الهيكلية والكتلة، كما أن المواد المركبة الحديثة مثل نسبة البوليفوري إلى النصف ألف وأربعينات، يمكن أن تؤدي إلى زيادة كبيرة.

تصميم أجهزة المعلومات الجوية ومراقبة تدفق الطائرات المأهولة

إنّ مُقاطعة الجناح أو مُحرك الهواء مُختَار بعناية لتعزيز تدفق الماء إلى أكبر قدر ممكن من الحرق، التدفق الحرفي يقلل من جرّة الاحتكاك الجلدي بنسبة تصل إلى 90 في المائة مقارنة بالتدفق المضطرب على نفس السطح، العديد من الطائرات الشمسية تستخدم أجهزة ضغط مُحكمة مُصمّمة للحفاظ على درجة ضغط مُفضّلة على أول 50 إلى 60 في المائة من الطلاء المُبطيء،

عدد الآثار على الطائرات الشمسية

ورقم رينولدز، الذي يميز نسبة القوات غير المرئية إلى القوات المتذبذبة في التدفق، منخفض عادة بالنسبة للطائرات الشمسية التي تعمل بسرعة بطيئة وارتفاعات متوسطة، حيث يضع رينولدز الطائرة في نظام تكون فيه فقاعات الفصل المتين والانتقال المبكر إلى الاضطراب تحديات مستمرة.

• الحفاظ على تدفق اللحوم فوق جزء كبير من السطح العلوي
• تجنب استعادة الضغط المفاجئ الذي قد يسبب فصلاً
• توفير كواشف كافية لتوليد معامل الرفع المطلوبة
• تقليل اللحظات المُضنية لتقليل السحب

وقد استخدمت بنجاح أجهزة البث التقليدية مثل FX 63-137 ومشتقاتها في الطائرات الشمسية، ولكن التصميمات الحديثة تعتمد بشكل متزايد على الاستخدام الأمثل للحوسبة لتكييف توزيع الضغط لظروف محددة للرحلات الجوية.

تخفيض السحب إلى ما بعد الجناح

بينما يُسهم الجناح بغالبية الجروح، لا يمكن إهمال عناصر أخرى من الأطقم الجوية، النسيج، الإنزال، أي حمولات خارجية تضيف جرّاً طفيلياً، مصممو الطائرات الشمسية يرتدون إلى تركيبات مُحلّقة أو مُصطفة لتقليل المساحة المُبلّلة إلى أدنى حد، حيث توجد كبسولة حدّة ضغط، وتُزيلُها بشكلٍ غير مُأهِم.

وتشمل التدابير الأخرى لخفض السحب معدات الهبوط القابلة للسحب (استخدم الاندفاع الشمسي معدات واحدة على شكل دراجة تطوي التدفق إلى النسيج)، والكوابل التي تبث داخليا، والهوائيات التي تتدفق، كما أن نظام الدفع يجب أن يكون أمثل لبيئة الطاقة، باستخدام مقياس كبير، ويتحول ببطء ناقلات الدفع إلى أدنى حد من الخسائر الناجمة في البرمجيات الجاهزة، ويحقق السحب الحراري.

Propeller Design for Minimal Power Loss

ويمثل مقدم الدفع مصدرا هاما لفقدان السحب والكهرباء في الطائرات الشمسية، أما المدافع التقليدية ذات السرعة العالية المصممة لمحركات الاحتراق فهي غير ملائمة تماما لكثافة الطاقة المنخفضة وسرعة الرحلات الجوية البطيئة للمنصات الشمسية، بل يمكن للمصممين أن يستخدموا أجهزة الدفع ذات المقياس الكبير ذات الارتفاع المنخفض في حجم الأقراص - ٢-٤ مترات في مقياس يبلغ ذروته ٢٠٠-٤٨ في المائة.

دور الوزن في معادلة الخرق

ويحدّد الوزن الزائد مباشرة من الرفع المطلوب بأي سرعة معينة، وفي الرحلة المطّردة، يجب أن يكون وزن الطائرة الثقيلة مساويا تماما، ويجب أن تطير بسرعة أكبر (تخفيض الجر) أو تعمل في زاوية أعلى للهجوم (تزيد أيضا من الجر المتعمد) ويقلل كل كيلوغرام من الطاقة اللازمة للبقاء عن طريق الجو، مما يتيح بدوره استخدام جناح أصغر أو قدرة منخفضة على البطاريات، ويدفع الطائرات الشمسية باختيار الكميات المتناثروة إلى أقصى حد:

وربما يكون وزن البطاريات أهم معضلة، إذ يتعين على الطائرة، في إطار استمرار العمليات اليومية والليلية، أن تخزن الطاقة الكافية لساعات الظلام، وتوفر البطاريات الليثيوم ما بين 200 و250 و/كغ على مستوى الحزمة، ولكنها لا تزال تمثل جزءا كبيرا من الكتلة الكلية، وفي البطاريات ذات الوجهة الثانية التي تشكل نحو ربع حجم المرفع ذي الوزن المنخفض.

التقنيات الهيكلية للارتقاء الأمثل

ويستخدم التصميم الهيكلي للطائرات الشمسية عدة تقنيات متقدمة للتقليل من الوزن إلى أدنى حد مع الحفاظ على القوة:

• Sandwich composites] with carbon-fiber skins and Nomex or foam cores provide high bending stiffness at minimal weight, essential for long, slender wings
• Optimized spar placement] using finite element analysis concentrates material where bending moments are highest, typically at the wing root
• Integrated solar cells] that serve as both power generateds and aerodynamic surfaces eliminate redundant structure
• Minimalist secondary structure] with fewer ribs and stringers than conventional aircraft, relying on the skin itself for load bearing

وتتيح هذه التقنيات للطائرات الشمسية أن تحقق أجزاء من الوزن الفارغ تقل عن 30 في المائة من الكتلة القصوى للإقلاع، مقارنة بنسبة 50 إلى 60 في المائة لطائرات الطيران العام التقليدية.

إدارة الطاقة بوصفها البعد الثالث للتوازن

ولا يمكن فصل التفاعل الهوائي بين الرفع والسحب عن نظام الطاقة في الطائرة، وأثناء النهار، يجب أن تُشغل المجموعة الشمسية المحرك بينما تشحن البطاريات في وقت واحد للرحلة الليلية، وهذا يعني في كثير من الأحيان فائضا في الطاقة حول ظهر الشمس، وعجزا في وقت مبكر من بعد الظهر، ولإدارة هذه الملامح التي تستخدمها

وقد استخدمت هذه الاستراتيجية بشكل مشهور خلال فترة التذبذب الشمسي، وبحلول اليوم، قفزت الطائرة إلى حوالي 500 8 متر؛ وفي الليل، كان هناك خلل تدريجي إلى 500 1 متر يوفر ما يكفي من الطاقة العازلة حتى شروق الشمس، وتكيف نظم مراقبة الطيران باستمرار معدّل الهواء وموقفها من أجل بلوغ الحد الأمثل لبطارية الجرعات وتغيّر الزوايا الشمسية في الوقت الحقيقي.

Energy-Neutral Flight Condition

ويحقق تصميم الطائرات الشمسية المقدس ] حالة طيران محايدة للطاقة ] على دورة كاملة من الدواجن، وهذا يعني أن مجموع الطاقة التي تُجمع أثناء النهار يساوي أو يتجاوز مجموع الطاقة المستهلكة على مدى 24 ساعة، ويمكن التعبير عن الحالة على أنها:

E harvested = panel × A ⁇ I(t) dt / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /

فالحياد الذي يكتنفه - الإسباني هو كفاءة الألواح، والآهات، والأشعة الشمسية على مر الزمن، والبي - required(t) هي الطاقة الفورية اللازمة للرحل، أما بالنسبة للطائرات التي تعمل بالقرب من السوفتاس في خطوط الاستواء، فلا بد أن تكون فترة النور حوالي 12 ساعة، ولكن الطاقة الصافية القابلة للجني تتركز في غضون فترة زمنية تتراوح بين 6 و 8 ساعات

طائرة سولار حقيقية وجهازها الهوائي

وتوضح عدة منابر للتشغيل هذه المبادئ، بينما تتيح ] الإضراب الشمسي 2]، مع وجود 72.3 متراً من أجنحة الطائرات و17 ألف خلية شمسية، إمكانية تحقيق ذلك، وقد استكمل تصميمها على نطاق واسع من طراز ZLHAS، وهو ما يعادل 37 متراً تقريباً من أجنحة شبيهة بالجليدر وجهاز التطهير.

وكان الرواد السابقون مثل NASA Pathfinder and Helios يقدمون بيانات أساسية، حيث بلغ ارتفاعا قياسيا قدره 863 96 قدما (524 29 مترا) في عام 2001 على الطاقة الشمسية، وفي هذا الارتفاع، كانت كثافة الهواء قليلة في المائة من مستوى سطح البحر، وبالتالي فإن سحب الطائرات الهوائية منخفض جدا، ولكن جيل المصعد يقل أيضا.

مقاييس الأداء المقارنة

Aircraft	Wingspan (m)	L/D	Maximum Endurance	Payload
Solar Impulse 2	72.3	~37	5 days (piloted)	One pilot + minimal gear
Airbus Zephyr 8	25	>30	64 days (unmanned)	~5 kg
NASA Helios	75	~30	~24 hours	~100 kg
Facebook Aquila	42	~28	~90 days (target)	~50 kg

The Design Spiral: Integrating Aerodynamics, Structure, and Solar Collection

ويواجه المهندسون " دوامة " حيث يعود كل قرار إلى الآخرين، ويحسن جناح أكبر حجماً وزناً، ويحتاج إلى مزيد من الخلايا الشمسية - التي تضيف نفسها وزناً، ويزيد عدد البطاريات من تحمل الوقت الليلي، ويزيد أيضاً من الوزن، ويطالب بأجنحة أكبر، والهدف هو تحديد المستوى الأمثل الذي يُحدد فيه حجم الحمولة والتحمل، وترشيد متوسط الحجم.

ومن المفاهيم الرئيسية maximum range condition]. For propeller-driven aircraft, maximum range occurs at the speed where L/D is maximized. For solar aircraft that must loiter rather than cover distance, the endurance condition is even more critical: it calls for fly at the minimum power Designers required, which typically occurs at a speeddy slightly below the best L/D speed

التقنيات التفضيلية المتعددة التخصصات

تستخدم تصميمات الطائرات الشمسية الحديثة أطراً رسمية لتحقيق الاستخدام الأمثل تنظر في الوقت نفسه في الديناميكا الهوائية والهياكل ونظم الطاقة وأداء الطيران، وتستخدم هذه الأدوات مقاييس خامسة أو تطورية لاستكشاف المبادلات مثل:

• Wingspan مقابل الكتلة الهيكلية والاستقرار الجوي
• كفاءة الخلايا الشمسية مقابل التكلفة والوزن لكل منطقة وحدة
• قدرة البطارية مقابل كفاءة تصريف الرسوم والإدارة الحرارية
• الارتفاع الكهروائي مقابل التأثيرات الشمسية المتوافرة على L/D

ويكاد الترميز الأمثل في التصاميم التي تكون فيها شحنات الأجنحة منخفضة للغاية، في كثير من الأحيان، دون 50 با (5 كغم/م2) - مقابل 500 إلى 000 1 با للطائرات التقليدية، وهذا التحميل المنخفض للأجنحة يتيح الطيران بسرعة منخفضة جدا، ويقلل من احتياجات الطاقة ويتيح لمجموعات البطاريات الصغيرة.

التحديات المستقبلية: كسر الحدود الحالية

ورغم الإنجازات الملحوظة، لا تزال هناك عقبات كبيرة. ] كثافة تخزين الطاقة هي أكثر القيود إلحاحا، وحتى أفضل بطاريات الليثيوم هي ثقيلة مقارنة بالطاقة التي تحملها، وتقييد الحمولة والتحمل، ويمكن أن توفر البطاريات ذات الولاية الصلبة أو النظم الهجينة التي تستخدم الطاقة الشمسية في المياه الكهرومغناطيسية، وكميات الوقود.

Weather resilience] is another challenge. High-altitude platforms avoid most weather, but takeoff and landing expose fragile, light weight structures to gusts and crosswinds. Launching and recovering a 70-meter-wingspan aircraft weighting only a few hundred kilograms demands cool conditions and specialized techniques such as towed launches or ground-based environment.

(ب) Scaling] to carry useful payloads such as telecom relays or scientific instruments requires increased wingspan and power capacity. Scaling laws are unforgiving: double linear dimensions increases area by a factor of four and volume (and thus weight) by a factor of eight if traditional construction is used. Advanced composite radiation truss structures remains help mitigate the penalty,

Altitude and Latitude Constraints

وتختلف الطاقة الشمسية المتاحة اختلافا كبيرا مع خطوط العرض والموسم، وفي خطوط العرض العالية، لا توفر أشهر الشتاء سوى بضع ساعات من ضوء الشمس، مما يجعل التشغيل المستمر مستحيلا دون احتياطات بطارية كبيرة، وفي المناطق الاستوائية، يكون الإشعاع أكثر اتساقا، ولكن الجو أكثر سمة، ويقلل من كفاءة الأفرقة، ويجب على المصممين اختيار خطوط التشغيل + الارتفاعات والمواسم بعناية، أو قبول أن تكون طائراتهم ذات ارتفاع حراري منخفض(25).

التكنولوجيات الناشئة على الأفق

The convergence of several innovations promises to reshape the lift-drag equation. Perovskite solar cells are approaching efficiencies above 25% in laboratory settings and can be printed on flexible, light weight substrates, offering higher power-to- weight ratios than conventional silicon cells.

إنّ التطبيقات تتوسع، مشروع (فيسبوك) المُطلِق من (أكويلا) ومشروع (سوفتبانك) المُشَرّع (بالتعاون مع (آيرفونت) يمثل دفعة أوسع لاستخدام الطائرات غير المُأهولة بالطاقة الشمسية كبُرج خلايا في الغلاف الجوي، مما يوفر وصلة عبر الإنترنت للمناطق النائية، وتُعتبر وكالات الرصد البيئي قيمة في المنابر المستمرة التي يمكن أن تُعقّب حرائق البرية، أو تلوث بحري، أو في الهواء.

Regenerative Energy Systems

ومن الوسائل الواعدة دمج نظم الطاقة المتجددة التي تلتقط الطاقة وتعيد استخدامها والتي ستضيع لولا ذلك، فعلى سبيل المثال، يمكن للطائرات الشمسية التي تنشر في البعثات الطويلة الأجل أن تستخدم مدافعها كتربينات للريح أثناء النسب، وتسترد الطاقة التي ستنحرف كسخان، وبالمثل، فإن الحرارة التي تولدها أجهزة توليد الطاقة الكهربائية أثناء فترة الذروة يمكن أن تخزن حرارة التراكم وتستخدم للحفاظ على درجات الحرارة المضافة أثناء الليلية الباردة.

الحفاظ على التوازن المصفّح: منظور النظم

في النهاية التوازن بين الرفع والسحب في طائرة شمسية ليس مشكلة هوائية معزولة، إنه تحد على مستوى النظم يدمج ديناميات السوائل، وعلم المواد، وفولطيا الضوئية، وخزن الطاقة، ومراقبة الطيران، أكثر التصميمات نجاحاً تعتبر كامل الأطقم الجوية كياناً موحّداً للطاقة، حيث كل سطح يولد رفعاً وقوداً للكهرباء أو طاقة محمية

بالنسبة للمهندسين والمراقبين، فإن المأزق الرئيسي هو أن الرفع والسحب ليسا خصومين يجب أن يهزما ولكن الشركاء يجب أن يكونوا متناسقين، جناح الطائرات الشمسية كبير بما يكفي لحمل أسطح مائية للطاقة، ومع ذلك يزلق بما يكفي من الهواء مع الحد الأدنى من المقاومة، ويجب أن يكون خفيفاً بما يكفي لرفع البطاريات، ومع ذلك قوي بما يكفي للبقاء على قيد الحياة، فإن كل قرار هو التفاوض بين الرفع والسحب.

لمزيد من القراءة على الهواء الديناميكية للطائرات الشمسية ذات الارتفاع العالي، انظر هذا الاستعراض للطبيعة لتكنولوجيا HAPS و هذه الورقة عن التصميم الجوي الأمثل . ويمكن العثور على موارد إضافية عن تكنولوجيا البطاريات لتطبيقات الفضاء الجوي في