الابتكارات التاريخية في تكنولوجيا الطائرات وأثرها على الطائرات الحديثة

مقدمة: الثورة الهادئة التي تُشن في الجناحين

ويعتمد الطيران الحديث على توازن دقيق في المصعد والسحب والتوجه، ومن أهم العوامل التي تتيح تحقيق هذا التوازن، السطح المتحرك على ممرات الطائرات وخطوطها الرئيسية: فتلك الأجهزة التي تبدو بسيطة، قد مرت بقرن من الصقل، وتتطور من الألواح النسيجية التي تعمل يدويا إلى نظم متعددة العناصر تتحكم فيها الحواسيب، وتُعرِّف مظار أداء الطائرات المعاصرة.

وتدرس هذه المادة المعالم الرئيسية في مجال التنمية المزدهرة، بدءاً من الأسطح التجريبية المبكرة إلى نظم النقل العالية المتطورة على الطائرات التجارية اليوم، وقد استجابت كل مرحلة من مراحل الابتكار لمسارات محددة للعمليات - وهي مجرىات متنقلة، وحمولات ثقيلة، وسرعات أعلى، أو ضوضاء أقل - وجماعياً، أعادت هذه التطورات تشكيل الاقتصاد وسلامة السفر الجوي.

الرعاة المبكرة: أول أجسام متحركة )١٩٠٠-١٩٣٠(

وفي الأيام الأولى من التحليقات الكهربائية، كانت الأجنحة ثابتة، حيث استطاع الأخوة رايت السيطرة على طريق الطائر، ولكن مفهوم سطح متحرك مكرس لم يظهر حتى عام 1910، وكانت أول ضربات مرفوعة في الغالب مجرد أجزاء مائلة من الجناح يمكن أن تُحط من براك أو أي سطح، وقد زادت هذه الأجهزة المبكرة من تعقيدها، وبالتالي، فإنها ترتفع بسرعة منخفضة.

البراءات والاختبارات الأولى

وقد قام المهندس البريطاني فريدريك هاندلاي بيب بتقديم بعض براءات الاختراع الأولى في عام ١٩١٩، مع التسليم بأن الفجوة بين الجناح والشعلة يمكن أن تعيد إحياء طبقة الحدود، وتؤخر فصل التدفق، وفي الوقت نفسه، قام المتواضع الألماني غوستاف لاكمان بوضع مفاهيم مماثلة، وقد استغرقت هذه النظريات سنوات لتنشيط الطائرات التشغيلية )٢٧( في أواخر العشرينات.

التعقيد والقابلية للاعتماد

وكان الانتقال من الاختراع اليدوي إلى التكوين الميكانيكي خطوة محورية، حيث كان الطيار الأولي يعمل على رفوف يدوي أو كتلة يدوية، مما يتطلب جهدا بدنيا كبيرا وتوقيت دقيق، وكان من بين أكثر المحركات الهيدرولية في الثلاثينات، وكان أولها على متن الطائرات العسكرية مثل فريق جونكرز رقم 52، يسمح بضبط أكثر سلاسة وأقوى، وقد جعلت هذه الموثوقية من المجازات عملية للاستخدام الروتيني، مما أدى إلى وضع مرحلة لاعتمادها على نطاق واسع في تصميمها النهائي.

الحرب العالمية الثانية: جائزة الابتكار )١٩٣٩-١٩٤٥(

وقد تسارعت مطالب الحرب العالمية الثانية في تطوير المنافذ أكثر من أي فترة أخرى، إذ يتعين على الطائرات العسكرية أن تعمل من مهابط جوية قصيرة مرتجلة، وأن تحمل أعباء ثقيلة من القنابل، وأن تقوم بإزالات ناقلات منخفضة السرعة، وقد استجاب المهندسون بموجة من الابتكارات العالية الجودة التي ستحدد الطيران بعد الحرب.

"اللفل الفاخر" "خطوة تغيير في الرفع"

وفي عام ١٩٣٨، قام المهندس الأمريكي هارلان د. فاولر باختراع مشعل تحرك هبوطاً وعودياً، مما أدى إلى زيادة فعالية في حجم الطائرة التي تستخدمها الجناحين والمقامرة في آن واحد، وقد يؤدي هذا الإصطدام إلى رفع معامل التكتل بنسبة تتراوح بين ٥٠ و٠٨ في المائة بالمقارنة مع المزلاجات البسيطة، دون زيادة متناسبة في الجر، وهذا تطور مثل منطقة دوجلاس DC -4، ثم في بوينج - ٢٧.

الرصاص في النمل والقطع

وفي حين أن المزلاجات المتحركة تحسن المصعد، فإنها تخفض الأنف ويمكن أن تسبب انفصال التدفق في زوايا هجومية عالية، اكتشف المهندسون أن نشر سطح مقطوع من الطرف الرائد يمكن أن يحافظ على تدفق جوي سلس فوق الجناح في زوايا ثابتة، وأن صفائح منضدة منضدة، التي تمتد إلى الأمام وتهبط، أصبحت محاربة في مثل مشعل النار وأجهزة مرسلكميت Bf

التصميمات المتخصصة: Split, Zap, and Blown Flaps

وبالرغم من أن الحرب أدت أيضا إلى ابتكارات جديدة، فقد كانت القفزات المنبعثة، التي لم تحط سوى سطح الجناح الأدنى، بسيطة وفعالة للتنقيب عن الطائرات مثل الطائرة SBD Dauntless، وكانت زهرة الزب تبدلا يتحول إلى مهبوط، بينما يتحول إلى مغازلة، ويزيد من المساحة المختلطة مع تغيرات في المطاط، ويزيد من التطرف مفهوم تفجير طبقة عالية التردد فوق سطح الأرض.

توسيع نطاق العمل بعد انتهاء الحرب: العصر الطيفي والطيران التجاري )٤٥-١٩٧٠(

وقد شهد عصر ما بعد الحرب نضج تكنولوجيا النكهة كمحركات للطائرات مما أتاح زيادة سرعة الطيران ونطاقاته الطويلة، وتوسع الطيران التجاري بسرعة، وطالبت الخطوط الجوية الطائرات التي يمكن أن تعمل بكفاءة من المطارات القائمة بينما تستوعب أعدادا متزايدة من الركاب، مما يتطلب وجود شعلات ذات كفاءة ميكانيكية في جميع الأحوال الجوية.

The Krueger Flap: A Leading‐Edge Solution

وفي عام 1943، قام مهندس ألماني فيرنر كروغر بتطوير فريق مشرق يطوي من الطرف الرئيسي للجناح، مما أدى إلى تشكيلة عالية الجودة دون تعقيدات من الطوابق القابلة للاسترداد، وكانت طوافات كروغر بسيطة وقوية وفعالة، واعتمدت على نطاق واسع على النقل الجوي المبكر مثل طائرة بوينغ 707 وطائرة دوجلاس DCLULS، وهي تعمل على زيادة عدد الطائرات التي تستخدم في كليبرت(47).

نظم متعددة العناصر ولفائف ثلاثية

ومع تزايد عدد الطائرات النفاثة وتسارعها، اتسعت الفجوة بين سرعة الهبوط والسرعات المزروعة، واستخدم المهندسون سلسلة من الطلقات المتعددة العناصر التي انتشرت في جزأين أو ثلاثة أو حتى أربعة أجزاء، وبدا أن القفزة الثلاثية التي كانت رائدة في منطقة بوينغ ٧٢٧ في الستينات، استخدمت سلسلة من الشاحنات لتوجيه تدفق جوي عالي الطاقة على سطح المزلاج، مما أدى إلى ارتفاع الزهرة)٢(.

Blown Flaps and STOL Capability

)٣٧( لم تكن هناك أي من هذه المنظومات الحديثة من طراز BA، وهي منافسة في برنامج النقل المتوسط الأجل التابع للقوات الجوية الأمريكية، وهي تستخدم في تصميمات مشتعلة من الخارج، وتفجيرات ذات سطح عال، على التوالي.

الثورة الرقمية: مراقبة الحواسيب وإدماجها )١٩٧٠-٢٠٠٠(

وقد أدى إدخال نظم العجلات في السبعينات والثمانينات إلى تحول كيفية التحكم في المنافذ، كما أن الروابط الميكانيكية والمناورات الهيدروليكية قد أتاحت المجال للإشارات الإلكترونية والارتفاعات، مما أتاح تحديد مواعيد دقيقة ومكيفة للغاز، تؤدي إلى تحقيق الأداء الأمثل في جميع مراحل الرحلات الجوية.

نظم الصمامات الآلية والنباتات

(أ) [وقود الطائرات] قادت الطريق إلى الطائرة A320، التي تتضمن نظاما متكاملا تماما لمراقبة المطاط والرقائق، ينشر أسطحاً على أساس سرعة الهواء والارتفاع والمدخلات التجريبية، ويُسحب النظام تلقائياً من المنافذ بسرعة مناسبة، ويقلل من حجم العمل التجريبي ويمنع حدوث أضرار جسيمة.() أما الحواسيب الرقمية التي تدار إلى داخل أجزاء من درجة حرارة، فتشمل الضبط الأيسر والأسطح اليمنى في حدود 0.

مراقبة الحركة وعلامات التكيف

وفي التسعينات، كان الباحثون في ناسا والقوات الجوية الأمريكية يختبرون " المتغيرات التفاعلية " التي يمكن أن تكيف شكلها في الطيران، وقد أظهر برنامج " الريح الهوائي " النشط الذي يتدفق على طائرة F -18 أن الأجنحة المرنة يمكن أن تلتوى وأن تُخرب باستخدام أسطح التحكم في الارتفاع وتخفض من حجمها.

النظم الحديثة: الكفاءة والسلامة والاختبارات البيئية (2000-Present)

إن نظم الانطلاق اليوم هي نتاج لما يزيد على قرن من المعرفة التراكمية، وهي أبسط وأقوى وأذكى مما كان عليه الحال في أي وقت مضى، والمواد المركبة والمبتكرين المتقدمين، وأعمار الرقابة الموزعة تتيح القفزات التي لا تولد فقط، بل تدار أيضا بشكل نشط الحمولات، وتخفض الضوضاء، وتخفض الانبعاثات.

الهياكل المركبة والحد من الوزن

(أ) إن هياكل الشعلة والنباتات الحديثة مبنية أساساً من البوليمرات المسببة للكربون - المتحررة - التعزيز - إن مغازلة شركة Airbus A350 تكاد تكون مركبة تماماً، مما يوفر مئات الكيلوغرامات مقارنة بمكافئات الألومنيوم، وتسمح الشعلات بزيادة كفاءة الوقود أو زيادة الحمولة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن المواد المركبة مقاومة للتآكل والصيانة 7 مراتب.

المفاوضات ذات النواحي المنخفضة

(أ) نظراً إلى تشديد أنظمة الضوضاء المجتمعية، أصبح تصميم الطين أداة رئيسية لخفض الضوضاء، حيث يؤدي نشر الذباب أثناء النهج إلى ظهور ضوضاء جوية كبيرة من الحواف والفجوات وتدفقات التجويف، وتستخدم الطائرات الحديثة حوافاً متحركة، وأسطحاً مائلة، وتسلسلات نشر تدريجية للحد من الضجيج دون رفع الصوت.

المعسكرات المتخلفة عن التحمل

والوثوقية هي الجوهر بالنسبة لنظم النكهة، حيث أن انتشار الأشعة غير المتناظرة يمكن أن يكون كارثياً، إذ تستخدم الطائرات الحديثة قنوات رقابة ثلاثية الأبعاد، ومصادر طاقة هدرائية أو كهربائية مستقلة، وحواسيب مخصصة لمراقبة المنافذ تقوم بعمليات التدقيق فيما بينها، وتعمل الطائرات A380 مع أربعة قنوات مستقلة للتشغيل، يمكن لأي منها أن يهبط الطائرة بصورة آمنة.

الأثر على أداء الطائرات الحديثة

ويظهر الأثر التراكمي لهذه الابتكارات في كل طائرة تجارية حديثة، وتؤثر تكنولوجيا الطائرات تأثيرا مباشرا على ثلاثة بارامترات أداء حاسمة هي: طول الميدان، وكفاءة الوقود، وهوامش الأمان.

القدرات الميدانية القصيرة

وتتيح نظم الإصدار المتقدمة تشغيل الطائرات الثقيلة من المدرجات التي كانت ستستغرق فترة قصيرة من جيل، وقد استطاعت الطائرات " إيربوس ألف - 220 " ، مع رفوفها المتقدمة وقطعها الأمامية، الهبوط على المدرجات على مسافة قصيرة تبلغ 500 4 قدم في الوقت الذي كانت تحمل فيه 130 مسافرا، وتستخدم " بوينغ 737 ماكس " نظاما منقحا للربط بين المطارات ويحسن من نسبة الارتقاء إلى الدراجات في الطرق في المطارات.

كفاءة الوقود وانبعاثاته

ويتأثر حروق الوقود مباشرة بتصميمات الطين، ففي أثناء الرحلة، تُسحب المنافذ بالكامل، ولكن شكل الجناح ما زال متأثرا به من حيث هيكله وثغراته، إذ أن الطوافات الحديثة " القابلة للتشغيل " التي تُستخدم في الرحلات السياحية لتعظيم شكل الجناح بالنسبة للوزن والسرعة الحاليين، يمكن أن تقلل من استهلاك الوقود بنسبة ١-٣ في المائة، بينما يبدو أن هذه الميزة هي متوسطة بالنسبة لملايين الطائرات تعمل

السلامة والمناولة

وتعزز أجهزة الإطفاء السلامة بتقليص سرعة التماطل وتحسين مراقبة التدحرج بالسرعة المنخفضة، والسماح باتباع نهج أكثر حزما دون عوامة مفرطة، وتدمج نظم الحماية الحديثة في الحدود الزاوية للزاوية، وتوفر تلقائيا هوامش التوقف، وفي حالة حدوث عطل في المحرك أثناء الإقلاع، يمكن تحديد المزلاجات إلى تشكيل " واحد من العناصر المؤثرة في الحركة " يقلل من معدلات الارتداد في العالم مع الحفاظ على ارتفاع كبير في معدلات الإصابة.

المستقبل: رفات المورفين وتحكم تدفق المركبات

The next wave of innovation is already visible in research laboratories. Morphing wings that seamlessly change shape -without discrete flaps and slats-promise to eliminate the aerodynamic penalties associated with gaps and hinges. NASA’s “Spanwise Adaptive Wing” (SAWWW) project is exploring ways toally bend a wing’s Performance tracking changes to create smooth cambuber

ويمكن أن تؤدي مراقبة التدفق النشط - التي تستخدم طائرات صغيرة من الطائرات الهوائية أو الطائرات الاصطناعية للتلاعب بطبقة الحدود - إلى زيادة تخفيض أو حتى استبدال الشعلات الميكانيكية، وقد تؤدي اختبارات " ترايل إيدج " (العمليات المختلطة المتحركة) في مركز بحوث الطيران التابع للناسا إلى أن من شأن الطرف المرن الذي يتجه إلى تحقيق نفس الأداء الفوري للطائرات التقليدية إذا ما كانت تتكيف مع أجنحة أقل وض.

الاستنتاج: مؤسسة للتقدم المحرز في مجال تحقيق النتائج

إن الرحلة من موقع هاندلي بيب المعلق باستمرار إلى أطراف المستقبل المتحركة، هي شهادة على التقدم الهندسي المطرد والمتصاعد، وليس " الثورة " بل سلسلة من الخطوات المعقولة، وكل ابتكار مبني على المعرفة السابقة، يستجيب للاحتياجات التشغيلية الملموسة: فصول الطيران، والثقوب الثقيلة، والارتباطات العالية، والضوضاء الأقل.