وتواجه الطائرات التي تعمل بالبطارية، من طائرات الهليكوبتر الرباعية الصنع إلى أجهزة تنقية الهواء في المناطق الحضرية (المركبات الرأسية الكهربية والمركبات المتجهة إلى الهبوط) تحديا أساسيا: كل واط من أجهزة الاتصال لا تتوفر للتوجهات، أو المركبات الجوية، أو الحمولة، حيث أن هذه المركبات تؤدي أدوارا في عمليات التسليم، والمراقبة، والزراعة، والنقل في نهاية المطاف، نظم الاتصالات التي تربطها بشبكات أخرى تتسم بالكفاءة.

لماذا تحدد كفاءة الطاقة تصميم نظام الاتصالات بالطائرات

والعلاقة بين استهلاك معدات الاتصالات وأداء الطائرات مباشرة وغير مغرية، إذ أن البطاريات تخزن كمية محدودة من الطاقة لكل كيلوغرام؛ وأي قدرة تسحبها أجهزة اللاسلكي، والمرسلات، والمسارات المنطقية لتجهيزها من وقت الطيران والقدرة على تحميلها، وبالنسبة للمركبات الصغيرة ذات الترددات فوق البنفسجية العاملة في 10-20 من البطاريات، يمكن أن يقلل نظام الاتصالات الفرعي من وقت الطيران بنسبة تتراوح بين 5 و 10 و 10 في المائة في الساعة.

فالبطاريات الثقيلة تتطلب دعما هيكليا أكبر، وزيادة وزن الطائرات عموما، وتسمح أجهزة المعدات ذات الكفاءة في استخدام الطاقة ببطاريات أصغر أو أخف أو تمتد إلى نفس الكتلة البطارية، وهذه الدورة الناشطة تجعل كفاءة معدات الاتصالات من المعالم الرئيسية في تصميم الطائرات، وليس مجرد اهتمام ثانوي.

ومن الأمور ذات الأهمية بالمثل القيود الحرارية، فالطائرات التي تعمل بالبطارية لديها مساحة سطحية محدودة للتحلل الحراري، وتعطي العديد من التصميمات الأولوية للزلازل الديناميكية على القدرة على التبريد، وتولد المعدات الفعالة قدرا أقل من حرارة النفايات، وتخفض الحاجة إلى المعجبين أو الاضطرابات الحرارية أو حلقات التبريد السائلية التي تزيد من الوزن والتعقيد، وفي البيئات العالية الحرارة أو العالية، تصبح الإدارة السليمة حرارية.

وأخيرا، يجب أن تحافظ نظم الاتصالات على موثوقية الربط ومنافذ البيانات مع التقليل إلى أدنى حد من سحب الطاقة، وهذا أمر يكتنفه التحدي بصفة خاصة بالنسبة للروابط القيادية والتحكمية، والمقاييس عن بعد، وبث الفيديو، وعمليات ما بعد البصر البصر، التي تتطلب معدلات عالية للبيانات وانخفاض مستوى الكفاءة، ولذلك فإن الابتكارات التي تقلل من القدرة دون التضحية هي أساسية لصلاحية وسلامة الطائرات التي تعمل بالبطارية.

الابتكارات في مجال الاتصالات بكفاءة السلطة

وقد أدى التقدم الأخير في معدات الاتصالات للطائرات التي تعمل بالبطارية إلى ثلاثة اتجاهات تكنولوجية متشابكة: المواد المتقدمة شبه الموصلات، والهيكلات الهوائية الجديدة، وإدارة الطاقة الذكية.

أجهزة إرسال ذات ترددات منخفضة التردد: من سيليكون إلى شركة فايد باندغاب للسايكون

إن أجهزة الاتصال اللاسلكية هي قلب أي نظام للاتصالات اللاسلكية، حيث تحقق رقائق الترددات التقليدية في منطقة سيليكون التابعة لرابطة سيموس كفاءة متوسطة ولكنها تقترب من الحدود الأساسية من حيث استهلاك الطاقة في كل جزء، فالتحول إلى نيتريد غالينيوم وتكنولوجيات السيليكون - جرمانيوم (SiGe) توفر مسارا لتفكك الطاقة في الوقت الذي تحافظ فيه على القدرة على الإنتاج وعلى خطته أو تحسنهما.

وتحصل أجهزة تقوية طاقة الترددات العالية جداً، على سبيل المثال، على كفاءة مضافة من الطاقة تتراوح بين 60 و70 في المائة في الترددات ذات النطاق الترددي S-band Frequencies التي تستخدمها العديد من وصلات بيانات الترددات فوق البنفسجية، مقابل 30 إلى 40 في المائة لنظراء السليكون، وهذا يعني أن أقل من نصف حرارة النفايات بالنسبة لنفس مستويات الطاقة المشعّة.

وثمة نهج واعد آخر يتمثل في استخدام الاستخبارات الاصطناعية في استخدام البارامترات المبثوثة دينامياً - مركبات البيسبول، وسكك الحديد، وكمائن الطاقة - استناداً إلى ظروف القنوات الحقيقية - وقد أثبت الباحثون في جامعة ميتشيغان وجود إرسال مدرك للشبكة، يقلل متوسط استهلاك الطاقة بنسبة 40 في المائة في وصلات من الطائرة إلى الأرض عن طريق تكييف نظام النقل، وتقلبات ميزانيتها، ومعدلها الموصلات.

الطاقة - الطاقة - الطاقة الحرارية: الاتفاق، الوزن الخفيف، الذكاء

وتؤثر كفاءة الهوائيات تأثيرا مباشرا على قدرة أجهزة الإرسال المطلوبة: إذ يكسب 3 من أجهزة السحب في الهوائي النصف من الطاقة اللازمة من السلطة الفلسطينية لنفس القوة المشعة النظيرية الفعالة، وتركز الابتكارات الأخيرة في تصميم الطائرات التي تعمل بالبطارية على تحقيق مكاسب عالية واتساع نطاق الترددات في عوامل الدمج والوزن الخفيف.

وتستخدم الهوائيات المحتوية على التألق المميت هياكل هندسية ذات الموجات الفرعية لتحقيق القدرة على التصاريح السلبية وقابلية التحمل، مما يتيح تصميمات صغيرة كهربائية ذات قدرة عالية على التوجيه، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يحقق الهوائي المصنوع من الميثاماتاريات الصفرية 6 دبايتات بتركيبات لا تتجاوز 0.3 موجات، مقارنة بـ 0.5-0.7 خط من أجل التثبات الأرضية التقليدية.

وقد أصبحت الهوائيات المتحركة ذات التصفيات المتحركة عملية بالنسبة للمركبات الصغيرة المتعددة الترددات بفضل أجهزة الوصل ذات القدرة المنخفضة من شركات مثل نوكيويف ورينيساس، ولا يمكن لهذه الصفائح أن تشكل شعاعات متعددة في آن واحد، وتدعم التنوع في الرابط، وتضاعف الأماكن، والتدخل في الإلغاء، وتلغي عن طريق توجيه الرواسب الإلكترونية الحاجة إلى الخلايا الميكانيكية وتخفض الطاقة.

وأخيراً، فإن الهوائيات المتوافقة والمنسوجة تسمح بضم عناصر الاتصال إلى صمامات الطائرات أو أسطح الأجنحة أو حتى غلاف البطاريات، مما يقلل من جر الطفيليات ويحمي الهوائيات من الأضرار البيئية، وقد وضع الباحثون في مختبر لينكولن التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا صفيفة رقيقة مرنة يمكن تطبيقها على أسطح مصفورة من جسم بدون طيار ذي طابع ثلاثي، مما حقق كفاءة إشعاعية بنسبة 80 في المائة.

نم ميد و ايقاظ

وكثيرا ما تتطلب نظم الاتصالات بالطائرات الاستماع المستمر للقيادات أو القياس عن بعد حتى عندما لا تنقل بصورة نشطة، مما يمكن أن يعطل جهاز الاستقبال بعدة مئات من المليواتات، ومن أجل التصدي لذلك، تتضمن الأجهزة الحديثة أساليب نوم عدوانية وأجهزة استقبال للوقوف على الموجات المنخفضة.

وتُستخدم أجهزة استقبال مخصَّصة تستهلك ميكروبات من التيار (منخفضة إلى ميكروب) وتُرصد دائماً إشارة إيقاظ، وعندما يتم اكتشاف مجموعة صحى من التعبئة، تشير وحدة الترددات العالمية إلى جهاز الاستقبال الرئيسي الذي يُستخدم من خلال النوم العميق (يسحب من 10 إلى 50 ميكرووتر) إلى التشغيل الكامل (من 10 إلى 100 ميلتر مربع) في أقل من 100 ميكروت.

وتجمع وحدات إدارة الطاقة المتكاملة الآن بين أجهزة تنظيم الفولط، وأجهزة شحن البطاريات، وتسلسل القوى مع ولايات النوم القابلة للبرمجة، وعلى سبيل المثال، تشمل أجهزة تكساس TPS6594-Q1 PMU، فيما يتعلق بالتطبيقات المتعلقة بالسيارات والفضاء الجوي، خطوطا متعددة للطاقة يمكن أن تكون مستقلة، تدعم بقاء المركبات تحت 10 ميكروات في العمل بالنسبة لتجمعات المياه وساعة العمل الحقيقي، بينما تبلغ كفاءة المفاعلات الترددات الترددات 90%.

وبالإضافة إلى أساليب النوم في الأجهزة، فإن تناوب العمل على مستوى المراسم يؤدي دوريا إلى إطفاء جميع أجهزة الراديو في فترات محددة.() ويجري تكييف بروتوكولات الشبكة الواسعة النطاق ذات القوة المنخفضة مثل لورواوان، التي وضعت أصلاً في إطار نظام إيكون، من أجل قياس بُعد الطائرات، وتحقيق الاتصالات بمقياس الكيلومترات عند مستوى أقل من 100 متر مربع مع وجود دورات عمل منخفضة، غير أن هذه الأساليب تتطلب تنسيقاً دقيقاً.

الإدارة المتكاملة للطاقة وتعبئة الطاقة

وتمتد إدارة الطاقة الذكية إلى ما بعد أنماط النوم، ويمكن لأجهزة التحكم الرقمية في الطاقة أن تضخ بصورة دينامية وتواتر وحدات التجهيز الرقمي (مثل مجهزي النطاقات الأساسية ومحركات التشفير) استنادا إلى عبء العمل، وهذه التقنية، المعروفة باسم التطاير الدينامي للفولط والارتفاع بالتواتر، شائعة في الهواتف النقالة، ولكنها تطبق بشكل متزايد على وحدات الاتصالات للطائرات.

ويمكن أن يحل جمع الطاقة من خلايا المصادر الكميّة - الصلبة على جلد الطائرات، أو المولدات الكهربائية الحرارية من حرارة نفايات المحرك، أو محصولات الفطائر من الطاقة الكهرمائية الهيكلية - التي تعمل على توليد الطاقة الكثيفة، مثل شبكات الاتصالات، وقد أظهرت البحوث التي أجريت في جامعة ستانفورد طائرة بدون طيار مزودة بخلايا شمسية متكاملة على أجنحتها، مما أدى إلى توليد طاقة كافية في إطار وصلة من طراز 5G لتيار سواتل الصيد بالفيديو، ومدة وقت الطيران بنسبة 15 في المائة.

إن نقل الطاقة اللاسلكية هو نهج أكثر مضاربة، وإن كان يمكن أن يعطل، وباستخدام شعاعات الموجات الدقيقة القابلة للتحكم من المحطات الأرضية، يمكن إعادة شحن الطائرات بدون طيار في رحلاتها، كما تدل على ذلك شركات مثل شركة نقل الطاقة العالمية وشبكة ويتيريكتي، وفي حين أن هذه النظم لا تزال في مرحلة التطوير المبكر، فإنها يمكن أن تقلل حجم البطاريات وتقضي على وقت التعطل في إعادة الشحن.

How Innovations Enable New Aircraft Designs and Missions

ويتمثل الأثر التراكمي لهذه الابتكارات في مجال المعدات في خفض البصمة الكهربائية لنظم الاتصالات من عشرات الشواذ إلى عدد قليل من الخواتم، بل وحتى الألفوات في الولايات المنخفضة النشاط، مما يتيح لمصممي الطائرات أن يجعلوا المبادلات التي كانت مستحيلة في السابق.

تمديد الرحلة الجوية ورقص الرنج

وبالنسبة لطائرة بدون طيار متعددة الأطقم نموذجية ذات 15 دقيقة طيران على بطارية 20 ويقلل من قدرة الاتصالات من 3 دبليو إلى 1 دبليو، يمدد وقت الرحلة بنسبة 13 في المائة (من 15 إلى 17 دقيقة) وبالنسبة للمواقع الثابتة الجناحين ذات البعثات التي تزيد عن ساعة، فإن الوفورات أكبر نسبيا.

انخفاض حجم وزبائن الوزن

وتتيح نماذج الاتصالات الصغيرة والخفيفة إنشاء أجهزة مصغرة (دون 250 غرام) يمكن تشغيلها في أفران، وقد قامت وكالة مشاريع البحوث المتقدمة في مجال الدفاع الأمريكي بتمويل برامج لتطوير 10 طائرات بدون طيار قادرة على الاتصال بأكثر من كيلومترين بأقل من 100 متر من طاقة النقل، باستخدام أجهزة تكييف القوى الدفاعية وأجهزة التنقيب عن الأنف، وهي تعمل على أداء مهام مسحية أكبر.

ما بعد الخط البصري لعمليات البصر

ويتطلب الطيران في نظام BVLOS اتصالات موثوقة عالية النطاق على عشرات الكيلومترات، وغالبا ما تكون في ظروف غير مباشرة، وتجعل معدات التشغيل الفعال للشبكة قابلة للتطبيق بالنسبة للطائرات التي تعمل بالبطارية وذلك بتقليص حجم وكلفة المودم على متن الطائرة وهائيا، وتضع شركات مثل فولكوبتر وليلوموم ضريبة على الهواء تعتمد على وصلات الدفع الأمامية لمحطة 4G/5G.

التحديات والاتجاهات البحثية المستقبلية

وعلى الرغم من التقدم المثير للإعجاب، لا تزال هناك تحديات كبيرة قبل أن تصبح هذه التكنولوجيات موحدة في جميع أنحاء الصناعة.

تحقيق التوازن بين كفاءة السلطة والأداء والانتقال

ومع زيادة كفاءة نظم الاتصالات، كثيرا ما تُستبعد من معدل البيانات أو من حيث الكفاءة أو من ميزانية الربط، فعلى سبيل المثال، يؤدي الحد الأدنى من الطلب (QPSK بدلا من 64 QAM) إلى خفض القدرة على النقل إلى النصف، ويُدخل التدوير في العمل على درجة من المرونة قد تكون غير مقبولة بالنسبة لمراقبة الوقت الحقيقي، ويجب على المهندسين أن يتقنوا الشكل المحدد للبعثة، الذي يختلف اختلافا واسعا عن المراقبة القصيرة الأجل إلى فترة طويلة.

الإدارة الحرارية والتوثيق

وحتى المعدات الفعالة تولد حرارة النفايات، وفي أُطر جوية مُغلقة، يمكن أن تتراكم الحرارة، وتزيد التصميمات الحرارية المُتقطعة (أنبوب الحرارة، ومواد التغيير التدريجي) الوزن والتعقيد، وتبدو التبريد النشط (اللواء، التبريد السائل) غير عملي بالنسبة للطائرات الصغيرة بدون طيار.

Constraints Regulatory and Spectrum

كما أن الطائرات التي تعمل بالبطارية تعمل في طيف إذاعي مزدحم بشكل متزايد، ويجب أن تكون نظم كفاءة الطاقة فعالة بشكل مقطع وأن تتجنب التدخل مع مستخدمين آخرين، كما أن إدارة الطيران الاتحادية ووكالة سلامة الطيران التابعة للاتحاد الأوروبي تفرض حدودا صارمة على وصلات بيانات المركبات الجوية فوق البنفسجية، ولا سيما في نطاقات الترددات 2-4 و 5.8 من الحيز الترددي، ويمكن أن يساعد ذلك في ذلك استخدام أساليب الأشعة المتطورة والارتية المعرفية.

الاتجاهات المستقبلية: برنامج AI-Optimized Hardware and Quantum Communications

وفي المستقبل، من المرجح أن يدمج الجيل القادم من معدات الاتصالات الخاصة بالطائرات التي تعمل بالبطارية جهازا آليا على مستوى الرقاقة ليؤدي إلى تحقيق الاستخدام الأمثل في الوقت الحقيقي للطاقة، والنبض، والمقايضة في حالات الطوارئ، ويمكن لمعجلات التعلم الآلي في المستقبل أن تجهز المعلومات التي تقدمها الدولة وأن تعدل البارامترات بسرعة أكبر من المقياس السحابي، وكلها تستهلك أقل من 100 متر.

أما الاتصالات الكميّة، وإن كانت لا تزال في مرحلة الاستنشاق، فهي تعد بتشفير لا يمكن كسره نظرياً، وربما تكون أقل طاقة في كل جزء.() أما نظم التوزيع الرئيسية الكمّية العملية للطائرات المسيرة، فتجري بحثها من قبل منظمات مثل الأكاديمية الصينية للعلوم ووكالة الفضاء الأوروبية، ولكن التنفيذ الحالي يتطلب أجهزة كشف للشحنات السائبة وأجهزة لكشف الكهرباء.

وأخيراً، يجري استكشاف مواد جديدة مثل الغرافيين ونانووب الكربون بالنسبة لمكونات الترددات الرجعية، ويمكن لمترجمي الأشعة المميتة في حقل غرامين أن يعملوا في ترددات تيراهارتز ذات الطاقة المنخفضة جداً في العاصمة، كما أن الهوائيات النانوية الكربونية خفيفة وفعالة بشكل لا يصدق، وقد تحل هذه العوامل في نهاية المطاف محل الناموسيات المستخدمة في تطبيقات معينة، وإن كانت قابلية الصنع والموثوقية لا تزال غير قابلة للزراعة.

خاتمة

إن سباق جعل الطائرات ذات الطاقة البطارية عملية للتطبيقات التجارية والعسكرية يتوقف على معدات الاتصالات الفعالة من حيث الطاقة، أما الابتكارات في شبه الموصلات، وتصميم الهوائيات، وأساليب النوم، والإدارة المتكاملة للطاقة، فتخفض تكلفة الطاقة للبقاء على اتصال، وهذه التطورات ليست مجرد تحسينات تدريجية؛ بل إنها تتيح فئات جديدة تماما من المركبات، من حرق أجهزة الطاقة الصغيرة إلى نظام التأشيرات الجوية الحضرية، التي كان من الممكن أن تتطور مع

[FLT: /] For further reading: the [FLT:]IEE Spectrum Drones topic features ongoing coverage of power innovations; the NASA UAS Traffic Management project]s communication protocols for BVLOS; and NTIA