The Evolution of Wing Design for Hybrid and Electric VTOL Aircraft

وقد وضع الدفع نحو الطيران المستدام طائرة مهجورة وكهربية عمودية للإقلاع والهبوط في مقدمة الابتكارات في مجال الفضاء الجوي، وخلافا للطائرات الثابتة الجناحين التقليدية، وأجهزة الإي فيتو إل، وصممات طائرات ذات أجنحة هجينة، وتركيب الطائرات المتحركة ذات القدرة على إحداث توازن بين المطالب المتضاربة المتمثلة في رفع رؤوس الأموال الرأسية، واتساع نطاقها، والحد من الضجيج.

التجارة الأساسية في تصميم Wing VTOL

وتفرض عمليات الإقلاع والهبوط الرأسية قيوداً فريدة، وأثناء القفز، تخلق الأجنحة جراً وتزيد وزناً دون أن تسهم في رفعها - ويتحمل المروحيون أو المدافعون العبء الكامل، وفي الرحلات الجوية الأمامية، يجب أن تولد الأجنحة رفعاً فعالاً لتقليل سحب الطاقة من البطاريات أو المحركات الهجينة، ويتخذ هذا التوتر الأساسي كل قرار في مجال الهندسة ، ويتخذ تدريجياً من نسبة الاختيار.

ومن العوامل الحاسمة الأخرى، حيث أن التنقل الجوي الحضري يمكن أن يكون قابلاً للاستمرار، يجب أن تعمل طائرات VTOL بهدوء في المناطق المأهولة بالسكان، وتؤثر تصميمات الجناح على الضوضاء من خلال التفاعل مع محركات الدفع ومن خلال توليد الضوضاء المتأصلة، وتتعمد أفضل تصميمات حديثة تشكيل أجنحة لتقليل هذه التوقيعات الصوتية إلى أدنى حد دون التضحية بالأداء الهوائي.

Innovative Wing Configurations

ويجري حاليا تطوير مجموعة واسعة من التشكيلات بنشاط، لكل منها مزايا متميزة بالنسبة لملامح محددة للبعثات، فيما يلي أهم الاتجاهات الواعدة.

Blended Wing Body (BWB)

وفي تصميم أجنحة مختلطة، يدمج الصمامات التقليدية والأجنحة المتميزة في سطح واحد للرفع، مما يزيل التدخل الهوائي بين الجناح والجسد، ويقلل من الجر المتعمد بنسبة تتراوح بين 20 و 30 في المائة مقارنة بالتصميمات التقليدية للأنبوب والطائرات ذات العجلة العالية، ويتيح BWB قدرا كبيرا من الحجم الداخلي للشحنات المتجهة إلى الأمام.

وقد قامت عدة عمليات بدء، بما فيها Airbus] مع مفاهيمها المتعلقة بزراعة الطائرات، باستكشاف تشكيلات BWB لخطوط الطيران العاملة بالهيدروجينات.() وفيما يتعلق بالمنابر الصغيرة للمركبات الإلكترونية، يظل المصرف بمثابة وسيلة بحث - ولكن واحدة تعد بتحسينات كبيرة في النطاق عندما تنضج كثافة الطاقة في البطاريات.

مسامير موزعة

وبدلاً من الاعتماد على جناح كبير واحد، تستخدم أجنحة رفع متعددة أسطح أصغر أو مجموعة من عناصر رفعها، وفي سياق VTOL، فإن هذا النهج يقترن بطبيعة الحال بـ الدفع الكهربائي الموزع إذا كان يُمكن أن يُعوض عن الكثير من السيارات الصغيرة على طول الطرف الرئيسي للجناح، ويخفض المصعد الموزع حجماً للأجنحة الواحدة.

وقد درست ناسا على نطاق واسع تشكيلات المصعد الموزعة من خلال مشروعها [(FLT:0]) الخاص بتقنية " ليب " (LT:1])، مما يدل على حدوث تحسن كبير في كفاءة الرحلات السياحية وخصائص التوقف، وهذا يعني عمليا أن الطائرات مثل طائرة جوبي S4 تستخدم دوارات متعددة موزعة عبر جناح تقليدي نسبيا، موزعة على متن طائرة نظيفة ذات شكل جويدينامي.

Variable Geometry Wings

وتشمل الهندسة المتغيرة هياكل الدفن - والأجنحة التي تغير الكامبر أو المسح أو امتدت في التحليق - وآليات مثل التذويبات التي تعيد توجيه الجناح بأكمله بالمقارنة مع النسيج، وبالنسبة ل VTOL، فإن تصميمات العجلات شديدة الإلحاح: فالجناح يتناوب لتوفير رفع عمودي أثناء الإقلاع والهبوط، ثم يطوي إلى اتجاه أفقي ثابت بالنسبة للرحلة الأمامية.

وعلى النقيض من ذلك، تعتمد أجنحة الدفن على الجلدات المرنة والمحاضرات لتعديل شكل الهواء في الوقت الحقيقي، وتبدأ مثل Green Carber ، وتبحث العناصر الكبيرة مثل السفينة " Boeing " في جميع مراحل الانتقال إلى أجنحة عالية الحرارة، وذلك من خلال المراحل النهائية لتحقيق الأهداف المثلى للارتفاع غير المستقرة.

المواد والتحسينات

إن المطالب الهيكلية لفيلق التجارة الحرة والمتمثلة في ارتفاع شديد، ويجب على الرواسب أن تدعم الحمولات الثابتة أثناء المجاعة (التي غالباً ما تكون مع الفيلونات أو المحركات) والحمولات الدينامية أثناء الرحلات البحرية الضارية، مع إبقاء الضوء كافياً لتحقيق أهداف النطاقات، وتفسح السبيكات الألومنيوم التقليدية الطريق أمام تركيبات متقدمة وعمليات تصنيع جديدة.

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP)

وتعتمد الأطر الجوية الحديثة للمركبات الإلكترونية الإلكترونية، بما فيها الطائرات من جوبي وليلوم وأرتشر، اعتماداً كبيراً على مركبات ألياف الكربون، وتتيح هذه النظم نسباً استثنائية من حيث القوة إلى الوزن ومقاومة للإجهاد، مما يتيح هياكل الجناحين التي تكون أكثر أخفاً من المكافئات المعدنية بنسبة 30-50%، ويمكن أيضاً تصميم المواد على النحو الأمثل: تميل الألياف إلى مسارات الإجهاد المحددة في كل قسم من الأقسام، مما يقلل من الاستخدامات المادية.

الصناعة التحويلية والطباعة 3D

:: الطباعة 3D (الصناعة الايجابية) هي إنتاج مكون الجناح الثوري، ويمكن طبع المعادن الأرضية الداخلية المعقدة مثل هياكل التذاكر، وقنوات التبريد المطابقة، ونقاط الضبط المتكاملة في خطوة واحدة، والقضاء على العجلات، وخفض عدد الأجزاء، وهذا أمر بالغ الأهمية بالنسبة للأجنحة التي تتضمن نظما مدمجة مثل البطاريات أو مبادلات الحرارة.

فعلى سبيل المثال، أظهرت Boeing] أضلاع ثلاثية الأبعاد من جناح التيتانيوم، وهي أقصر بنسبة 20 في المائة من المعادلات الآلية، وفي حيز VTOL، تستخدم شركات مثل صناعة السائل المضاف من أجل إنتاج سطح جوي الديناميكي منخفض الحجم، مما يتيح سرعة التكاثر أثناء التنمية.

مركبات حرارية من أجل السرعة والاستدامة

وفي حين أن مركبات الحرارة المركبة تهيمن على الفضاء الجوي، فإن المركبات الحرارية تكتسب محركات أجنحة إي فيتو إل، ويمكن أن تُبلَغ وتُعاد تدويرها وتُجهز في دقائق بدلاً من ساعات (مثلها مع حرائق حرارة محمولة بالسيارات) مما يجعلها جذابة للإنتاج العالي الجودة - وهو أمر ضروري إذا كانت المواد التي تستخدمها حركة النقل الجوي تزيد من احتمال حدوث أضرار في المناطق الحضرية.

التكامل مع نظم التبشير

ويؤدي التقارب الوثيق بين الأجنحة والدفع في طائرات VTOL إلى خلق فرص لم يسبق لها مثيل في الطيران التقليدي، ولم يعد تصميم الجناح يتعلق بالهيروديناميات فحسب؛ بل يجب أن يستوعب ] محركات كهربائية، وبطاريات، وإدارة حرارية، ونظم رقابة موزعة .

Distributed Electric Propulsion (DEP)

وتُجمّع هذه المحركات ذات المحرك الكهربائي الصغير المتعدد على طول نطاق الجناح، ويمكن أن تدور بسرعة مختلفة بل وتتجه نحو التراجع إلى التحكم في السحب، ويمكن تصميم الجناح نفسه على الاستفادة من تدفق الهواء الذي يتسبب به مدافعو الحركة - وهي ظاهرة تعرف باسم ] التفاعل بين الجناحين على نحو مضبوط، وذلك عن طريق وضع مدافعين أمام الطرف الأمامي، وزيادة الضغط على المصعد المتحرك.

وقد برهنت طائرة ناسا من طراز X-57 ماكسويل، وإن لم تكن طائرة من طراز VTOL، على كيفية تخفيض مساحة الجناح بنسبة 50 في المائة مع الحفاظ على الأداء المنخفض السرعة، أما بالنسبة لمحطة VTOL، فإن المبدأ نفسه ينطبق: يمكن تأجير الجناح للرحلة البحرية، بينما يوفر الدوارون المصعد الإضافي اللازم للعمليات العمودية.

البطاريات المدمجة والإدارة الحرارية

فالنساء مكان مثالي للبطاريات لأن الكتلة الموزعة تساعد على تقليل اللحظات التي تُقطع على جذر الجناح، غير أن البطاريات تولد حرارة كبيرة أثناء التصريف والشحن، وخلايا الليثيوم حساسة لتباين درجات الحرارة، وتشتمل تصميمات الأجنحة الحديثة على قنوات التبريد، ومواد تغيير المرحلة، أو حلقات التبريد السائلة داخل هيكل الجناح، وتقترح بعض المفاهيم استخدام جلد الجناح كبوعة حرارية.

وبالنسبة للتصميمات الكهربية الهجينة (التي تجمع محركا صغيرا من التربين أو البستون مع البطاريات)، يمكن أن يأوي الجناح أيضا مولدا أو خزانا للوقود، ويتطلب ذلك إدارة دقيقة لنوبات مركز الجاذبية مع استهلاك الوقود وتصريف البطاريات، وتدمج المحركات المتقدمة الأجنحة أجهزة الاستشعار والمواضع التي تعدل معدلات تدفق الوقود أو تصريف البطاريات للحفاظ على التوازن الأمثل.

الهياكل الذكية والضواحي

وبدلاً من الاعتماد على الأساطير التقليدية والمنافذ والمجارير، تستخدم طائرات عديدة من طراز eVTOL مزيجاً من مراقبة السرعة المزروعة، والرمي الجماعي، وأسطح التحكم المجهزة بالجنح، وتزيل بعض التصميمات سطحاً منقولة بالكامل، باستخدام دفعة متمايزة لجميع أجهزة التحكم، وعندما يتم الاحتفاظ بالأسطح، فإنها تزداد ] [FLT].1]

التحديات والحلول الجوية

وإلى جانب التشكيلات والمواد، يجب على المصممين حل مشاكل جوية محددة فريدة من نوعها بالنسبة لرحلة الطائرة VTOL.

تفاعل الروتور - واينغ

وعندما يتم تركيب الدوارات على الجناح أو بالقرب منه، يمكن أن يخلق هذا التدفق المعقد الذي يقلل من الارتفاع ويزيد من الجر، وهذا أمر يثير إشكالية خاصة أثناء القفز والانتقال، وقد أصبحت ديناميات السوائل المحوسبة أساسية لتحقيق الاستخدام الأمثل للطوابق، وشكل الأجنحة، وتصميم الأنابيب للتقليل من الخسائر في التدخل، وتظهر الدراسات أن وجود جناح مصمم جيدا مع أجهزة الدوارة يمكن أن يحقق نسبة 10-15 في المائة.

Stall and Post-Stall Behavior

وكثيرا ما تعمل طائرات VTOL بالقرب من خط التاجير أثناء الانتقال، ويجب أن يكون للجناح خصائص المكسو، مثل المماطلة التدريجية التي توفر الإنذار وتتيح الاستعادة، ويمكن للمولدات الكهربائية ذات الدوافع أو مراقبة التدفق النشطة أن تساعد في ذلك، كما أن الدافع الموزع يساعد على الحفاظ على طبقة الحدود المنزوعة.

استراتيجيات الحد من الضآلة

إن الضوضاء التي تنجم عن صيد الأسماك هي أحد المساهمين الرئيسيين في الضجيج العام للطائرات، كما أن الأسطح المزودة بالخدمة )الجناح الشبيهة بالبومة(، وأطراف المقطورة المخرفة، وتصميمات ابتلاع الحدود، كلها تعد بتقليل الانبعاثات الصوتية، ويمكن أيضا ربط الجناح أو ملفوف حول الدوار ليدر الضجيج من الأرض - وهو تقنية تستخدمها تصميمات الجوبي والليليوم.

الاعتبارات التنظيمية والمتعلقة بالتصديق

ويجب أن تفي تصميمات طائرات VTOL بالأطر الناشئة من اتفاق القوات المسلحة الأنغولية (مثل تنقيح الباب 23 للشبكة الإلكترونية للطيران) ووكالة الفضاء الأوروبية (الحالة الخاصة VTOL) وتشمل متطلبات التوثيق السلامة الهيكلية تحت حمولات التحطم، ومقاومة ضرب الطيور، وحماية البرق، وتصميم نظم آمنة للنظم الحرجة، ويجب أن تظهر العوامات التي تنطوي على تعزيزات أو خيارات لتصميم السيارات تأثيرات على إضافة الحرائق.

أمثلة على الصناعة الرائدة

وتبين عدة طائرات الآن في اختبار الطيران كيف يجري تحقيق مفاهيم الجناح الحالي.

  • Joby Aviation S4:] Uses a fixed wing with six tilting rotors — four on the wing leading edge, two on a V-tail. The wing is carbon fiber with a high aspect ratio, optimized for cruise efficiency. The distributed rotors enable column lift without tilting the wing itself.
  • Lilium Jet:] employs 36 ducted fans mounted in the wings and canards, all tilting to achieve spiritual lift and forward push. The wing serves as a nacelle and structural element, with the fans embedded in the tracking edge and this formation minimizes exposed rotor blades and reduces noise.
  • Archer Midnight:] Features a conventional high-wing layout with 12 fixed-pitch propellers (six forward, six aft) mounted on the wing. The wing is designed for low-speed lift and is relatively large compared to the joby wing, to reduce disk loading and noise.
  • Beta Technologies Alia:] A single main wing with a V-tail and a single large pusher propeller. For column lift, Alia uses four wing-mounted and one tail-mounted lift fans. The wing is shaped for efficient cruise, and the lift fans are stowed in nacelles that blend into the wing contour.

الاتجاهات المستقبلية: الرواسب الإيجابية والملهمة الأحيائية

ومن المرجح أن يتضمن الجيل القادم من أجنحة VTOL هياكل تكيفية تستجيب لظروف الطيران دون قطع متحركة منفصلة، ويمكن أن تؤدي السكك الحديدية والمنسوجات القابلة للبرمجة والمنشطات الدقيقة إلى إنتاج أجنحة من تشكيلة عالية الكهف، عالية الحركة، من أجل الإقلاع إلى شكل من أشكال الزلاجة، أو ذات السحب المنخفض للرحلات السياحية.

وثمة مفهوم جديد آخر هو [(FLT:0)] الجناح أو الجناح العنيد ]، وهو جناح كامل العضلات يُلحق بدافع أو دوارة، ويمكن أن يقلل نظرياً من فقدان المعلومات والضوضاء في الوقت الذي يقدم فيه الدعم الهيكلي للمراوح المختطفة، غير أن هذه التصميمات تُحدث تحديات في التركيب ولا تزال تُثبت في رحلات جوية كاملة النطاق.

الاستدامة وتأثير دورة الحياة

إن خيارات تصميم النفايات تؤثر أكثر من أداء الرحلات الجوية، إذ أن استخدام المركبات الحرارية والصناعات المضافة يمكن أن يقلل من النفايات أثناء الإنتاج وأن يتيح إعادة تدويرها بسهولة في نهاية الحياة، ويمكن للمجسات المتطورة للرصد الصحي أن تمتد الحياة من خلال الكشف عن الأضرار في وقت مبكر، وأن تقلل من تواتر الاستبدال، حيث أن الطلب العالمي على حركة عدم الانحياز ينمو - وربما عشرات الآلاف من الطائرات - الأثر البيئي التراكمي لصناعة الكربونات وصيانته، وتركيزة، وتبدو، يُعددُدُدُدُه، يُبُدُبُبُبُه، ويُتُبُخَغَتُصُصُصُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُهُهُهُهُبُبُهُبُتُهُهُهُهُهُهُهُهُهُهُهُهُه

خاتمة

إن تصميم الطائرات في مركز ثورة الشبكة الدولية للطائرات الصغيرة والمتوسطة الحجم، وكل انفراج في الديناميكية الهوائية والمواد وتكامل التعبئة يكشف عن إمكانيات جديدة للنطاق، والتحميل، والحد من الضوضاء، والمرونة التشغيلية، وتظهر الأمثلة والاتجاهات التي نوقشت هنا أننا تجاوزنا كثيراً وسائل النقل الجوي التقليدية؛ وستكون أجنحة الغد نشطة ومكيفة ومتكاملة بشكل عميق مع نظم الطاقة الكهربائية العشرة.