السلف في نظم الإنشاء الهيدروليكي والكهربائي

وتعتمد الطائرات الحديثة على الرقابة الدقيقة على رفع سطح الأرض من أجل تحقيق الأداء الأمثل عبر الإقلاع والرحلات السياحية والنهوج والهبوط، وتُحدث نظم الحرق التي تنشر وتسحب محركات الارتفاع المتطورة في مجال الطاقة، بين أكثر النظم الفرعية أهمية بالنسبة للأمان على أي طائرة ثابتة الجناحين، وقد شهدت صناعة الفضاء الجوي، خلال العقدين الماضيين، تحولا مطردا من التكوين الهدرائي التقليدي إلى

نظم الفرز الهيدروليكي

وقد كانت النظم الهيدروليكية العمود الفقري للطائرات التجارية والعسكرية منذ الخمسينات من حيث السيطرة على الطيران، وقدرتها على إيصال قوة عالية في مجموعة من الاتفاقات، إلى جانب عقود من الموثوقية المثبتة، جعلتها الخيار غير المقصود بالنسبة لطائرات كبيرة من فئة النقل، غير أن ارتفاع تكاليف الوقود، والأنظمة البيئية، والدفع لطائرات أكثر كهرباء، يؤدي إلى تحسينات كبيرة في تصميم النظام الهيدروليكي.

العناصر الأساسية والعملية

ويتكون نظام التقلبات الهدرائية النموذجية من مضخات محركية، وخزانات، ومصفوفات، وصمامات، ومحركات (محلية أو دوارة)، وشبكة للسباكات المرنة والقوية، ويقود الطيار أو حاسوب مراقبة الطيران صماماً يضغط فيه المتر على السوائل الهيدروليكية في المشغل، ويوسع نظام التحكم في المواقع الإلكترونية أو يعيده.

الابتكارات الأخيرة

المشتغلون بالمهندسين الهجينيين

ويقضي إدماج محركات كهربائية بمضخات هدرالية في مجموعة محركات واحدة، تعرف باسم وحدة محركات متحركة متكاملة أو مشعل كهربائي كهربائي، على أن يزيل الكم الهائل من المضخات المركزية، ويستخدم جهاز EHAs محرك كهربائي لدفع مضخة هيدروليكية محلية، ولا يُستخدم فيه سوى أجهزة خفض الوزن الهيدروليكي في هيكل السائل.

البحار المتقدمة والمواد

وقد تقدمت تكنولوجيا المجاري لمعالجة الضغوط المرتفعة )حتى ٠٠٠ ٥ بيسي في بعض التصميمات( ونطاقات درجات الحرارة الأوسع مع التقليل إلى أدنى حد من التسرب، وتُصنع الآن من مكونات المكوك المحتوي على البوليترا فلورو إيثيلين، التي تحتوي على مواد مائية مجهزة بمواد مائية، ما يصل إلى ٠٠٠ ٢٠ ساعة طيران، وفي الوقت نفسه، يجري تصنيع مكو ِّنات من المانيكولات الكربونية المغناطيسية والمركبات الكربونية(

أجهزة الاستشعار الذكية والصيانة الافتراضية

فالضغط المُخلَّف ودرجات الحرارة وأجهزة الاستشعار التي تعمل باللباس تتيح الرصد الصحي في الوقت الحقيقي لنظم التهوية الهيدروليكية، ويمكن للمشغلين تتبع مستويات التلوث بالسوائل، واكتشاف حالات الفشل في الختم، والتنبؤ ببقايا الحياة المفيدة، وتغذي هذه البيانات نماذج رقمية توأمة تُحدِّد جداول الصيانة إلى الحد الأمثل، وتخفض على سبيل المثال، يمكن لنظام حديث لإدارة الأسطول التنبؤ باحتياجات استبدال الختم استنادا إلى دورات وسائل التراكمية.

الفوائد والتحديات المستمرة

وتوفر النظم الهيدروليكية كثافة كهربائية غير متداخلة - يمكن للمحرك الهيدروليكي الوحيد أن يمارس قوى تتطلب محركا كهربائيا أكبر عدة مرات، كما أنها توفر التصلب والنهب المتأصلين، مما يؤدي إلى تحسين الاستقرار في ظروف ضارة، وفي الجانب السلبي، يظل وزن السوائل الهيدروليكية والسباكة كبيرا )ما يقرب من ٢-٣ في المائة من التسرب في أكبر حجما في طائرة تجارية كبيرة(.

نظم تكوين الكهرباء

ويعزز الكهرباء القدرة المتزايدة على توليد الطاقة الكهربائية على الطائرات الحديثة التي تولدها المولدات المتقدمة، وتخزين البطاريات، والإلكترونيات لتوزيع الطاقة، وذلك بالاستعاضة عن المضخات الهيدروليكية، والتصفح، والسائل بالسيارات الكهربائية، والتحكم، والأسلاك، والنظم الكهربائية، يقلل الوزن، وتبسيط التركيب، ويزيل تقريباً الصيانة ذات الصلة بالسوائل والأخطار البيئية، وقد أدى الضغط نحو الطائرات الأكثر تضييقاً إلى التعجيل باعتماد منصة.

Motor and Drive Technology

إن قلب أي نظام للكهرباء هو المحرك، وتشمل التطورات الأخيرة اعتماد محركات متزامنة مغناطيسية دائمة ومحركات متفجرة من طراز DC ذات كثافة حرارية عالية، وتحقق هذه المركبات مستويات عالية من الكفاءة الحرارية فوق 90 في المائة ويمكنها أن تولد تسارعاً معدلاً بالسرعة المنخفضة دون أن تجهز في بعض التصاميم، وتُعد الإدارة الحرارية مجالاً حرجاً:

مرتفعات، هياكل أركولوجية منخفضة السرعة

وكثيرا ما يستخدم المحركات الكهربائية الحديثة جهازاً للكهرباء مباشرة أو جهازاً للعتاد الكواكبي بسيطاً ليطابق السرعة الحركية مع متطلبات الحركة المتحركة، ويقلل القضاء على معدات التخفيض الثقيل الكبيرة من الارتداد ويحسن وقت الاستجابة، فعلى سبيل المثال، يستخدم محركاً متحركاً غير مكتمل في نظام الخليج G650 مشتعل، ويستخدم جهازاً مكافئاً للكوكب في المرحلتين، ويحقق مرسايرة دقيقة

وحدات الرقابة الإلكترونية ووحدة التحكم

ويقترن كل ملجأ كهربائي بوحدة مخصصة تعمل على ضبط التيار والسرعة والموقع، كما أن التقدم في أجهزة توليد الطاقة الكهربائية، ولا سيما استخدام قنبل السيليكون ونيتريد الغاليوم (GaN) يؤدي إلى خفض الخسائر في التحول ويتيح زيادة الترددات، مما يؤدي إلى وجود عناصر أقل سرعة في التحكم في الطاقة الكهربائية، وإلى انخفاض مستوى الكفاءة في استخدام الأجهزة الكهربائية.

تعليم الآلات من أجل الرقابة التكيفية

فالاستخبارات المتطورة تتجه إلى أبعد من أجهزة التحكم في أجهزة تحديد الهوية، كما أن الخوارزميات التعليمية الماكنة التي تم تدريبها على بيانات اختبارات الطيران يمكن أن تتنبأ بتغييرات في الحمولة وتضبط الأوامر المحركية مسبقاً، وتخفض من سرعة التجاوزات في عملية الفرز والوقت المحدد للتسوية، كما تستخدم الشبكات العصبية وآلات الدعم في الكشف عن الأخطاء على الإنترنت بين الارتداء العادي، والفشل في التقلب، والاختلال، والاختلال في الحساسية.

الفوائد والمسائل المعلقة

وتظهر الدراسات أن استبدال نظام الاختراق الهيدروليكي بمكافئ شامل للكهرباء يمكن أن يوفر ٣٠-٥٠ في المائة من وزن نظام الاستهلاك، والأسلاك الكهربائية أخف وأكثر مرونة وأسهل من طريقها من التصفح الهيدروليكي، علاوة على أن إزالة السوائل الهيدروليكية تؤدي إلى خفض مخاطر الحريق وتكاليف التنظيف البيئي بمعدل أسرع.

ولا تزال هناك تحديات قائمة، إذ أن كثافة الطاقة الكهربائية أقل من المضخات الهيدروليكية، مما يعني أن الحاجة إلى قوة معينة تحتاج عادة إلى مجموعة أكبر من السيارات والعتاد، ويمكن لسحب الطاقة خلال عملية نشر الطائرات أن يضغط على الحافلة الكهربائية للطائرة، مما يتطلب تنسيقا دقيقا مع نظم أخرى ذات حمولة عالية (مثل معدات الهبوط وحماية الجليد) ومع ذلك فإن الإدارة الحرارية للمحركات والإلكترونيات، لا سيما أثناء الدورات الإلكترونية المتكررة العالية المدوية، تتطلب حلولايرة قوية في مجال المناخ.

نظم الفرز الهجينة

وثمة مسار ثالث يكتسب المهارة هو النظام الهجين الذي يحتفظ ببعض العناصر الهيدروليكية مع إدخال الاختراع الكهربائي لمهام مختارة، وتهدف هذه التشكيلات إلى استخلاص أفضل العالمين: الكثافة العالية للطاقة الهيدروليكية بالنسبة للطائرات الثقيلة، وسرعة وكفاءة الاختلال الكهربائي بالنسبة للأسطح الأصغر أو كدعم.

أمثلة على الهيكل

إمدادات الطاقة الهيدروليكية المحلية بدعم كهربائي

وفي هذا الهيكل، يُصهر كل سطح من سطح الماء بمحرك كهربائي مكرس، بينما يؤدي تشغيله العادي إلى إحداث مضخة محلية في المحرك الكهربائي لوكالة الطاقة الكهربائية، مما يوفر ضغطاً هدراً لمحرك خطي، وإذا ما فشل المحرك الكهربائي، فإن الصمام الفوقي يمكن أن يُوجه السوائل من خزان مركزي مزود بالهيدروليك (يُستخدم في إطار نظام المحركات المزودة بالمحركات).

Electric Flap Control with Hydraulic Power for Extend/Retract

ويستخدم مفهوم آخر محركات كهربائية لضبط المواقع وشحنات ثابتة (مؤقتة) مثل المورفين الكامبر، مع الاعتماد على دائرة هدرالية صغيرة للمهام ذات الطفرة العالية المتمثلة في نشر وسحب المزلاجات، ويمكن أن تكون الدائرة الهيدروليكية أصغر حجماً وتبسيطاً لأنها لا تعمل إلا أثناء عمليات الانتقال، بينما يتولى المشغلون الكهربائيون التحميل والتجاري.

فوائد الترشيد

فالنظم الهجينة تضعف الطاقة الفورية العالية اللازمة للتنقل المشتعل من التوزيع الأولي للطائرات، ويمكن أن يستخدم الجزء الهيدروليكي دائرة مدمجة وراكبة تعمل على إعادة شحنها تدريجيا من مضخة كهربائية صغيرة بدلا من مضخة كاملة تحركها المحركات، مما يقلل من الجر من عمليات الضخ المستمرة ويقلل من الاستهلاك الإجمالي للوقود.

السلامة، الموثوقية، التصديق

وتصنف نظم الفرز على أنها إخفاقات حاسمة يمكن أن تؤدي إلى فقدان السيطرة على المصعد، وإلى انخفاض المناورة، وفي حالات شديدة، حوادث كارثية، كما أن سلطات التصديق، مثل إدارة الطيران الاتحادية، ووكالة الطيران الأوروبية، ولاية عالية جداً (وكالة سلامة الطيران التابعة للاتحاد الأوروبي) (مثلاً، احتمالية الفشل أقل من 10 [FLT:T:9]().

الهيكل التنظيمي

وتستخدم النظم الحديثة تركيبات ذات سعة مضاعفتين أو ثلاثية الغضب لكل سطح مزدهر، وفي النظم الهيدروليكية، تكفل مخزونتان هيدروليكيتان مستقلتان (مثلا من مضخات مختلفة تحركها المحركات) عدم تأثير التسرب أو الفشل في الضخ على عملية الصويا، وتستخدم النظم الكهربائية الريح المكثف للسيارات ومراقبيها، وكثيرا ما توفر عناصر مبعثرة لتجنب التصميم المشترك.

Built-In Test and Prognostics

ويشمل كل نظام جديد للاختبارات المحتوية على مواد اختبارية مبنية للتحقق من إمدادات الطاقة، والتحكم في الإلكترونيات، وحافلات الاتصالات، وحركة المحركات أثناء عمليات الفحص قبل الطيران، ويتجه هذا الاتجاه إلى الرصد المستمر للصحة أثناء الطيران، مع تسجيل البارامترات القائمة على أساس المقاعد أو السحابية، ويقدر الخوارزميات البرغنسية مدى الحياة المفيدة المتبقية، ويبرز عناصر تقترب من حدود الصيانة النهائية.

الأثر البيئي والاستدامة

وتخضع صناعة الطيران لضغوط من أجل تخفيض آثار الكربون وإزالة المواد الخطرة، فالسوائل الهيدروليكية، وإن كانت ضرورية، تستند إلى النفط وتتضمن مواد مضافة يمكن أن تكون سامة إذا أُطلقت، وتزيل الكهرباء هذه المخاطرة كلياً، وتسهم في بيئة أقل خضرنة من حيث الطاقة، كما أن النظم الكهربائية تطبق على الطيران أكثر كفاءة من حيث الطاقة: فهي لا تستمد الطاقة إلا عند الحاجة، بينما توفر النظم الهيدروليكية في حالة خسائر مستمرة من الطفيليات.

الاتجاهات والتطبيقات السوقية

وتتطور تكنولوجيا الصعود في مختلف قطاعات السوق، حيث تحولت طائرات ذات اتجاهين كبيرين مثل طائرة بوينغ 787 وطائرة A350 إلى هياكل كهربائية أكثر من غيرها، ولكنها لا تزال تحتفظ ببعض النظم الهيدروليكية للتحكم في الرحلات الجوية الأولية ومعدات الهبوط، وينتظر أن تصل الجيل القادم من منابر ذات الدفع الواحد في العقد القادم (مثل الاستبدال بالنسبة للأسر البالغ عددها 737 فردا والمحتملة)

مركبات جوية غير مأهولة

وتستفيد المركبات غير المجهزة بالكهرباء، ولا سيما التي لها أدوار تكتيكية أو حمولة، من البساطة والاستمرارية المنخفضة في الاختراع الكهربائي، حيث يقل حجمها وسرعتها الأدنى من احتياجات الحمولة، مما يسمح باستخدام محركات الحرق خارج المصفوفة، ويرتبط مستقبل الاختلال في هذا القطاع ارتباطا وثيقا بعمليات الحرق والاستقبال، حيث تصبح المعالم المسبقة عن طريق تخفيف حدة الأخطاء المبرمجة وقابلات الذاتية أمرا بالغ الأهمية.

التوقعات المستقبلية

وما زالت التطورات في علوم المواد، والإلكترونيات، والضوابط الهندسية تدفع حدود ما يمكن في التكتل، ومن المرجح أن يشهد العقد القادم اعتمادا واسع النطاق لشبه الموصلات (SiC and GaN) مما سيقلل حجم ووزن وحدات النقد الأوروبية ويتيح توزيعاً ميكانيكياً عالياً (مثلاً، 540 VDC)، وسيؤدي هذا بدوره إلى جعل نظم البحث ذات قدرة تنافسية عالية.

والهدف النهائي هو وجود طائرة كهربائية كاملة حيث تُصهر جميع أجهزة التحكم في الطيران، بما في ذلك النكهات، والصفوف، والمفسدات، ومعدات الهبوط، بالطاقة الكهربائية، بدون سائل الهيدروليكية، ولا مضخات محركية، ورؤوس الصيانة العامة الدنيا، وبينما لا تزال هذه الرؤية بعيدة عن السنوات، فإن التقدم الموصوف في هذه المادة يبين أن لبنات البناء آخذة في الظهور بسرعة.

For further reading on the certification and design considerations of actuation systems, refer to FAA Advisory Circulars and ]SAE AIR 5005A on flight control actuation. On the research side, the NASA Technical Reports Server