مقدمة إلى شركة هيلكوبتر العليا

إن تشغيل طائرة هليكوبتر فوق عشرة آلاف قدم يتطلب أكثر من مجرد التهوية، وفي هذه الارتفاعات، تهبط الكثافة الجوية بنسبة 30 في المائة تقريبا مقارنة بمستوى سطح البحر، مما يخلق سلسلة من الفرضيات الجوية والميكانيكية، ويحتاج نظام التناوب نفسه الذي يوفر رفعا حادا على السواحل إلى قوة دفع كافية لدعم وزن الطائرة، ناهيك عن ارتفاع معدل الحرارة في المنطقة.

إن تلبية هذه المطالب تدفع مهندسين إلى تجاوز حدود التصميم التقليدية، ونتيجة لذلك، هو فرع متخصص من الهندسة المزروعة يجمع بين الديناميات الهوائية المتقدمة، وتعديلات الزرع العنيفة، والمواد الهيكلية الجديدة، وتدرس هذه المادة الفيزياء الأساسية التي تدفع المشكلة، والعقبات الهندسية الرئيسية، والتكنولوجيات التي تم تطويرها للتغلب عليها، والاتجاهات الناشئة التي تعد بزيادة مظروف الارتفاع.

فيزياء الرحلة العالية الارتفاع

فالسرقة التي تولدها نصل للدوار تناسب الكثافة الجوية، ومربع سرعة التناوب، ومنطقة الصدر، ومعامل الرفع، وتصل الكثافة الجوية إلى نحو 000 15 قدم، وتصل إلى 60 في المائة من قيمة ارتفاع سطح البحر، وتصل إلى حد كبير، وتحتاج إلى زيادة سرعة الرفع أو الرفع.

إن قوة الدفع ليست هي الشاغل الوحيد، فالقوة اللازمة لقيادة الدوار هي وظيفة من وظائف الطاقة المستحثة، والكهرباء، والسحب الطفيلي، وعلى ارتفاع، زيادة الطاقة المستحثة، لأن على الدوار أن يعمل بجد للتعجيل بحجم أكبر من الهواء الضعيف، كما أن قوة التقلب، التي تعتمد على سحب الصاروخ، تتأثر أيضا بالتغيرات في عدد طائرات الهليكوبتر المتعارضة مع الهواء.

ولمعاملة أكثر تفصيلاً للمركبات الهوائية ذات الطرازات الحرارية على ارتفاعات متطرفة، نشر مكتب علم الهوائية التابع لناسا بحوثاً واسعة النطاق بشأن نظرية عناصر الصدر المتناثرة المتناثرة التي تطبق على الظروف ذات الهواء الضعيف.

التحديات الهندسية الرئيسية

الحد من الرفع والكفاءة في استخدام الروت

ومع ارتفاع الارتفاع، يجب أن تعمل الشفرة الدوارة في زوايا الهجوم الأعلى للحفاظ على نفس القوة، مما يجعل الشفرة أقرب إلى حد التوقف، وخاصة على الجانب المتراجع من القرص المركب حيث تقل التدفقات الجوية النسبية، ويحد من سرعة التلويث الملتوي وقابلية المناورة للطائرات العمودية، ويزداد اتساعاً بسبب انخفاض الهامش حتى في الارتفاع المباشر.

كما يجب أن يتعامل الدوار مع العدد المنخفض لرينولدز الذي يرافق كثافة أقل، وفي أعداد منخفضة من رينولدز، فإن الهواء يزيد من جره وفصله في وقت سابق، وتُستعان بأقسام منصة عالية الجودة لهذا النظام، وكثيرا ما تنطوي على تعديلات كبيرة وأجهزة لمراقبة الحدود، وتحسن هذه التحسينات من نسبة الارتفاع إلى الارتفاعات في نظام الروتور، الذي يترجم مباشرة.

الأداء المحركي وفقدان الطاقة

ومعظم محركات الطائرات العمودية إما هي توربينات الغاز المتورمة أو، في بعض النماذج الخفيفة، محركات متبادلة، ويتوقف كلا النوعين على الأكسجين لأغراض الاحتراق، وعلى ارتفاع عال، يؤدي انخفاض تدفق الهواء إلى الشاحن أو المتحصل إلى انخفاض حاد في إنتاج الطاقة، كما أن محركاً من طراز توربوشافت ينتج 000 1 حصان متحرك من ارتفاع حراري قد لا يؤدي إلا إلى فقدان طاقة حرارة بـة بـة بـة بـة 000 15 قدم.

وللتخفيف من ذلك، يستخدم المهندسون الاضطرابات أو التصريف، ويستخدم التربوفلور طاقة العادم لضغط الهواء، واستعادة الكثافة قبل دخوله إلى غرفة الاحتراق، وكثيرا ما يضاف المكونون الدوليون للحد من درجة الحرارة في الهواء المضغوط، وزيادة تحسين الكثافة، والحد من الضغط الحراري على مكونات المحرك، ويديرون تلقائيا عمليات مراقبة الحركة الرقمية الكاملة التي تتيح التركيز على الوقود والضغط.

القروض الهيكلية والمواد

وتفرض عمليات الطول العالي مطالب هيكلية فريدة، إذ أن الجمع بين الزوايا العالية من الشفرة، وزيادة اليقظة، وتقلبات الحرارة القصوى، يتسارع في التهاب العناصر الدينامية، ويجب تصميم محور الرواد الرئيسي، وجهاز التروس، وجهاز التحكم بالدوارات، على تحميلات دوارات أعلى مع الحفاظ على وزن منخفض، وأي هيكل إضافي يلزم لتعزيز هذه الأجزاء يؤدي مباشرة إلى خفض الحمولة المتاحة للركاب أو البضائع.

ويصبح اختيار المواد أمراً حاسماً، إذ إن السبيكات الألومنيوم، رغم أن الوزن الخفيف والتقليدي، قد لا توفر مقاومة كافية للضغط تحت التدوير الحراري والميكانيكي الموحد الذي يضاهي الخدمة العالية الارتفاع، كما أن المكونات المركبة المتقدمة مثل البوليمر المحرر بالكربون تستخدم بشكل متزايد في اللوحات الدوارة، ولو أن الألواح الجوية تضاهي أيضاً الأطر الهيكلية.

Icing and Environmental Hazards

إن التسرب هو أحد أخطر التهديدات التي يتعرض لها الطيران عالي الارتفاع، ويمكن أن تتجمد قطرات المياه فوق السطح، وتعطل تدفق الهواء، وتزيد من الوزن، وتتسبب في ذبذب شديد، ويمكن للتلقيح الجليدي على محركات المركبات أن يخنق التدفق الجوي ويتسبب في كوابيس الضغط أو اللهب الضغط على الشاحنات، وعلى ارتفاع درجة الحرارة التي تدعم التداخل الشديد مع المظروف التشغيلية لمعظم الطائرات العمودية.

كما أن أجهزة التحلل والتصوير ذات الوجهات العالية، التي تستخدم مواد المقاومة الكهربائية أو الهواء المهتز من المحرك تمنع الجليد من تكوينه أو إزالته بعد التلقيح، وتستعمل بعض النظم ذات الصبغة الدوارة أحذيتها المشتعلة، وإن كانت هذه المواد أقل شيوعاً على طائرات الهليكوبتر الحديثة بسبب العقوبات الهوائية، وتحمي القاذفات المحركة بالأشعة الكهربائية أو بقاع مضافة مباشرة.

الاستقرار والسيطرة في منطقة الطول

تغيرت ديناميات الطيران على ارتفاع عال لأن انخفاض كثافة الهواء يقلل من فعالية سطح التحكم الجوي، ويفقد روابر ذيل، التي توفر السيطرة على التمزقات والاتجاهات، سلطة الدفع، مما قد يجعل من المناورة ذات السرعة المنخفضة أمراً بالغ الطلب، وتحتوي بعض الطائرات العمودية على مروحيات أكبر من ذيل أو تصميمات مناجم ملتقطة، بينما تستخدم طائرات أخرى نظماً لزيادة استقرار اليوت التي تطبق على السرود الآلية.

وقد أصبحت نظم مراقبة الطائرات ذات العجلات الزائفة (FBW) مغيرة للمناولة العالية التردد للطائرات العمودية، ويمكن لنظم المركبات العضوية المفلورة أن تخلط بين المدخلات النموذجية وبين أوامر الاستقرار، وأن تحد من الزوايا الشفرية لمنع حدوث تغيرات في المحركات دون تدخل تجريبي، كما أن الجمع بين القوات المسلحة والقوى المستقرة يساعد على إبقاء الطائرات خاضعة للمراقبة حتى عندما تكون الهوامش الهوائية ممزقة.

الحلول والتكنولوجيات الابتكارية

وقد وضع المهندسون مجموعة أدوات شاملة للتصدي للتحديات المذكورة أعلاه، فالتكنولوجيات التالية أصبحت الآن موحدة أو كثيرا ما تحدد في طائرات الهليكوبتر المصممة للبعثات العالية الارتفاع.

  • Turbocharged or turbo —normalized motors] that maintain sea-link power output up to a critical altitude, often 15,000 feet or higher. These systems include wastegates, intercoolers, and automated controls to avoid overboost and detonation.
  • Advanced rotor blade designs] with optimized airfoils for low —Reynolds — high —Mach conditions.
  • Light weight composite materials] that reduce empty weight and allow higher payload fractions. Carbon‐fiber airframes, composite rotor blades, and composite fenestron (ducted tail rotor) shrouds are increasingly common. The Airbus H125, for example, uses a composite tail rotor and blade design
  • (ب) نظم التدفئة ومكافحة التأشيرات التي تحمي الشفرات الدوارة، وأجهزة محركات، وأجهزة لطياف الرياح، وأجهزة كشف البيانات الجوية، وأجهزة التسخين الكهربائية، ونظم الهواء المجهزة بالأجهزة الساخنة، والمحركة التي تستخدم في استخدام الجليد، هي عوامل أساسية للعمليات الأرضية على ارتفاع سنوي، ويستلزم استخدام لوحات مركبة تكاملا دقيقا بين عناصر التسخين دون أن تجهز.
  • Fly-ofly-wire and stability increaseation] that reduces pilot workload and expands the safe operating envel. FBW can automatically adjust collective and cyclic inputs to maximize lift while avoid stall. Some systems also provide envelope protection that prevents the pilot from exceeding structural or aerodynamic limits.

وللنظرة الأعمق إلى مدى تصدي المصنّعين لهذه التحديات، فإن Airbus H125]) يوفر مخطط الطاقة ونظام الروتور دراسة حالة ممتازة، وتحتفظ الطائرة بسجلات عن هبوط مرتفع الكفاءات وتستخدم على نطاق واسع في المناطق الجبلية في جميع أنحاء العالم، وفي الوقت نفسه، تطبيقات الابتكار ذات السعة العالية 3.

دراسات حالة وتطبيقات عالمية حقيقية

(محرك (H125 (المعروف سابقاً بـ (اليوروكوبتر (A350 Ecureuil أصبح المعيار المرجعي للعمليات المدنية العالية السعة ومحركها الوحيد ذو الطول 2D ينتج 847 حصاناً متحركاً ويستخدم التحكم في المحرك الرقمي الكامل لإدارة الطاقة عبر نطاق الارتفاع

على الجانب العسكري، طائرة هليكوبتر ذات عجلات ثقيلة تعمل في بعض أرفع مسرحيات القتال في أفغانستان وآل هيمالايا، تصميمها على مسافات معدنية يوفر الاستقرار الأصيل والقدرة العالية على رفع المركبات، بينما يُحسب حجم عمل هونويل تي 55 - إيغا 714 ألف آلياً على نحو ثابت.

ومنبر آخر بارز هو " بيل 429 " ، الذي تم التصديق عليه للعمليات التي تصل إلى 000 10 قدم دون فرض عقوبات على الأداء، والإطار الجوي المركب التابع للمؤسسة، ومحركات " ويتني " الكندية PW207D1، ونظام الرواد المتقدم الذي يحتوي على معلومات مشفوعة، يجسد فلسفة التصميم المتمثلة في توازن القوى والوزن وكفاءة الهواء في المنطقة الغربية.

لمزيد من المعلومات عن شهادة واختبار طائرات الهليكوبتر عالية الجودة، تقوم إدارة الطيران الاتحادية Advisory Circular AC 27‐1B ] بتقديم التوجيه بشأن أداء الطائرتين على ارتفاعات متطرفة.

الاعتبارات التشغيلية للبعثات العالية الارتفاع

وحتى مع التكنولوجيا الأكثر تقدما، يتطلب تشغيل طائرة هليكوبتر على ارتفاع عال تخطيطا دقيقا ومهارات تجريبية، ويجب أن تكون حسابات الأداء قبل التحليق مسؤولة عن ارتفاع الضغط، ودرجة الحرارة، والرياح، والرطوبة لتحديد الحد الأقصى للهواء، وأداة التسلق، والحدود القصوى للحمولة، ويستخدم العديد من المشغلين برامجيات للوزن والتوازن تتضمن بيانات في الغلاف الجوي الحقيقي لتخريب الهوامش المتاحة.

ويشمل التدريب التجريبي أساليب محددة عالية الجودة، تشمل استخدام مدخلات جماعية تدريجية لتجنب تخطي المحركات، والحفاظ على ارتفاع رقعة الدوار (إذا سمح الحاكم)، وتفادي الحركات الدورية المفاجئة التي يمكن أن تؤدي إلى توقف الستار، وتشمل دورات الطيران الجبلية عبور التلال، وفتح قنوات الكانتونات، واختيار مواقع الهبوط الطارئة فوق خط الأشجار، وتزداد أهمية إدارة الموارد الخام نظراً لتضاعف عواقب الخطأ.

كما أن التخطيط للطيور ذات أهمية مماثلة، إذ يمكن أن تتغير ظروف الارتفاع السريع، حيث تؤدي السحب الميسرة إلى اضطراب شديد، وتكسير، والبرق في غضون دقائق، ويمكن أن يتسبب نشاط موجة الجبال في تصاعد عنيف في المنافذ والسحب، كما أن أجهزة الهليكوبتر المجهزة بالرادار الجوي، وأجهزة البث الساتلية، ونظم الكشف الجليدي، لها ميزة كبيرة في السلامة.

مستقبل التصميم العالي التكتل

ويعود عدد من التكنولوجيات الناشئة بزيادة توسيع المظروف المرتفعة - حيث يجري استكشاف الكهرباء والكهرباء المهجنة للطائرات العمودية الخفيفة حيث يمكن للمحركات ذات الطاقة البطارية أن تولد حرارة فورية وتحافظ على كامل الطاقة بصرف النظر عن الارتفاع، ويقضي غياب توربين الغاز على مشكلة حساسية الأكسجين كلية، رغم أن كثافة الطاقة والإدارة الحرارية لا تزال تشكل عقبات كبيرة.

وتتوفر خلايا وقود الهيدروجين مسارا محتملا آخر، إذ توجد طاقة عالية محددة، وتحوّلها خلايا الوقود مباشرة إلى الكهرباء التي لا تُستخدم إلا كمنتج ثانوي، وإذا أمكن التصديق على صهاريج تخزين الهيدروجين الخفيف لاستخدام الطائرات، فإن طائرة هليكوبتر تعمل بالطاقة الكهرمائية يمكنها أن تحقق أداء للدوام والارتفاع يتجاوز تصميمات البطاريات.

ولا تزال المواد المتقدمة تتطور، إذ أن مكونات المصفوفة المتحركة، واللومينيدات، والمكونات المصنعة بصورة مضافة (3D) المطبوعة، تدخل في إنتاج المواد الساخنة للمحركات وصناديق التروسات، ويمكن لهذه المواد أن تتحمل درجات حرارة أعلى وتخفض الوزن، وتسمح للمحركات بصيانة الطاقة على ارتفاعات شديدة، ويمكن أن تتيح في نهاية المطاف رصد السلامة الهيكلية في الوقت الحقيقي، مما يقلل من أهمية التصاميم.

وأخيرا، يجري تطبيق الاستقلال الذاتي والاستخبارات الاصطناعية على مراقبة الطيران العالية الارتفاع، ويمكن أن تؤدي نظم التطهير والهبوط والتخطيط للطرق إلى الحد من عبء العمل التجريبي وتحسين السلامة في البيئات البصرية المتدهورة، وقد تؤدي خوارزميات التعلم التي تنبئ بالتوقف الصاروخي والارتفاع المحركاتي إلى زيادة الضغط على المظاريف عن طريق توفير هامش إضافي من الأمان، وقد تؤدي وكالة مشاريع البحوث المتقدمة التابعة للجيش الأمريكي إلى التكيف مع الظروف السائدة.

خاتمة

وتستلزم طائرات الهليكوبتر المصممة لعمليات الارتفاع العالية اتباع نهج منهجي يعالج كل جانب من جوانب الطائرة من النصائح المبللة إلى قلب المحرك، ويظهر انخفاض قدرة المحرك، وتقلص الضغط الهيكلي، والتشكيل، وتدهور السيطرة، من خلال التصميم العالي للطيران، والمواد المتقدمة، والضوابط المتطورة للمحركات، ويظهر التقدم المحرز على مدى العقدين الماضيين، الذي تمثله طائرات الهليكوبتر مثل حاجز الرافعة H125، والمحرك المزود بالكهرباء.