تحقيق الاستخدام الأمثل للطائرات ذات الطاقة الشمسية لدراجات الألغام وسرقة الحد الأقصى

امبراطورية الأيرودينامي للطيران ذو القوتين الشمسية

وتمثل الطائرات ذات الطاقة الشمسية تحولا في النموذج في الطيران، وفصلا عن الوقود الأحفوري عن طريق تسخير الطاقة الفلكية الضوئية، غير أن كثافة الطاقة المحدودة في ضوء الشمس تستلزم بشدة كفاءة المركبات، ويجب أن تترجم كل قطعة من الطاقة الشمسية التي يتم جمعها إلى رفات ضئيل، مما يجعل من التوليد الجوي الأمثل ليس مجرد هدف تصميمي بل التحدي الهندسي المركزي.

ويرتكز النجاح في هذا المجال على فهم عميق للديناميات السوائل المطبقة على الهياكل التي يجب أن تدمج أيضا الخلايا الشمسية الهشة في جميع أنحاء منطقتها السطحية، ويجب أن تكون الطائرة صلبة في آن واحد، خفيفة الوزن، نظيفة الهوائية، وتستكشف هذه المادة المبادئ والاستراتيجيات والتكنولوجيات المتطورة التي تمكن الطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية من تحقيق تحليق مستدام من خلال التصميم الهوائي الميكانيكي الميكانيكي الميكانيكي.

المبادئ الأساسية للملاحة الجوية

وتنظم الديناميات الهوائية قوى الرفع والسحب والدفع والوزن التي تعمل على أساس مقياس الهواء، وبالنسبة للطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية، فإن العلاقة بين الرفع والسحب تترتب عليها بشكل خاص، إذ أن نسبة الرفع إلى الدراجات الأولية (L/D) تمثل قياسا أوليا للكفاءة الناجمة عن الأيرودناميك، ويعني ارتفاع نسبة السحب/الدم أن الدافع أقل هو المطلوب للحفاظ على مستوى الطيران، مما يقلل مباشرة من نسبة السحب بالطاقة الشمسية إلى السحب.

Induced Drag and the High-Aspect-Ratio Wing

السحب المحفز هو ناتج ثانوي من الرفع، يحدث كهروب هواء حول الأجنحة، يخلق دواماً يقلل فعالية الجناح، أكثر الطرق فعالية لخفض الجر المتعمد هو زيادة نسبة جانب الجناحين - المدى المقسم حسب المنطقة.

إدارة الشريان الموازي والسطح

إن السحب المفاجئ يشمل جرّة الاحتكاك الجلدي وسحب الشكل، وإثارة الاحتكاك الجلدي من التفاعل الحاد بين الهواء وسطح الطائرة، وبالنسبة للطائرات الشمسية، فإن سطح الجناح مكلف بشكل مزدوج: يجب أن يكون سلساً من الناحية الهوائية للتقليل من الاحتكاك، ومع ذلك يجب أن يستضيف أيضاً ألواح شمسية، وتدمج الخلايا الفولطية الضوئية

معادلة ميزان دراغ - ليف في الرحلة الشمسية

تصميم طائرة تعمل بالطاقة الشمسية هو عملية توازن بين القوات المتعارضة، وقطعة الجناح التي ترتفع إلى أقصى حد بسرعة منخفضة غالبا ما تولد جرا أعلى، وعلى العكس من ذلك، فإن الجناح الذي يتكون من الحد الأدنى من الجر قد لا ينتج رفعا كافيا لوزن الطائرة، والمفتاح هو إيجاد نقطة التشغيل التي يمكن فيها للطائرة أن تحافظ على الطيران باستخدام الطاقة المتاحة من خلاياها الشمسية فقط، وهذا التوازن يعبر عن طريق منحنى مكثف للطائرات.

تحقيق الحد الأمثل من نظام رينولدز رقم

وتشغل الطائرات الشمسية أعدادا منخفضة من رينولدز، تقل عادة عن مليون، حيث يميل تدفقها الجوي إلى أن يكون مطهرا ولكنه عرضة للانفصال، وفي هذا النظام، فإن طبقة الحدود ضعيفة وحساسة إزاء أوجه القصور السطحية، إذ أن عنصر التقريب الصغير - خلية شمسية مضللة أو رسام خام - يمكن أن يؤدي في كثير من الأحيان إلى الانتقال المبكر إلى التدفق المضطرب، مما يزيد من الاحتكاك الجلدي بدرجة كبيرة.

وينغ لودينغ وسرعة الرحلة

إن تحميل الطائرات التي تقسمها منطقة الجناح هو بارامتر حرج، حيث عادة ما تكون الطائرات الشمسية ذات أجنحة منخفضة جدا، تقل في كثير من الأحيان عن ٥ كيلوغرامات/م٢، مقارنة ب ١٠٠ - ٨٠٠ كيلوغرام/م٢ للطائرات التقليدية، وهذا التحميل المنخفض يسمح لها بالطيران بسرعة بطيئة جدا، مما يقلل من القدرة المطلوبة للرفع، غير أن انخفاض حجم الطائرات يجعلها أكثر عرضة للاضطرابات ويوفد لها.

الابتكارات في مجال الديناميات الهوائية ذات الطاقة الشمسية

ويتطلب تحقيق الأداء الأيرودينامي المطلوب ابتكارات عبر علوم المواد والهندسة الهيكلية وتشكيلات الطائرات، وقد برزت عدة استراتيجيات رئيسية باعتبارها أساسا للتصميم الحديث للطائرات الشمسية.

الهياكل المركبة المتقدمة

ويؤثر وزن الإطار الجوي تأثيرا مباشرا على الرفع المطلوب، إذ أن كل كيلوغرام ينقذ المنطقة التي تحتاج إليها الجناح، مما يقلل بدوره من الجر، وتتحقق التركيبات المتقدمة مثل البوليمر المقوى الكربوني، وأساسيات البيوت المهددة، من معدلات القوة إلى الوزن، وتتيح هذه المواد بناء أجنحة كبيرة نحيفة مقاومة للنسيج والارتفاع دون استخدام كميات كبيرة من المواد السائلة.

Wing Profile and Airfoil Selection

إن اختيار الهواء الصحيح أمر أساسي للرحلة ذات العدد المنخفض من الرؤوس الشمسية، وكثيرا ما تستخدم الطائرات الشمسية الحديثة أجهزة محمولة خصيصا ذات مواصفات عالية للرفع وأبوة منخفضة السحب عبر مجموعة واسعة من زوايا الهجوم، وهذه الرحلات الجوية عادة ما تتضمن حافة سميكة نسبيا تؤدي إلى تأخير الفصل ونقطة تسلق منخفضة نسبيا للحد من السحب الليلي المكثف.

Solar Panel Integration without Drag Penalty

وتُعدّ التركيبات الشمسية المدمجة في سطح الجناح دون زيادة الجرّة تحدياً كبيراً، إذ تستخدم التصاميم المبكرة لوحات مُغطاة بالزجاجات الصلبة التي تزيد وزنها وتعطل تدفقها الجوي، وتشمل التقنيات الحديثة دمج خلايا شمسية مرنة ذات سمة رقيقة، مثل سداسيات الغاليوم النحاسية أو أريندية غالينيوم (GaAs)، وهي مُغطَّة مباشرة على الجلد.

تصميمات الجناح العالية

وكما لوحظ، فإن أجنحة ارتفاع درجة الحرارة هي السمة الرئيسية للطائرات الشمسية، إذ إن التصلب السوفلي 2 يُحدث في بعض الأحيان جناحاً يبلغ 72 متراً، ويُعانى من شعلة من السور الخافت، ويُقلل وزنه من السور الخافت إلى ما يقارب 300 2 كيلوغرام.

النمذجة الهوائية والتحكُّم

ويعتمد تصميم الطائرات الشمسية الحديثة اعتمادا كبيرا على الأدوات الحاسوبية للتنبؤ بالأداء الهوائي وتحقيقه الأمثل قبل بناء نماذج أولية مادية، وتحل محاكاة عالية الجودة من قبل القوات المسلحة المركزية معادلة النافير - ستوكس حول قياس كامل الجيولوجي للطائرات، وتتم فصل التدفق، والانتقال، والتفاعل بين الطوف، وتتيح هذه المحاكاة للمهندسين اختبار المئات من مواقع الرحلات الجوية.

تحقيق الاستخدام الأمثل المتعدد التخصصات

ولا يمكن أن يحدث الاستخدام الأمثل للهوائيات في عزلة، إذ أن شكل الجناح يؤثر على الوزن الهيكلي، والتنسيب الخلوي الشمسي، والقدرة على تخزين البطاريات، وقد يؤدي تصميم متعدد التخصصات إلى تحقيق أفضل مستوى للتصميم، إلى وجود ثنائيات دينامية، وهياكل، ونظم للطاقة في تحليل واحد، فعلى سبيل المثال، فإن زيادة نطاق الجناحين يؤدي إلى تحسين الديناميكية الهوائية، ولكن يزيد من الوزن الهيكلي، مما يزيد من مستوى الرفع المطلوب.

نفق الرياح

وعلى الرغم من تطور الـ ديوان الـديوكسين الـدي، لا يزال اختبار النفق الريح ضرورياً للتحقق من نماذج الأيرودينامية، وتختبر نماذج الطوابق الشمسية في الأنفاق المنخفضة الاضطرابات لقياس الرفع والسحب واللحظات المزروعة، وتُحد من تقنيات التنبؤ بالتدفق، مثل شبكات السطو أو قياس الصور الجسيمية، وتكشف عن مناطق الفصل، وعن نماذج النفق الدوارة.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

وقد تجلى مبدأ تحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة الذرية في عدة برامج للطائرات الشمسية ذات السمة الأرضية.

نبض الشمس 2: علامة في الكفاءة

إنّ الـ "إمبليس" الـ2، و"إمبليو" قد أكمل أول خريف للأرض بواسطة طائرة ذات طاقة شمسية في عام 2016، و تحلق على بعد 40 ألف كيلومتر بدون وقود، و تصميمها الهوائي هو درجة رئيسية في خفض الجر، وطول الجناحين للطائرة 72 متراً، وطول درجة نجاحها في الترميز، ونسبة نجاحها إلى أعلى مستوى ممكن

مرتفعات البوليتات المُعدية

وتُعدّ برامج عديدة، بما فيها Airbus Zephyr] و، وتُعدّ طائرات ذات أجنحة عالية، وتُستخدم في إطارها طائرات ذات أجنحة عالية، وتُستخدم فيها طائرات ذات أجنحة عالية جداً، وتُستخدم فيها طائرات ذات أجنحة عالية جداً، وتُشغل على ارتفاعات عالية وثابتة عالية جداً.

منابر أكاديمية وبحوث

وقد بنت الجامعات ومؤسسات البحوث العديد من الطائرات الشمسية الصغيرة النطاق لاختبار مفاهيم الأيرودينامية، كما أن مشروع Sky-Sailor في ETH Zurich أظهر تحليقاً مستقلاً بالطاقة الشمسية على مدى عدة أيام باستخدام نطاق 3.2 متراً من أجنحة الطيران، وهذه المنصات الأصغر تتيح سرعة تحديد مواقع الطائرات المزودة بالأجهزة الجوية، وتشكيلات الأجنحة، والسيطرة على التوليدات.

التحديات في الطائرات الشمسية

وعلى الرغم من التقدم الكبير، لا تزال هناك تحديات عديدة تحد من أداء الطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية وموثوقيتها التشغيلية.

الترسب ورد الفعل

فالتحميل المنخفض للأجنحة يجعل الطائرات الشمسية شديدة الحساسية للاضطرابات الجوية، ويمكن للغطاء المفاجئ أن يحفز تغييرات كبيرة في زاويات التراكب، مما يؤدي إلى فصل التدفق أو تحميله الزائد الهيكلي، ويجب أن يتضمن التصميم الهوائي سمات التخفيف من الضباب، مثل الإكراميات المرنة للجنحة التي تنعكس بشكل سلبي تحت الحمولة، أو أسطح السيطرة النشطة التي تستجيب لمدخلات التسارع، غير أن النظم النشطة تضيف إلى التدفق.

المطر والثلج والاستمرارية

فالتلوث البيئي يتدهور الأداء الهوائي، إذ تؤدي قطرات المطر إلى تعطيل تدفق اللحوم، وزيادة جر الاحتكاك الجلدي بنسبة تصل إلى 30 في المائة، ويمكن للتراكم الجليدي على الطرف الرئيسي أن يدمر تماماً ويزيد من الجر، أما بالنسبة للرحلات الجوية الطويلة الأجل، فيجب على الطائرة إما أن تتجنب ظروف القذف أو أن تدمج نظماً مضافة للوزن وسحب الطاقة.

التقارب الهيكلي - الأيرودينامي

وتواجه أجنحة الطائرات الشمسية الكبيرة والمرنة ظواهر هطولية مثل التقلب والاختلاف، ونظرا لأن أجنحة الجناح تحت الحمولة، فإن خصائصها الهوائية قد تتحول، مما قد يؤدي إلى ظهور عفو يؤدي إلى الفشل الهيكلي، ويجب على المهندسين أن يحللوا تحليلا مفصّلا للطيران لضمان استمرار استقرار الجناح عبر جميع سرعة الرحلات الجوية، وهذا يتطلب في كثير من الأحيان إضافة حساسية أو كتلة، مما ينافس على هدف التحكم في الوزن السطحي.

الاتجاهات المستقبلية في الطائرات الشمسية

وسيستفيد الجيل القادم من الطائرات الشمسية من التكنولوجيات الناشئة التي تعد بمزيد من التحسينات في الكفاءة الدينامية الهوائية والقدرة التشغيلية.

الجناحان البديلان والمورفينج

وتُستَخَذ أجنحة مُتَجَهِّبة لحال طيران واحدة على النحو الأمثل، بينما يمكن للأجنحة التَغيُّر التي تُغيّر شكلها استجابة لظروف التدفق الجوي أن تُبقي عالية الـ L/D عبر مجموعة أوسع من السرعة والارتفاعات، وتشمل المفاهيم المُكوِّنات المُتغيرة، والمُلوِّثات المُتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَجَة، والمُتَعَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَعَعَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَعَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَرَت

المعالجة السطحية الحيوية

فالطبيعة توفر الإلهام للحد من الجروح، وتخفض كثافة جلد القرش الاحتكاك الجلدي المضطرب عن طريق توجيه التدفق والعرقلة للانفصال، وتضع بعض مجموعات البحوث أسطحاً قابلة للذوبان الصغر تخفف من هذا الأثر، وتخفض من الجرعات بنسبة 5-10 في المائة في التدفق المضطرب، ويمكن أن تُبدد أسطح الفلورية السطحية المُلهمة المطر والجليد، مما يؤدي إلى زيادة في ظروف ضارة.

Distributed Electric Propulsion

وبدلا من أن يستخدم محرك واحد كبير موزع للكهرباء عدة مدافع صغيرة على طول الطرف الأمامي للجناح، مما يؤدي إلى زيادة تدفق الهواء على الجناح، وزيادة سرعة رفعه في المناطق ذات الأجنحة الصغيرة، ويمكن تصميم المدافعين أنفسهم بملامح متغيرة ودنية المستوى لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة، كما أن الدفع الموزع يوفر أيضا زيادة في الوزن ويحسن سلطة التحكم في الرحلات الجوية.

خلايا الطاقة الشمسية العالية الكفاءة وتخزين الطاقة

وفي حين أن التحسينات في كفاءة الخلايا الشمسية وكثافة الطاقة في البطاريات لا تغير المشهد الأمثل، فإن ارتفاع مستويات الكفاءة يتيح المجال لأماكن أجنحة أصغر من نفس ناتج الطاقة، مما يقلل من الجر، كما أن البطاريات الخفيفة تقلل من الوزن، وتخفض الاحتياج إلى الرفع، وتتحقق الخلايا الشمسية المتعددة الزوال، مثل تلك المستخدمة في السواتل، أوجه الكفاءة التي تزيد على 40 في المائة تحت الضوء المركز.

Autonomous Flight Control for Aerodynamic Optimization

أنظمة التحكم بالطيران الحديثة يمكنها أن تضبط باستمرار زاوية الهجوم والتوجه نحو الحفاظ على الظروف الأيرودينامية المثلى، الخوارزميات الرقابية المتأصلة التي تتعلم منحنى الطائرة القطبي في الوقت الحقيقي يمكن أن تعوض عن التغيرات في الوزن والارتفاع والظروف الجوية، مثلاً، يمكن للطائرة الآلية أن تتبادل زيادة طفيفة في الجر

خاتمة

(أ) [تثبت] التخصصات في استخدام الطاقة الشمسية على النحو الأمثل هي الانضباط الهندسي العالي حيث يترجم كل جزء من نسبة مئوية من الكفاءة مباشرة إلى قدرة البعثة، ومن الفيزياء الأساسية للجر المتعمد والطفيلي إلى التحديات العملية المتمثلة في إدماج الخلايا الشمسية في سطح منعزل، ومن خلال السعي إلى الحد الأدنى من السحب والرفع الأقصى، فإن هذه المبادئ الافتراضية ذات الشكل الافتراضي العالي،

وإذ تتطلع الهياكل التكييفية، والأسطح الحيوية، والدفع الموزع، ونظم الطاقة الأكثر كفاءة، إلى زيادة تعزيز الحدود، ومع تطور هذه التكنولوجيات، ستتحول الطائرات ذات الطاقة الشمسية من المتظاهرين ذوي الأغراض الخاصة إلى منابر تشغيلية قادرة على مواصلة المراقبة، ونقل الاتصالات، والرصد البيئي، فإن الرحلة الجوية بعيدة عن أن تكون كاملة، ولكن الطريق واضح: استمرار صقل التفاعل بين الهواء والهيكل والطاقة المستدامة.