تحليل التحديات الجوية الناجمة عن عمليات الإقلاع والهبوط الرأسي (الطائرات)

مؤسسة الطيران الجوي للطيران

وتمثل طائرة التقاط الصوري والهبوط إحدى أكثر الأماكن المطلوبة في مجال التصميم في الطيران الحديث، خلافا للطائرات التقليدية الثابتة الجناحين التي تعتمد على الطرق الطويلة لتوليد الرفع من خلال السرعة الأمامية، يجب أن تنتج طائرات VTOL ما يكفي من الدافع الرأسي للتغلب على الجاذبية من محطة ميتة، وهذه التعاقبات الأساسية للاحتياجات إلى سلسلة من التحديات الهوائية التي تمس كل جانب من جوانب تصميم المركبات، من الهندسة المزودة بالبخارية إلى الميكانيكية.

إن قدرة الطائرة VTOL واضحة: فالقدرة على العمل من مهابط الطائرات، ومرآب السيارات، وسفن السفن، أو مقايضات السفن، أو المقاصة عن بعد، تتيح مرونة تشغيلية لا يمكن أن تضاهيها الطائرات التقليدية، فجميع المبادرات المتعلقة بالتنقل الجوي في المناطق الحضرية، والسوقيات العسكرية، والخدمات الطبية الطارئة، تستفيد من الطائرات التي يمكن أن تنفجر وتهبط رأسا، بينما تحقق أيضا كفاءة الطيران، بيد أن الحلول التوفيقية الجوية يجب أن تجعل هذا ممكنا.

ولفهم سبب كون الكائنات الحية فيلق التحلل الجوي في منطقة صعبة، يساعد على الاعتراف بأن الطائرة يجب أن تعمل في ثلاثة نظم متميزة: هوفر، انتقال، ورحلة إلى الأمام، ويفرض كل نظام مطالب مختلفة على نظام الدفع وعلى الأسطح الهوائية، والانتقال بينها غالبا ما تنشأ فيه أكثر المشاكل تهتز، بخلاف طائرة هليكوبتر مصممة على الوجه الأمثل لطائرات مجهزة بطائرات ثابتة ذات كفاءة عالية.

كيف يُدعى (فيتول) من الطائرات التقليدية

الطائرات الثابتة الجناحين التقليدية تولد رفعاً من خلال الحركة الأمامية لأجنحةهم شكل الجناح يعجل الهواء فوق السطح العلوي، ويخلق فرق ضغط ينتج رفعاً عالياً، هذه الآلية فعالة جداً في السرعة الضارية، لكنها تتطلب ممراً للإقلاع والهبوط لأن الجناح لا يمكنه أن يولد رفعاً كافياً عند الصفر الأمامي، نظام الدفع بالطائرة التقليدية مُزدحمّل للدفع بالرحلات السياحية، وليس لرفع الوزن.

وعلى العكس من ذلك، يجب على الطائرات المتجهة إلى حركة المركبات الجوية أن تخصص جزءا كبيرا من قدرتها على الدفع، وهذا يعني إما محركات أكبر أو أكثر من المحركات أو نظم رفع متخصصة تزيد وزنها وتسحبها أثناء الرحلة الأمامية، ويجب على الطائرة أن تحمل كتلة من نظام الرفع العمودي في جميع أنحاء البعثة، حتى وإن كان هذا النظام ضروريا فقط أثناء التصفية والهبوط، وهذا هو عقوبة الكفاءة الأساسية التي يجب أن تُفرض على جميع مصممات VTOL.

وثمة اختلاف رئيسي آخر يكمن في سلطة المراقبة المطلوبة، إذ أن الطائرات التقليدية تستخدم أسطح التحكم في الطيران مثل الأيلرون والمصاعد وأجهزة التلاعب، وتعتمد هذه الأسطح على تدفق الهواء المتولد عن الحركة الأمامية، وفي أثناء الجو، لا يوجد تدفق جوي، لذا يجب على طائرات VTOL أن تستخدم القوة الدافعية المتمايزة، أو التحكم في الملاعب الدورية، أو نظم مراقبة الرد المكرس للحفاظ على الاستقرار والمواقف.

الدور الحاسم لنسبة الصدأ إلى الوزن

وبالنسبة لأي طائرة من طراز VTOL، فإن نسبة الدفع إلى الوزن (T/W) هي أهم البارامترات التي تحكم أداء المواسير، إذ يلزم أن تكون نسبة T/W أكبر من 1.0 في المائة عمودية، مع قيم تتراوح عادة بين 1-1 و 1.3 في التصميمات العملية، وهذا الشرط يدفع مباشرة إلى تركيب المحركات، ومقياس دوار، ووزن المركبات عموما، ويجب أن يكون كل كيلوغرام من الوزن المكافئ للوزن، أو الحمولة، أو زيادة في المحرك

هذا يخلق دوامة قوية للتصميم يجب أن يتدبرها المهندسون بعناية المواد المركبة ذات الوزن الخفيف، وأجهزة كهربائية عالية القدرة، وكيمياء البطاريات المتقدمة، كلها متابعات جزئية لكسر هذا الكم من الوزن، والعلاقة بين الدفع والوزن تؤثر أيضا على تحميل الأقراص المتحركة للمركبات، ومقياس للكمية التي يجب أن تنتجها كل منطقة من مناطق الارتفاع

التحديات الرئيسية في مجال تصميم نظام " فيتو "

إن التحديات الهوائية التي تواجه مصممي طائرات VTOL مترابطة ومتناقضة في كثير من الأحيان، ويمكن أن يؤدي حل إحدى المسائل إلى تفاقم مشكلة أخرى، مما يتطلب تحليلا دقيقا للمقايضة وتحقيق الاستخدام الأمثل المتكرر، وتبحث الفروع التالية التحديات الأكثر أهمية بالتفصيل.

روتور ويك وفورتكس

ومن أكثر المشاكل استمرارا في الديناميكية الهوائية في VTOL التفاعل بين ووقوع الروت والإطار الجوي، وعندما تعمل عدة شاحنات على مقربة من العمل، يمكن أن تتداخل إيقاظها مع بعضها البعض، مما يسبب حمولات غير ثابتة، وهزات، وفقدان في الدفع، وهذا أمر يثير إشكالية خاصة بالنسبة للتصميمات المتعددة الأطقم، حيث يمكن للموجات التي تُستخدم من أحد الدوار أن تُس على آخر، أو عندما يُستُتَتَتَتَتَتُتُتَتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُ من قُتُتُتُتُتُتُتُتَتُتُتُتُتُتَتُتُتُتُتُتَتُتُتَتُتُتُتَتَتَتُتُتُها.

وتذكرة خاتمة فورتكس ظاهرة ذات صلة تحدث عندما ينحدر رواد إلى مغسلة خاصة به، وأثناء هبوطه الرأسي، يمكن للروتر أن يصحح مجرى التدفق الخاص به، ويخلق نمطاً للتدفق الآلي يخفض بشدة من الدافع ويمكن أن يؤدي إلى هبوط غير متحكم فيه، وهذا الوضع معروف جيداً في عمليات طائرات الهليكوبتر ويعرض مخاطر مماثلة على طائرات VTOL، ولا سيما عندما تكون قوانين الهبوط في المناطق المحصورة.

كما أن دواليب الترميز التي تولدها المصارعين تشكل تحديات، وهذه الطلقات القوية المركزة يمكن أن تتفاعل مع الإطار الجوي أو أسطح التعقب أو المروجين، مما يسبب الاختناق والضوضاء والثقل الهيكلي، وتستمر المحركات من مسافة بعيدة عن الطائرة، مما قد يؤثر على المركبات في التكوين أو أثناء عمليات الهبوط على رف السفن، ويتطلب فهم وتنبؤ سلوك العجلات المتطورة.

موارد خارجية مثل برنامج البحوث VTOL التابع للناسا ] توفر بيانات واسعة النطاق عن التفاعلات بين الوفاق المتناوب وحالات التصديق بالنسبة للنماذج الحاسوبية.

الآثار الأرضية

وعندما تعمل طائرة من طراز VTOL بالقرب من الأرض، فإن وجود الطائرة الأرضية يغير تدفق الهواء حول الدوارات، وفي الخرطوم، يؤدي الأثر الأرضي عادة إلى تحسين كفاءة الطوابق لأن الأرض تقيد تدفق الهواء النازل، مما يقلل من احتياجات الطاقة المستحثة، مما يمكن أن يسمح للطائرة بأن تقفز بأقل قوة من المطلوب من التأثير الأرضي، غير أن فوائد التأثير الأرضي ليست موحدة عبر تشكيلة الطائرات.

وبالنسبة للتصميمات المتعددة العناصر، يمكن أن يؤدي الأثر الأرضي إلى توزيع غير متناظر للرفع إذا كانت الطائرة قريبة من الأرض وليس مستوى مثالي، ويشهد جزء من قرص الروتاتب القريب من الأرض تحسينا أكبر في الكفاءة، مما قد يسبب الدقائق أو الاضطرابات، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الغسل من الدوارات يميل إلى الأرض ثم ينتشر بشكل متطرف، مما يؤدي إلى حدوث أضرار في المحرك.

وأثناء الهبوط والمغادرة، يجب أن تمر الطائرة عبر منطقة التأثير الأرضي، حيث تتغير بسرعة القوات الهوائية مع ارتفاعها، ويجب أن تُحسب نظم مراقبة الطيران هذه التغييرات لمنع الهبوط الحاد أو الرائحه غير المقصودة، كما أن وجود العقبات أو المنحدرات أو السطح المتحرك مثل حواجز السفن يزيد من تعقيد بيئة التأثير الأرضي.

الإنفصال خلال الفترة الانتقالية

الانتقال من الرحلة العمودية إلى الأفقية هو أكثر المراحل تعقيدا من عملية VTOL، وخلال المرحلة الانتقالية، أصبحت سرعة الطائرة منخفضة جدا بالنسبة للأجنحة لتوليد قدر كاف من الرفع، ومع ذلك لم يعد الدوارون أو المشجعون يعملون في ظروفهم الرأسية المثلى، ويمكن أن يفصل تدفق الهواء على الأجنحة وأسطح المراقبة، مما يتسبب في فقدان سلطة التحكم وزيادة الجر.

وبالنسبة لطائرات ذي رواسب تنفس من طراز V-22 Osprey، تدور الناكسيليات من اتجاه عمودي إلى اتجاه أفقي، مما يغير اتجاه الدافع بينما تولد الأجنحة كميات متزايدة من المصعد، وفي هذه العملية، يُطغى الجناح جزئيا في أعقاب الطوابق، مما قد يتسبب في توزيع الضغط غير المستقر وفصل التدفق المبكر، كما أن قرب الممر من الجناح يولد قوة تحميل.

إن انفصال الجناح خلال فترة الانتقال المنخفضة السرعة يحد من زاوية الهجوم القابلة للاستخدام ويمكن أن يؤدي إلى توقف، ويجب على المهندسين أن يصمموا بعناية قياسات الجناح الرئيسية، وأن يدمجوا الرصف أو النكات، أو أن يستخدموا مراقبة التدفق النشطة لتأخير الفصل والاستمرار في الرفع، كما أن المحاكاة الحاسوبية للانتقال هي محاكاة صعبة للغاية لأن التدفق غير ثابت وينطوي على تفاعل قوي بين طبقة الدوار واق.

الاستقرار والمراقبة في مجال التغطية

إن استقرار الطائرات في المرفأ يختلف اختلافا جوهريا عن استقرار الطيران الأمامي، ففي التحليق الأمامي، توفر الأسطح الهوائية قوة من الرطوبة الطبيعية وتعيد القوات، وفي الجو، لا توجد سرعة للأمام، بحيث تعتمد الطائرة كليا على نظامها للدفع ونظام السيطرة على الاستقرار، ويجب التصدي بنشاط لأي اضطراب، سواء من علكة الرياح أو مدخلات التحكم أو نقل الحمولة، بواسطة نظام مراقبة الطيران.

وبالنسبة للتصميمات المتعددة العناصر في نظام " فتيل " ، فإن السيطرة على المزمار تتحقق عادة من خلال الدافع المتباين بين المروجين، ومن أجل المضي قدما، يزيد الدوارات الخلفية من قوة الدفع بينما يخفض المروحيات الأمامية من حيث الصبغة، ومن أجل تذليل توازنها في التصريف، يجب أن يكون نظام الرقابة سريعا بما يكفي للاستجابة للاضطرابات، ولكن ليس عدوانيا بحيث يثير أساليب هيكلية أو يسبب عمليات جراحية.

كما أن البيئة الهوائية خلال القفز تتأثر بالرياح، ويمكن أن تخلق الريح ظروفا غير متماثلة للتدفق تتطلب مدخلات رقابة تعويضية، ويمكن للغوست أن يقلل من قوة الدفع أو أن يتسبب في انجراف الطائرة، وفي البيئات الحضرية، تخلق المباني أنماطا ريحية معقدة، بما في ذلك الطلقات والقنوات التي يمكن أن تزعزع استقرار طائرة متحركة، ويجب أن يكون نظام مراقبة الطيران قويا بما يكفي لمعالجة هذه الاضطرابات دون تجاوز ضبط المجرى.

جزاءات الطاقة وقابلية التأثر

فالطاقة المطلوبة للرفع الرأسي أعلى بكثير من الطاقة المطلوبة للطيران الأمامي، وقد تحتاج طائرة ثابتة الجناحين نموذجية إلى 15-20 في المائة من طاقتها القصوى للرحلات السياحية، بينما تحتاج طائرة من طراز VTOL في الخرطوم إلى 100 في المائة من طاقتها العمودية للرفع، وهذا التفاوت له آثار عميقة على تصميم البعثات، ولا سيما بالنسبة للطائرات الكهربائية VTOL التي تشكل كثافة الطاقة فيها عاملاً محدوداً.

ويتوقف استهلاك الطاقة المحددة في الهوفر على تحميل الأقراص، وتصلب الدوارات، وتصميم الشفرة، ويقلل تحميل الأقراص المرتفعة من قطر الرواد المطلوب، ولكنه يزيد من الطاقة المستحثة، ويحسن تحميل الأقراص الأقل كفاءة المزلاج، ولكنه يتطلب مصارع أكبر وأثقل مما قد يُعيق أو قد يُحدث جرا مفرطا في الطيران الأمامي، ويجب على المصمم أن يختار حمولا على الأقر الذي يوفر حلا مقبولا بين كفاءة الجواهرة.

وتواجه الطائرات الكهربائية العاملة بالبطارية تحديات خاصة، ويمكن للطاقة اللازمة للإقلاع والهبوط أن تستهلك جزءا كبيرا من الطاقة الإجمالية للبطارية، مما يقلل الطاقة المتاحة للرحلات السياحية، ويسمى أحيانا " العقوبة الفظيعة " ويمكن أن يقلل من المدى بنسبة 30 إلى 5 في المائة مقارنة بطائرات ثابتة الجناحين ذات القدرة على البطارية، كما أن التقدم في كثافة الطاقة البطارية أمر حاسم في تحقيق تحسينات في مجال الطاقة الكهربائية VTOL يمكن أن تحقق النجاح الاقتصادي، ولكن يمكن أن تسهم في توسيع نطاقها.

الحلول الهندسية والابتكارات في التصميم

وعلى الرغم من هذه التحديات الهائلة، وضع المهندسون مجموعة من الحلول التي تمكن الطائرات العملية العاملة في مجال مكافحة التلوث بالطائرات، وهي حلول تشمل تخصصات متعددة، بدءا من هيكل الدفع إلى النظرية العلمية ونظرية الرقابة.

Tlt-Rotor and Vectored Thrust Configurations

وتمثل تصميمات الطائرات العمودية أحد أكثر النُهج نجاحا في الجمع بين المصعد الرأسي والرحلة الأمامية الفعالة، إذ يمكن للطائرات ذات المحرك الناكسي والطائرات ذات الدفع العمودي والأفقي أن تعمل كطائرات عمودية أثناء الإقلاع والهبوط، ولكن كطائرات توربوبروب في رحلات بحرية، ويظهر مفهوما V-22 Osprey و Bell V-280 Valor قدرة هذه التشكيلة على البقاء في التطبيقات العسكرية، بينما تشكل مفاهيم التنمية المدنية في إطار التنمية التيارات.

التحدي الرئيسي في تصميم الطائرات المطيرة هو إدارة التفاعل بين وضحايا الدوار والجناح أثناء الانتقال، يجب أن يكون الجناح في موقعه لتقليل حجم الطائرة إلى أدنى حد، بينما لا يزال يقدم رفعا كافيا في الرحلة الأمامية، زاوية الهجوم بالنسبة إلى الجناح تتغير باستمرار أثناء الانتقال، مما يتطلب تحديد مواعيد دقيقة للزاوية الناكسية، ووضع الطوافات، وفحص العجلات المأمونة

(ج) استخدام تشكيلات الدفع المتحركة، مثل تلك المستخدمة في البرق الثاني من طراز F-35B، مروحة متحركة، وشعار مناجم العادم الملتوية لتوفير رفع عمودي، وهذا النهج يتيح للمحرك الرئيسي توفير الرفع الرأسي والتوجه الأمامي على حد سواء، مما يقلل من عقوبة وزن محركات الرفع المخصصة، غير أن إدماج مروحة الرفع في عملية الدمج يخلق تدفقات معقدة من السحب والعادم التي يجب إدارتها بعناية لتجنب الحرق.

Distributed Electric Propulsion

إن الدفع الكهربائي الموزع هو نهج واعد للجيل القادم من طائرات VTOL، ولا سيما في قطاع التنقل الجوي الحضري، حيث يتيح نظام إدارة الطاقة الكهربائية الصغيرة المتعددة التي تقود مدافعا فردية عدة مزايا هوائية، ويمكن توزيع الناقلين على طول الطرف الأمامي للجناح أو عبر الحاسوب الجوي، مما يتيح للجناح العمل في معامل رفع أعلى وتأخير الهطول أثناء الطيران المنخفض السرعة.

إن ما يصحبها من مجموعة موزعة من المدافعين يتفاعلون مع الجناح بطرق معقدة، وفي بعض التشكيلات يمكن أن يعيد مجرى الدافع إلى طبقة الحدود الجناحية، ويؤخر فصل التدفق ويزيد من الحد الأقصى، وهذا التأثير الذي يسمى أحياناً " رفع المطاط " ، يمكن أن يتيح للجناح أن يولد المزيد من المصعد بالسرعة المنخفضة مما يمكن أن يؤدي إلى تخلف الحركة، مما يؤدي إلى تحسين السلامة في حالة حدوث ذلك.

وتقود شركات مثل شركة جوبي للطيران والليليوم تصميمات للطائرات الصغيرة الموجودة في محطة تصنيع الطائرات المصفحة DEP. Joby Aviation]) طائرة كهربائية ذات محركات تيت - تيت مع ستة مدافع، بينما يستخدم الليلومون تشكيلة لقطع القناة مع مروحة كهربائية متعددة الطرازات، ويرمي النهجان إلى تحقيق الكفاءة في الحركة الجوية اللازمة لعملية الحضرية العملية.

النمذجة الحاسوبية والتطورات في مجال البرمجيات

وتعتمد تصميم طائرات VTOL الحديثة اعتمادا كبيرا على ديناميات السوائل الحاسوبية للتنبؤ بالسلوك الهوائي الذي يصعب أو يتعذر قياسه في الأنفاق الريحية، ويمكن للمحاكاة العالية القيمة التي تستخدمها القوات المسلحة التقليدية أن تلتقط الفيزياء غير الثابتة للتدفقات من الأوعية الدواسية، والتفاعلات بين دواجين، وديناميات الانتقال، غير أن التكلفة الحسابية لحل التكوين الكامل، بما في ذلك التناوب.

وتزيد من إمكانية الوصول إلى هذه المحاكاة بفضل التقدم المحرز في منهجية مركز تنمية الموارد البشرية، حيث تتيح أساليب " لاتيسي بولتزمان " ، و " محاكاة " مفصَّلة، ونهج " هيبريز - لاس " تحسين دقة التدفقات المنفصلة والنافرية مقارنة بأساليب نافيير - ستوكس التي تستخدمها الصواريخ التقليدية، وتتيح تقنيات الشبكة التناوبية أن تكون نموذجية بين جهاز قياسي.

ورغم قوة الديوكسينات الديموغرافية، لا يزال التحقق من المصادقة على التجارب أمرا أساسيا، فالاختبارات النفقية الفائزة بالأجهزة الدوارة، والتصوير الضوئي للتدفق، وقياسات الضغط توفر بيانات لتحديد النماذج الحاسوبية والتحقق منها. ] [توجيه بشأن منح شهادات متطورة للطائرات ] يؤكد الحاجة إلى أدوات محاكاة مصدق عليها كجزء من عملية التصميم والاعتماد.

المواد والتمكين الهيكلي

ويضع البوليمرات المعززة لفيسور الوزن المتأصلة في تصميم نظام VTOL قسطا على مواد الوزن الخفيف والتصميم الهيكلي الكفء، وقد أصبحت الآن موحدة في الأطر الجوية المتقدمة للمركبات، مما يوفر قوة عالية وثباتا في جزء من وزن الألومنيوم، وقد أدى تطوير التنسيب الآلي للألياف وعمليات معالجة النسيج إلى خفض تكاليف التصنيع ومكن من تحسين نوعية التكوين الأرضية المعقدة.

ويتزايد استخدام الصناعة التحويلية الاصطناعية، أو الطباعة بواسطة 3D، في عمليات التخصيب المعقدة، والأقسام، بل وحتى المكونات الهيكلية، مما يسمح للمهندسين بتصميم أشكال عضوية تُفضي إلى تحقيق الحد الأمثل من التبادل بين الوزن والقوة، مع التمكين أيضا من سرعة التكرار أثناء التنمية، وتتيح المركبات الحرارية إمكانية زيادة سرعة دورات الدورات وتحسين قابلية التدوير مقارنة بالمواد التي تُستخدم في عملية التقلب.

فالأدوات الهيكلية المثلى، بما في ذلك التدرج الأمثل في الطبقات الطبوغرافية والتصميم الهوائي، تتيح للمهندسين تصميم هياكل تتدهور في طرق مفيدة في إطار حمولات الهوائية، مثلا، يمكن تصميم جناح ليتل قليلا تحت الحمولة لخفض السحب المستحث أو تحسين خصائص المماطلة، وهذه التقنيات قيمة بوجه خاص بالنسبة لطائرات VTOL، حيث تترجم وفورات الوزن مباشرة إلى زيادة الحمولة أو النطاق.

المرحلة الانتقالية: تحليق الطيران العمودي والطائرات الأفقية

والممر الانتقالي بين المروحية والرحلة الأمامية هو السمة المميزة لأي تصميم لطائرات VTOL، وهذه المرحلة هي المكان الذي تتركز فيه التحديات الهوائية، وحيث يجب أن تتلاقى خيارات التصميم التي تتخذ للخراطيم والرحلات السياحية وتتفاعل معها.

ممر عدم الاستقرار

وبالنسبة للعديد من التشكيلات الموجودة في نظام " فوتو " ، توجد مجموعة سريعة تكون فيها الطائرة غير مستقرة بطبيعة الحال، وفي هوفر نقي، لا يوجد تقلص جوي في الأجنحة أو ذيل، ولكن نظام مراقبة الطيران يمكن أن يحافظ على الاستقرار باستخدام كهرباء الدفع أو التحكم في الدوار المتمايزي، وفي سرعة عالية، فإن الأجنحة والذيل لا يوفران الاستقرار والتحكم في سطح البحر.

ويحدث هذا الممر الذي يتسم بعدم الاستقرار عادة بسرعة 20 إلى 60 عقدة، حيث تتحرك الطائرة بسرعة كافية بحيث لا تعمل الدوارات في الهواء النظيف، ولكن ليس سريعا بما يكفي للأجنحة لتوفير الرفع الكامل، وفي هذه المرحلة، يمكن للصحافة أن تتفاعل مع الجناح والذيل بطرق تقلل من فعالية السيطرة، وتعاني الطائرة التي تلت - روتور من منطقة من عدم الاستقرار أثناء فترة الانتقال في ناسيل التي يجب أن تدار بعناية من خلال نظام مراقبة الطيران.

إن توسيع الممر الانتقالي المستقر هو هدف تصميمي رئيسي، ويمكن تحقيق ذلك من خلال تشكيل الهوائيات بعناية، أو مراقبة التدفق النشط، أو من خلال وضع قوانين لمراقبة الجدولة تستفيد من كل من أسطح الدفع والتحكم الهوائي في آن واحد، وتشمل بعض التصميمات مساحات انتقالية مكرسة، مثل المزلاجات التي توزع أثناء الطيران المنخفض السرعة لزيادة مساحة الجناحين وتأخيرهما.

تصميم القانون

ويجب أن تعمل قوانين مراقبة الطيران الخاصة بطائرة من طراز VTOL بشكل سلس في جميع نظم الطيران، مع الانتقال بين استراتيجيات مراقبة مختلفة أساسا، وفي جوف، يتحكم نظام المراقبة في تغييرات جماعية وزاوية في المحركات أو في السرعة المتحركة المتمايزة، وفي التحليق الأمامي، تهيمن أسطح المراقبة التقليدية، وخلال الفترة الانتقالية، يجب على مجموعتي المفاعلين العمل معا، مع التحول التدريجي للسلطة من جهة إلى أخرى.

تستخدم الطائرات الحديثة ذات الترددات المتوسطة التي تستخدم نظما لمراقبة الطيران حسب الآلات تفسر المدخلات النموذجية وتحسب الأوامر المثلى لجميع المستمعين المتاحين، ويجب أن تعالج قوانين المراقبة الإخفاقات بشكل مسمّى، وأن تعيد تشكيل الرقابة إذا فقد موكّل، مثلا إذا فشل محرك في طائرة متعددة الرواتب، يجب على نظام المراقبة أن يعيد توزيع الدافع على السيارات المتبقية مع الحفاظ على الطيران المستقر حتى الهبوط.

إن تصميم قوانين مراقبة حركة السيارات في ليبريا والتحقق منها عملية صارمة تشمل التحليل الخطي، والتحفيز غير الخطي، واختبار المعدات في الداخل، واختبار الرحلات الجوية، ويجب أن يكون نظام المراقبة قوياً إزاء التباينات في الوزن، ومركز الجاذبية، والظروف الهوائية، وتحتاج سلطات التصديق إلى أدلة مستفيضة على أن نظام المراقبة يمكن أن يعالج جميع حالات الفشل المتوقعة والاضطرابات البيئية.

تطبيقات الصناعة ودراسات الحالات الإفرادية

إن التحديات الهوائية التي تواجه حركة الطيران المدني ليست مجرد تحديات أكاديمية؛ بل تؤثر مباشرة على أداء البرامج الحقيقية للطائرات وقدرتها على البقاء، وتدرس كيفية معالجة مختلف التطبيقات لهذه التحديات، وتضع نظرة على حالة الفن.

التنقل الجوي الحضري

ويقود قطاع التنقل الجوي الحضري معظم الاستثمارات الحالية في تكنولوجيا حركة المركبات الفضائية، وتقوم الشركات بتطوير طائرات كهربائية من طراز VTOL مصممة لنقل الركاب أو الشحنات داخل المدن وبين المراكز الحضرية والمطارات، وتطالب الاحتياجات التشغيلية: يجب أن تكون الطائرة هادئة بما يكفي للعمل في المناطق المأهولة بالسكان، وأن تكون آمنة بما يكفي للطيران فوق المباني والطرق، وأن تكون فعالة بما يكفي لتوفير بديل صالح للنقل البري.

إن الضوضاء هي قضية عريقة تحدي بوجه خاص بالنسبة لحركة حركة عدم الانحياز، وتولد الضوضاء من جراء التفاعل بين الطلقات الصاروخية، والاضطراب العريض النطاق، والمحتوى المتسق للتردد المعبر، وتقليص الضوضاء، واستخدام المصممين لعد أعلى من القناع، وتدني سرعة النصائح، والتشكيلات المتحركة، كما يمكن للمعجبين المزعجين أن يقللوا الضجيج عن طريق حماية الدوارة والسيطرة على التدفق في النصائح.

كما يفرض مفهوم العمليات في حركة عدم الانحياز قيودا على التصميم الهوائي، ويجب أن تكون الطائرة قادرة على الهبوط على الرصيفات الصغيرة، وغالبا ما تكون في الأماكن المحصورة بين المباني، وهذا يتطلب مراقبة دقيقة في الواقع الأرضي والقدرة على معالجة أنماط الرياح المعقدة، ويمكن أن تؤدي الطاقة اللازمة للهوفر على ارتفاع عال أو ارتفاع درجات الحرارة إلى الحد بدرجة كبيرة من الحمولة، بحيث يجب تزويد الطائرات بالهوامش التشغيلية الواقعية.

منابر القوات المسلحة للتحرير

وقد كانت الطائرات العسكرية من طراز VTOL في الماضي في مقدمة الابتكارات الهوائية، وقدرة على العمل من السفن الصغيرة، وقواعد التشغيل الأمامية، والمسارات المدمرة، هي رصيد استراتيجي حرج، وقد دفعت برامج مثل نظام V-22 Osprey و F-35B ومختلف نظم VTOL غير المأهولة حدود ما هو ممكن من الناحية الجوية.

تشكيلة (في 22) من (أوسبري) تتطلب حل مجموعة من التحديات الهوائية، بما في ذلك تدفّق العجلات، والتحميل، والاستقرار الانتقالي، و(هيرل فلاتر) هو عدم استقرار جوي يمكن أن يحدث في تصميمات (الثور) عندما يُطهر (الدوار) و(البرون) يتفاعل مع الديناميات الهيكلية للجناح

إن النظم العسكرية غير المأهولة في تول، مثل كشافة النار في شمالروب، MQ-8، تبين فوائد الرفع الرأسي في البيئات البحرية، ويجب أن تعمل هذه الطائرات من أسطح السفن في المناطق المرتفعة الريح والبحار، مما يتطلب نظما قوية للمراقبة وتصميمات جوية قادرة على معالجة التدفق المضطرب على البنية الخارقة للسفن، ولا يزال إدماج الطائرات غير المأهولة في العمليات البحرية يشكل منطقة نشطة.

المستقبل

إن ميدان الديناميات الهوائية فيلق التاجية لا يزال بعيدا عن النضج، فالتكنولوجيات الناشئة والمفاهيم التشغيلية الجديدة تفتح إمكانيات غير مجدية في مجال الدفع التقليدي والمواد، وتركز جهود البحث في جميع أنحاء العالم على جعل طائرات VTOL أكثر كفاءة وهدوءا وأكثر أمانا.

Hybrid-Electric and Hydrogen Propulsion

ويتيح الدفع بالكهرباء طريقا لتوسيع نطاق طائرات VTOL إلى ما هو أبعد من طاقة البطاريات النقية، إذ يجمع محركا داخليا صغيرا للحرق مع نظام للدفع الكهربائي، يمكن للهيجين أن يستخدم كثافة الطاقة العالية من الوقود السائل بينما لا يزال يستفيد من مرونة وسرعة السيارات الكهربائية، ويمكن تحويل المحركات إلى ذروة لتوليد الطاقة بدلا من تزويدها بالهواء.

وتشكل خلايا وقود الهيدروجين خياراً جديداً، إذ توجد طاقة عالية التحديد، رغم انخفاض كثافة الطاقة الكثيفة في حجمها، مما يتطلب خزانات كبيرة للتخزين، والانبعاث الوحيد من خلية وقود الهيدروجين هو بخار الماء، مما يجعلها جذابة للطيران الصفري الانبعاثات، غير أن تخزين الهيدروجين ومناولة التحديات الهندسية الحالية، والهياكل الأساسية لإعادة تزويد الهيدروجين بالوقود لم تكن متاحة على نطاق واسع بعد.

ويزيد كل من نظم الكهرباء والهيدروجين الدافعة تعقيداً على الطائرة، بما في ذلك الإدارة الحرارية، والإلكترونيات الكهربائية، ونظم تخزين الوقود أو الهيدروجين، ويجب أن يكون التكامل الهوائي لهذه المكونات بمثابة مداخل الهواء المبردة، ومنافذ العادم، وتوزيع الوزن على نظام الدفع.

نظم التحكم بالرحلات الجوية المستقلة

ومن المتوقع أن تؤدي مراقبة الرحلات الجوية المستقلة دوراً محورياً في مستقبل عمليات VTOL، لا سيما في مجال التنقل الجوي الحضري حيث تكون العمليات ذات التردد العالي وقلة عبء العمل التجريبي مطلوبة، ويجب أن يعالج نظام مراقبة الرحلات الجوية المستقل جميع التحديات الجوية التي نوقشت أعلاه دون تدخل بشري، وهذا يتطلب تقديراً قوياً من جانب الدولة، ووضع نماذج هوائية في الوقت الحقيقي، وتخصيص موارد لمكافحة التقلبات.

ويجري تطبيق أوجه التقدم في مجال التعلم الآلي على النموذج والسيطرة الهوائيين، ويمكن تدريب الشبكات العصبية على التنبؤ بالقوى واللحظات الهوائية عبر مظروف الطيران، مما يتيح اتباع نهج رقابة نموذجية تحقق الأداء الأمثل في الوقت الحقيقي، وقد استخدم التعلُّم في مجال الإنفاذ لوضع سياسات للمراقبة للطائرات المتعددة الأطقم التي تعالج حالات الفشل المصحّحة، غير أن التصديق على نظم المراقبة القائمة على التعلم ما زال قائما.

كما أن النظم المستقلة تتيح تشكيلات جديدة للمركبات، فبدون طيار بشري، يمكن تصميم الطائرة بهامش أضيق، ويمكنها أن تؤدي مناورة غير مريحة أو غير متجانسة لشخص ما، مما قد يتيح مزيدا من الفعالية في وضع صور الانتقال أو مناورة أعلى في الأماكن المحصورة.

الحد من الضوضاء وتحقيق الاستخدام الأمثل

ويتوقف قبول المجتمعات المحلية لعمليات VTOL، ولا سيما في المناطق الحضرية، اعتمادا بالغ الأهمية على الضجيج، فالمصادر الهوائية للضوضاء في طائرات VTOL متنوعة، بما في ذلك نصلات الروتاتب أو المحركات أو المحركات وأسطح الطائرات، ويُعد خفض الضوضاء إلى مستويات مقبولة مع الحفاظ على كفاءة الهواء محور تركيز رئيسي للبحوث.

وينطوي تصميم اللوم على الضوضاء المنخفضة على تشكيل دقيق لبقشيش النصل، ومراقبة توزيع الشحنات النصلية، واختيار عدد الشفرة وسرعة البقشيش، كما أن تقنيات مراقبة الضوضاء النشطة، مثل مراقبة النسيج الفردي أو التحكم التناسقي الأعلى، يمكن أن تقلل من المكونات الكلوية المحددة للضوضاء المتحركة، ويمكن للمتقلبات المهبلة أن توفر تخفيضا كبيرا للضوع والتحكم بالتدفق، وإن كانت تضيف وزنا وسحب.

كما أن اتباع نهج ثابت وتقلل من الطاقة خلال الهبوط يمكن أن يقلل من تعرض الضوضاء على الأرض، ويجب وضع إجراءات خفض الحركة بالتنسيق مع إدارة حركة الطيران لضمان العمليات الآمنة مع التقليل إلى أدنى حد من تأثير المجتمع المحلي، كما أن البحث الجاري في مؤسسات مثل برنامج المركبات الجوية المتقدمة التابع للناسا يقوم بتطوير أدوات للتنبؤ بها وتنفيذها.

خاتمة

إن التحديات الجوية التي تواجه الطائرات العمودية المتجهة إلى الإقلاع والهبوط هي من بين أكثر جوانب التصميم إلحاحا في جميع هندسة الفضاء الجوي، ومن المتطلب الأساسي المتمثل في توليد دفع كاف للهوائم إلى الفيزياء المعقدة للتدفقات التي تمر بمرحلة انتقالية، والقيود العملية للضوضاء والكفاءة، فإن كل جانب من جوانب التصميم هو حل وسط بين الأهداف المتنافسة، ومع ذلك فإن المكافآت المحتملة هائلة: القدرة على العمل من أي مكان سطح مسطح تقريبا، وعلى تجاوز الهياكل الأساسية المتشابكة، إلى جانب الحاجة إلى الوصول إلى الهياكل الأساسية.

إن التقدم المحرز على مدى العقدين الماضيين ملحوظ، حيث أن الطائرات التي تُنقل بالطائرة تعمل في الخدمة التنفيذية، وأن النماذج الأولية للكهرباء VTOL تطير، وقد تقدمت الأدوات الحاسوبية إلى النقطة التي يمكن فيها محاكاة التفاعلات المعقدة للطائرات ذات المدار الأرضي مع وجود خصوبة عالية، ولا يزال الطريق إلى الاعتماد التجاري الواسع النطاق يتطلب تجديدا مستمرا في مجال الدفع والمواد ونظم التحكم وتصميم الطائرات الهوائية، ولكن مسار التنقل واضح.