إن تصميم أجهزة رفع عالية لطائرات الطائرات العمودية هو مسعى حاسم في الهندسة الحديثة للفضاء الجوي، وهذه الأسطح الهوائية - النكهة، والقطع، والتمديدات الرائدة - هي أمر أساسي لتحقيق الرفع المناسب أثناء الإقلاع والهبوط، وهي مراحل تعمل فيها الطائرات بسرعة منخفضة نسبياً، غير أن نفس الأجهزة يمكن أن تؤثر تأثيراً كبيراً في تكوين موجات متطورة من الازدهار.

فهم الثوران الصوتي وأثره

إن الازدهار الصويا هو المظهر المثمر لموجات الصدمة التي نشأت عندما تتجاوز الطائرة سرعة الصمام ١ - مع تحركات الطائرة، تتحول اضطرابات الضغط بسرعة الصوت؛ وعندما تتجاوز الطائرة هذه السرعة، ترتفع هذه الاضطرابات إلى موجتين متينتين من الصدمات الأولية: واحدة في الأنف وواحدة في الخلف، وتتغير سرعة الضغط، مما يشكل نمطاً مضاعفاً من الوزن عند القفز.

فبالنسبة للأثر البيئي والاجتماعي المتفشي للازدهار الصوتي قد أدى إلى وضع لوائح صارمة في الولايات المتحدة، تحظر إدارة الطيران الاتحادي الطيران المدني فوق الأرض ما لم يخفض الازدهار إلى مستوى يعتبر مقبولاً - عامياً - أقل من 0.3 إلى 0.5 صم، مقارنة بالرعد البعيد أو إغلاق باب السيارة، كما تقوم منظمة الطيران المدني الدولي بوضع معايير لإصدار شهادات بشأن الازدهار في المستقبل.

دور الأجهزة العليا في الجيتس الخارقة

وأجهزة رفع عالية هي سطح محمول أو ثابت يزيد من فعالية الكامبر ومنطقة الجناح، مما يرفع معامل رفع الحد الأقصى (CL,max) أثناء الرحلة المنخفضة السرعة، وفي طائرة أعمال سطحية، يجب أن تعمل هذه الأجهزة بفعالية في نظامين متميزين هما: سرعة التصريف والهبوط، ورحلة جوية قصيرة جداً.

وتشمل عناصر المصعد المرتفعة المشتركة ما يلي:

  • ]Leading —‐edge slats or flaps]: Extend forward from the wing’s leading edge to increase camber and energize the boundary layer.
  • Trailing —‐edge flaps: Typically double — or tripleslotted Fowler flaps that increase both area and camber, providing a significant lift increment.
  • ] Leading —-edge extensions (LEX) or strakes]: Fixed or deployedable vortex birth generated lift by creating powerful vortices over the wing at high angles of attack.

غير أن هذه الأجهزة، أثناء الرحلة البحرية الخارقة، تُسحب وتُنقَل إلى جناحها، ولا يجب أن يؤدي شكلها المُربى إلى موجات صدمية غير ضرورية، أو إلى تدرجات ضغط، أو جرها، بل إن هناك أخطاء أو ثغرات صغيرة يمكن أن تؤدي إلى حدوث صدمات سابقة لأوانها، مما يزيد من حدة الطفرة، وبالتالي فإن تصميم نظم رفع عالية للطائرات العمودية المُفرَجة هو عمل متوازن:

تحديات التصميم في الأجهزة العالية الرفع بالنسبة للطلاب السوبرسونيك ذو الفول

ويطرح إدماج أجهزة رفع عالية في إطار جوي سطحي منخفض المؤخرات عدة تحديات فريدة تدفع حدود التصميم الهوائي والهيكلي الحالي.

تفاعل موجة شوك

ويتمثل أحد التحديات الرئيسية في مجال التوزيع في إدارة التفاعل بين موجات الصدمات التي تولدها أجهزة رفع عالية وتلك الناشئة عن الجناح والنسيج، وعندما يتم نشر رف أو صفعة، فإنه يؤدي إلى انقطاع ضغط محلي يمكن أن يولد موجات صدمات إضافية، وقد تتزامن هذه الصدمات مع صدمة الجناح الأولي، مما يزيد من قوة الازدهار عموما، أما بالنسبة للتصميمات المنخفضة الحد من الازدحام، فيتمثل في ضمان وجود أي صدمات تنتج عن أجهزة رفع عالية الانتشار.

الاعتبارات الهيكلية والحرارية

ويعرض الطيران فوق الصوتي للضغط الدينامي المرتفع ودرجات الحرارة بسبب التدفئة الهوائية، وفي ماتش 1-6-2، يمكن أن تصل درجات حرارة الجلد إلى 100-150 درجة مئوية.

تجارة الأداء الأيرودينامي

ForF lift devices on a supersonic wing must also contend with compressibility effects and shock-induced separation. At low speeds (high angles of attack), the wing may adjust leading‐edge separation that can be mitigated by slats. However, the slat itself can generate a shock at moderate Mach numbers (~0.3–0.5) during approach, leading to increased dragoff and noise.

منهجيات التصميم العالي منخفض الترميز

ولمواجهة التحديات المذكورة أعلاه، يستخدم المهندسون مجموعة من الأساليب العددية والتجريبية المصممة وفقا للمتطلبات الفريدة للطائرات الخارقة.

الديناميات الفولطية الحاسوبية والتمكين الأمثل

وقد أصبحت هذه المادة حجر الزاوية في تصميمات رفع عالية المستوى منخفضة، حيث أن مذيبات النسيج المميتة المميتة المميتة (Rynoldsaveraged —Stokes) تستخدم لنموذج التدفق حول تركيبة المصعد العالية في ظروف دون قياسية وفوقية، أما بالنسبة للتنبؤات، فإن توقيع الضغط القريب من الحقل قد يستخرج من حل الاضطرابات التراكمية ويمتد إلى الأرض باستخدام طرق مثل رمز توماس أو الارتفاع).

اختبار النفق الفائز

ولئن كانت هذه الحركات ذات القوة الدافعة قوية، فإن التحقق من نفق الرياح يظل ضروريا، لا سيما بالنسبة للتشكيلات العالية للمرتفعات حيث تكون آثار أرقام رينولدز وفصل التدفق حرجة، وتستخدم الأنفاق الريحية الخارقة ذات القدرات المتغيرة في مجال الذكاء لقياس الأداء الجوي والتوقيعات على الأجسام القريبة من الحقول، وتجهز النماذج بأجهزة ضغط على أجنحة وأجهزة متحركة في أسفل المجرى الضغط(1).

الهياكل الوفائية والتطبيقية

ومن أكثر الطرق واعدة في تصميم المصعد المنخفض المستوى هو استخدام هياكل الارتداد أو التكييف التي تتغير شكلها في الرحلات بدلا من نشر لوحات متفرقة، مثلا، يمكن أن يؤدي وجود أنف غير متحرك متسم بالثبات (كما هو الحال في X-59) إلى ارتفاع مستوى الكوابيس دون وجود ثغرات أو عقبات تولد ضوضاء وموجات صدمات.

Shape Optimization and Blended Winglets

وثمة نهج آخر يتمثل في إدماج القدرة العالية على الانتقال في المخطط العام للجنحة، إذ يمكن أن تعمل الأجنحة المجهزة بالزوارق، على سبيل المثال، كمولدات دوامة تزيد سرعة الرفع وتخفض من الجر المتعمد، كما أن بعض المحركات المزودة بأجهزة إطفاء متطورة، يمكن أن تكون متوائمة مع تجنب إحداث صدمات إضافية.

دراسات الحالة وتصميم المفاهيم

وتوضح عدة برامج جارية كيف يجري إدماج أجهزة رفع عالية في الطائرات الحربية الخارقة ذات الفتحة المنخفضة.

NASA X —59 QueSST

إن طائرة " X-59 " هي طائرة تجريبية وحيدة مصممة لتثبت أن جهازاً جوياً مصمماً بحيث يمكن أن ينتج " مضخة صوتية " بدلاً من أن ينفجر تماماً، بينما لا تكون موجة X-59 طائرة أعمال، فإن نظام رفعها العالي يشمل قنابل وجناحاً كبيراً يؤكد وجود قفزات مائلة كاملة، مما يتيح التحكم في المصابات الطائرات المتحركة خفيفة.

Aerion AS2 and Other Concepts

وقبل إغلاقها، كانت شركة آريون بصدد تطوير طائرة محركات تعمل فوق الصوتي ذات المحرك الثلاثي التي تستهدف المدفع 1-4، وقد تضمنت مجموعة من المواد ذات التأثير العالي، مع وجود صفائح تقنية عالية الجودة وملمحات متطورة، ولكن التصميمات لم يتم الكشف عنها بالكامل.

البحوث الأكاديمية والصناعية

وقد نشرت جامعات مثل ستانفورد، ومعهد الدراسات المتقدمة وجامعة ميتشيغان على نطاق واسع على مستوى رفع منخفض المستوى الأمثل، وقد أظهرت ورقة بارزة من منتدى الطيران التابع للرابطة في عام 2023 دراسة مشتركة بين الصناعات حيث بلغت مركبة من طراز الأعمال - المحركات مستوى أعلى من مستوى الرفع والازدهار، واستخدمت التشكيلة المثلى مساراً متغيراً من أهداف التصاميم (الازدهار).

الاتجاهات المستقبلية

ويكمن الطريق إلى الأمام بالنسبة لأجهزة رفع عالية منخفضة الجودة في ثلاثة مجالات هي: المواد المتقدمة، ومراقبة التدفق النشط، والتصميم القائم على الاعتماد.

Advanced materials] such as high‐temperature composites, shapememory alloys, and piezoelectric actuators will enable lighter, more efficient morphing structures. These materials reduce the weight penalty associated with complex mechanisms and allow for smooth, gap-free surfaces that minimize shockctutric printing generation. Continued development of additive manufacturing (3D).

Active flow control] offers another route: instead of moving surfaces, synthetic jets or plasma actuators can energize the boundary layer locally, delaying separation and increasing lift without deploying a flap. Research has shown that pulsed jets on the leading edge can increase C,max

وأخيراً، فإن معايير التوثيق فيما يتعلق بالطائرات فوق الصوتية المنخفضة لا تزال آخذة في التطور، وتعمل القوات المسلحة الأنغولية ووكالة البلدان الأمريكية على إجراءات إصدار شهادات الضوضاء التي قد تتطلب إظهار ازدهار منخفض أثناء الإقلاع والهبوط، وليس مجرد الرحلات السياحية، وسيكون أداء الأجهزة العالية المرفعة بمثابة البارامتر القابل للقياس، ويجب على المصانع أن تثبت أن الأجهزة قادرة على تحمل الازدهار طوال العمر.

خاتمة

(أ) أن تصميم أجهزة رفع عالية لطائرات الأعمال الخارقة التي تحقق آثاراً منخفضة على الازدهار الدولي يشكل تحدياً متعدد التخصصات يتطلب تكاملاً وثيقاً بين المواد الأيرودينامية والهياكل والمواد والضوابط، ومن تشكيلات الوصلات إلى أدنى حد ممكن لتوليد أسطح الدفن التي تزيل الثغرات، يحرز المهندسون تقدماً مطرداً.