وتواجه صناعة الفضاء الجوي ضغوطا متزايدة لتطهير السفر الجوي بينما تلبي الطلب المتزايد على التنقل، وتعتمد محركات الطائرات التقليدية، رغم عقود من الصقل، على الوقود الأحفوري وتنتج انبعاثات كبيرة، وتهيئ تصميمات المحركات الهجينة جسرا عمليا بين توربينات الغاز التقليدية والدفع الكهربائي الكامل، مع الجمع بين كثافة الطاقة الكهربائية للمحركات الكهربية وبين كفاءة المولدات الكهربائية المولدة.

ما هي "المروحيات الهجينة"؟

ويدمج محرك كهرباء محركاً أساسياً من محركات الغاز المزود بجهاز كهربائي أو أكثر من أجهزة توليد السيارات ونظام لتخزين الطاقة، ويوفر التربين قوة أساسية ويمكنه أيضاً أن يدفع المولدات إلى شحن البطاريات أو محركات الكهرباء مباشرة، وخلال مراحل القوى العالية مثل الإقلاع والتسلق، تضيف السيارات الكهربائية زخماً إضافياً يسمح بتوليد الطاقة الكهربائية في أكبر تركيبة حرارة بدلاً من أن تنفجر.

فالتوربوموزين الهجينين ليسوا تصميماً واحداً بل أسرة من البنايات، وتستخدم الهجينات سلسلة من التربينات لتقود مولداً كهربائياً يقوى المروحيات الكهربائية، ولا يوجد أي صلة ميكانيكية بين التوربين والمروحة، وتحتفظ الهجينات الموازية بمروحة ميكانيكية من توربين إلى مشجعين، بينما تضيف مولداً كهربائياً يمكن أن يُعدّد أو يحل محلّ قوة التركة.

الترشيحات الأساسية للمحركات الهجينة المجهولة القادمة

المساعدة الكهربائية في عمليات الإجلاء والتسلق

فالانطلاق والتسلق هما أكثر مراحل الطيران كثافة في الوقود، مما يتطلب أقصى قدر من القوة للتحرك لفترة قصيرة، وفي المحركات التقليدية، يجب أن يُطغى التربين على هذا الطلب البالغ الذروة، الذي يُغلب على المحرك لبقية الرحلة، كما أن التصاميم الهجينة تُضعف القوة القصوى للرحلات السياحية: السيارات الكهربائية، التي تتغذى من البطاريات، وتساعد على زيادة الضغط أثناء التسلق والتسلق.

Regenerative Braking and Energy Recovery

وقد تتضمن بعض نظم الاضطرابات الهجينة قدرات تجديدية، ففي أثناء الهبوط والهبوط، تُفرّق الطائرات عادة الطاقة الحركية مثل الحرارة من خلال المكابح أو السحب الهوائي، كما يمكن للهيجين أن يلتقط بعض تلك الطاقة باستخدام المحركات الكهربائية كمولدات لتحميل البطاريات، وفي حين أن الطاقة المستعادة متواضعة مقارنة بما يستهلك من طاقة في التسلق، فإنه يمكن أن يقلل من مجموع القدرة على استعادة النفايات.

الهيكلان النموذجي والمقعد

والوحدة هي أحد العوامل الرئيسية التي تمكن من استخدام أجهزة التربو المختلط، حيث يمكن للمصنعين أن يوسعوا نطاق نظام الدفع بالنسبة لمختلف أحجام الطائرات من خلال استخدام وحدات الطاقة الموحدة (ألبان التركيب، وأجهزة التلقيح الآلي، وأجهزة الصنع التي تعمل بشكل مستقل على خفض محركات المركبات، وأجهزة الكهرباء التي تعمل على تركيبها، وأجهزة الدفع الكهربائي التي تعمل بشكل مباشر.

المواد المتقدمة والإدارة الحرارية

وتطالب أجهزة الاضطرابات الهجينة بمواد عالية الحرارة في التربين بينما تخفض الوزن، وتستبدل مركبات المصفوفة الكهرمائية بالموجات الخارقة للنيكل في الأقسام الساخنة، وتسمح بارتفاع درجات الحرارة، وتخفض بالتالي من سرعة التبريد، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة المحركات الحرارية، وتحتاج المحركات ذات القدرة العالية إلى مواد مغناطيسية متطورة (مثل رذاذيلة المخفوقة)

مزايا تكنولوجيا التربومور الهجينة

المنافع البيئية وخفض الانبعاثات

ويمكن للمحركات الهجينة أن تخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة ١٥-٢٥ في المائة مقارنة بالتربوفين التقليديين، حسب البعثات والهيكل، كما أن الوفورات الرئيسية تأتي من تحقيق أقصى قدر من التوربين للرحلات السياحية ومن استخدام الطاقة الكهربائية لتعويض حروق الوقود الذروة، بالإضافة إلى أن تربين الغاز يعمل في حالة أكثر استمرارا وكفاءة، ويمكن أن يُضاف الاحتراق إلى ذلك تخفيف العقوبات على أساس التقلبات الحرارية والانبعاثات الجسيمية.

المكاسب الاقتصادية وكفاءة الوقود

فالوقود هو تكلفة تشغيلية كبيرة للخطوط الجوية، حيث يتراوح عادة بين 25 و30 في المائة من مجموع النفقات، ويترجم تخفيض حروق الوقود بنسبة 20 في المائة مباشرة إلى انخفاض أسعار تذاكر السفر أو تحسين هوامش السفر، كما أن المحركات الهجينة تتيح فترات صيانة أكثر تواترا لأن تجارب الاضطرابات تقل عن التقلب الحراري والإجهاد الناجم عن ارتفاع ضغط الدم، بينما تتطلب المركبات الكهربائية صيانة أقل من صناديق الترسبات أو مرحلات التربين المعقدة.

تحسين الأداء والإلمام

وتساعد الكهرباء المروحة على أن تكون في سرعة متغيرة بمعزل عن لب التربين، وهذا التحلل يتيح سرعة المعجبين بالضوضاء أثناء الاقتراب والهبوط، حيث يكون ضوضاء المحرك أكثر تدخلا، كما أن القدرة على إدارة التربين في كفاءة أعلى تقلل من سرعة ارتفاع الترددات التي تُستخدم فيها هوامش الشعلة الغازية، وتحسن أداء السائل الكهربائي دون أن يُطبق على الفور.

الكفاءة التشغيلية

ويمكن للطائرات المتمردة الهجينة أن تتكيف مع ملامح متعددة للبعثات، وقد تستخدم طائرة إقليمية ذات فتحة قصيرة طاقة أكبر من البطاريات لتعظيم الكفاءة على طرق نموذجية تبلغ ٥٠٠ كيلومتر، في حين أن إصدارا أطول مدى قد يقلل البطارية ويعتمد أكثر على التربين، ويمكن أن يخدم نفس اللب المحركات كل من متغيرات السعة ٥٠ و ١٠٠ مقعد من خلال رفع وحدة المساعدة الكهربائية.

التحديات التي تواجه المشغلين الهجينيين

كثافة الطاقة وطولها

أكبر عقبة هي وزن البطاريات، وبطاريات الليثيوم الحالية لديها طاقة محددة حوالي 250 كيلو غرام، أقل بكثير من وقود الطائرات النفاثة 000 12 و/كغ، وحتى مع كفاءة النظام بنسبة 50 في المائة، فإن البطاريات تزيد عن الوقود لنفس الطاقة بمقدار 100 مرة، وبالنسبة للتصميمات الهجينة، تحتاج البطاريات إلى طاقة ذروتة فقط لبضع دقائق، ولكن لا يزال ذلك يتطلب عدة مركبين

الإدارة الحرارية للمكونات الكهربائية

وتولد المحركات الكهربائية والإلكترونيات الكهربائية حرارة يجب إزالتها بكفاءة، وفي محرك هجين، تتقاسم المكونات الكهربائية حيزاً مع توربين حار، لذا يجب توجيه الهواء المبرد بعناية، وتزيد حلقات التبريد السائل وزناً وتعقداً، مع المضخات ومبادلات الحرارة التي يجب أن تكون موثوقة على آلاف دورات الطيران، وعلى ارتفاعات عالية، لا توجد نُهج للضغط المحيط منخفضة، مما يقلل من فعالية استخدام الحرارة المحتوية على مصارف.

التعقيد والإثبات

فإضافة عناصر كهربائية إلى وسائل الفشل المتعددة الأطراف في مجال الغازات الحرجة، يجب أن يدير نظام المراقبة الخلط بين الخرق، وتقاسم الحمولة، والظروف غير المستقرة، وستتطلب سلطات التصديق إجراء اختبار دقيق للتدخل الكهرومغناطيسي، وتسريب الطوابق، وفشل القوى الجزئية، ويجب أن يكفل هيكل التكرار عدم تعريض وحدة السلامة أو البطارية للخطر.

التكلفة والإنتاج

ومن الضروري زيادة حجم الأجهزة الإلكترونية ذات القدرة العالية التطور، والمغنطس المتقدمة، وبطاريات الطيران الكبيرة الحجم، وهي كميات منخفضة مقارنة بمكونات السيارات، ولتحقيق التكافؤ في التكاليف مع المحركات التقليدية، فإن سلسلة الإمداد بمحركات الطائرات والمحافير تحتاج إلى التوسع، وهذا يتطلب الاستثمار والالتزام من جانب شركات الإنتاج والموردين، وقد تؤدي الإعانات الحكومية وضرائب الكربون إلى التعجيل بعملية الانتقال، ولكن بدون دفعة تنظيمية واضحة، قد تؤدي شركات الطيران إلى زيادة كبيرة.

النماذج الأولية الحالية ومبادرات البحوث

"وإنّه مُستعدٌّ من "إمبري" في "إمبري" في "إمبري" في "إس بي" في "إس تي"

التوقعات المستقبلية وخط زمني

إن المحركات الهجينة لن تكون حلاً مفرداً، بل جزءاً من خريطة طريق نحو الطيران المستدام، وفي الأجل القريب (2025-2030)، من المرجح أن تُدخل الجيل الأول من النظم الهجينية في الخدمة على الطائرات الإقليمية (20-100) باستخدام هياكل مختلطة ذات كثافة هجينية متواضعة، وسيثبت هؤلاء المعتمدون في مرحلة مبكرة مدى موثوقية التكنولوجيا وفوائد التشغيل.

(ب) الموارد الخارجية: NASA Electrified Aircraft Propulsion]) تقدم لمحة عامة عن برامج وفحوصات ناسا، ومن أجل منظور أوسع نطاقاً للصناعة، فإن IIATA المستدامة للوقود تناقش أوجه التآزر بين SAF وHbrid propulsion.

وباختصار، تمثل تصميمات الاضطرابات الهجينة خطوة تدريجية عملية نحو إزالة الكربون من الطيران، فهي، عن طريق الجمع بين أفضل أنواع التوربينات الغازية والسيارات الكهربائية، تحقق تحسينات فورية في الكفاءة والانبعاثات، مع إبقاء الباب مفتوحاً للحلول الشاملة في المستقبل، ولا تزال التحديات قائمة في مجال تخزين الطاقة، والإدارة الحرارية، وإصدار الشهادات، ولكن برامج البحوث القوية، تؤدي إلى معالجة هذه القضايا بدرجة أقل من فعالية المشغلين.