ومع تسارع صناعة الطيران نحو مستقبل مستدام، انتقلت الطائرات الكهربائية من المفاهيم التجريبية إلى مركبات الإنتاج المعتمدة، ويدخل الانتقال من محركات الاحتراق التقليدية إلى الدفع الكهربائي تغييرات أساسية في تصميم الطائرات، ولا سيما في إدارة الرفع والسحب والطاقة في جميع مراحل الطيران، ومن أهم النظم الفرعية التي تتأثر بهذا التحول نظماً ذات قدرة على التحميل، تؤثر مباشرة على أداء الإنقاذ والهبوط، وكفاءة الرحلات الجوية، وتكيف الطلب على الطاقة بصورة عامة.

تطور نظم الطيران في الطيران الكهربائي

وقد تطورت تكنولوجيا الطائرات تطورا كبيرا منذ أن بدأ تطبيقها على الطائرات الثابتة الجناحين، حيث كانت المصابيح الهادرولوجية التقليدية تعمل جيدا منذ عقود، ولكن مع اقتصارات الطيران على الكهرباء، أصبحت القيود المفروضة على النظم الهيدروليكية واضحة، وتتطلب الطائرات الكهربائية مكونات أخف وأكثر كفاءة من حيث الطاقة، وتتوافق مع البنى الكهربائية الموزعة، ولا تشكل نظم التوزيع المركزية استثناء، فالتحول إلى نظم الضبط الكهربائي محركة عوامل عديدة:

وقد أثبتت نماذج الطائرات الكهربائية المبكرة من شركات مثل شركة جوبي للطيران والطيران المعلق أن الكهرباء يمكن أن توفر الدقة والاستجابة اللازمة للعمليات الآمنة، مع الإسهام في تبسيط النظام عموما، كما أن الانتقال من الهيدروليك إلى النظم الكهربائية يتيح أيضا زيادة التكامل مع قوانين مراقبة الطيران الرقمية، التي يمكن أن تُفضي إلى أفضل البيئات المرنة باستمرار بدلا من الاعتماد على السلاسل التجريبية المتميزة المصممة.

الديناميكية الجوية الأساسية في الطائرات الكهربائية

الحرف، الدراج، مقايضة الطاقة

فالأعلام تعمل بزيادة كاميرا الأجنحة والمناطق السطحية، مما يؤدي إلى رفع إضافي بالسرعة الدنيا، وهذا أمر حاسم بالنسبة للإقلاع والهبوط عندما يتعين على الطائرات أن تعمل بأمان في سرعة مخفضة، أما بالنسبة للطائرات الكهربائية، فيجب أن تدار المبادلات بين تحسين الرفع والسحب، مع الحد من سرعة السحب، وكثيرا ما تُحدث التصاميم التقليدية التي تكون مقبولة لمدة قصيرة أثناء النهوج والمغادرة.

فالعلاقة بين نزعة الذباب واستهلاك الطاقة غير خطية، فالتغييرات الصغيرة في زاويات النكهة عند الانكماشات المنخفضة تؤدي إلى نسب مفضلة من الرفع إلى السحب، بينما تؤدي الانكماشات الأكبر حجما إلى حدوث جر شديد بشكل غير متناسب، ويمكن للطائرات الكهربائية أن تستغل ذلك باستخدام الحد الأدنى من نشر الذباب الذي يستكمل بالمساعدة في أثناء الإقلاع، وهي استراتيجية يصعب تنفيذها مع نظم الهيدروليكية التي تعمل على أساس منطقي بسيط.

الاحتياجات من الأداء المنخفض السرعة

وكثيرا ما تعمل الطائرات الكهربائية، ولا سيما الطائرات المصممة للتنقل الجوي الحضري والتنقل الجوي الإقليمي، من مطارات أصغر أو موانئ ذات طول محدود في المدرج، مما يجعل من المتميزات ذات المناولة المنخفضة السرعة، ويجب أن تولد نظم الطائرات المتحركة ما يكفي من الرفع بالسرعة دون 70 عقدة مع الحفاظ على سلطة التحكم والهوامش المتوقفة، بل إن القدرة على تعديل تشكيلة الطائرات المتحركة على أساس ديناميك، مثل الارتفاع الريحي،

تكنولوجيات القفز القادمة

"أعلام ذكية مع "إمبراطور سينسور آري

أحد أكثر الابتكارات تأثيراً في تصميم المزلاج هو دمج شبكات الاستشعار مباشرة في هيكل المغازلة هذه أجهزة الاستشعار تقيس توزيع الضغط، ضغط الأشعة، الحرارة، التشوهات السطحية، البيانات تجهز في الوقت الحقيقي بواسطة حواسيب التحكم بالرحلات الجوية لتعديل مسارات الحرق من أجل الأداء الأيرودي الأمثل

وتعتمد التكنولوجيا على أجهزة الاستشعار القوية والمصغرة التي يمكن أن تصمد أمام البيئة التشغيلية وتحافظ على الدقة على آلاف دورات الطيران، وتُوفر أجهزة الاستشعار الضوئية المدمجة في الجلدات المركبة مسارا واعدا، ويوفر قياسات موزعة دون وزن أو تعقيدات الأسلاك في صفائف المولدات التقليدية.

نظم التصريف الكهربائية

وظهرت المحركات الكهربائية الميكانيكية كحل مفضّل لمراقبة المغازلة في الطائرات الكهربائية، وخلافاً للنظم الهيدروليكية التي تتطلب مضخات، وخزانات، وخطوط معقدة، تعمل أجهزة التصوير الإليكي مباشرة من حافلة الطائرات الكهربائية، وتزيل مخاطر تسرب السوائل، وتخفض متطلبات الصيانة، وتتيح مراقبة المواقع بدقة عالية.

وتوفر أطر التصحيح، مثل الوثيقة DO-178C، للبرمجيات والوثيقة DO-254، المبادئ التوجيهية لتطوير نظم موثوقة للكهرباء، وقد نشرت وكالة سلامة الطيران التابعة للاتحاد الأوروبي وثائق حالة خاصة تعالج الجوانب الفريدة من تهوية الكهرباء، بما في ذلك تحليل نمط الفشل والتوافق الكهرومغناطيسي، ويقوم عدد من الموردين حالياً بإنتاج وحدات مصدقة من طراز EMA لتطبيقات الرش، مع تصنيفات كهربائية تتراوح بين 200 واقوت للطائرات الخفيفة.

سطح المورفينج والأرض المبيتة

بالإضافة إلى حركات القفز التقليدية، تقنية الجناح المتحرك تمثل تغييراً تدريجياً في كفاءة الهواء، باستخدام المحار المتحركة للذاكرة، أو المحركات الفائقة السرعة، أو أنظمة العضلات المغناطيسية، يمكن أن يتغير سطح الجناح باستمرار للحفاظ على أفضل مكنسة في جميع مراحل الطيران، مما يزيل الثغرات والاضطرابات المرتبطة بلوحات الارتباك المتقطعة التي يقوم بها الاتحاد الأوروبي، ويقلل من الضوضاء الهوائية

ولا يزال التكامل مع برامجيات مراقبة الطيران يمثل تحديا، حيث يجب أن تشكل قوانين المراقبة استمرار تشويه هيكل الجناح دون إدخال أوجه عدم الاستقرار، وتستكشف أفرقة البحوث المتعددة الأطياف التصميمات المزودة بالبنيولوجيا التي تستند إلى رخام أجنحة الطيور، حيث يمكن أن تتحول الحافة الرئيسية والنقطة المتتالية إلى أنماط منسقة تحافظ على تدفق الهواء السلس على سطح الجناح بأكمله، وفي حين أن تكنولوجيا الارتداد ليست جاهزة بعد لإنتاج الطائرات الكهربائية، فإن التقدم المستقر في المواد.

المواد المركبة المتقدمة والصناعات التحويلية

وتوثق جيدا وفورات الوزن التي توفرها المركبات المتقدمة مثل الألياف الكربونية المعززة وهياكل شطائر العسل، وبالنسبة لنظم النكهات، يتيح استخدام المركبات إجراء قياسات جغرافية معقدة يصعب تحقيقها مع اختلاقات المعادن، بما في ذلك السقف المكشوف، والسمك المتغير، والمواقف الحساسية المتكاملة، ويجري أيضا استكشاف عوامل التصنيع الإضافة لإنتاج مزيد من الوزن المختلط.

ويتمثل التحدي الذي يواجه الصناعة في توسيع نطاق الإنتاج مع الحفاظ على الجودة والمتطلبات الثابتة لإصدار الشهادات للهياكل المركبة، التي يجب أن تثبت استمرارية الإضراب عن البرق، والأضرار الناجمة عن التأثير، وتدهور البيئة، ويجري اعتماد عمليات التنسيب الألياف الآلية ومعالجة النسيج من أجل خفض فترات دورة التصنيع وتكاليفها، وفيما يتعلق بالنظم المشتعلة تحديدا، فإن القدرة على إحداث تحولات معقدة وإدماج نقاط الترسبات في عملية التجهيز المضغوطية بصورة مباشرة.

الهيكلان الهندسيان للتكامل والمراقبة

Fly-by-Wire and Flap Control Laws

وتستخدم الطائرات الكهربائية على نطاق عالمي تقريبا نظم التحكم بالطائرات بالزبائن، حيث تفسر الحواسيب التي تقود المحركات مباشرة المدخلات التجريبية، وتدمج مراقبة الطائرات في هذا الهيكل، مع تحديد مواقع المغازلة التي تستخدمها أجهزة التحكم في الطيران استنادا إلى مراحل الطيران، وسرعة الهواء، والوزن، والظروف البيئية، ويسمح هذا التكامل بالتشغيل الآلي مثل السحب الآلي أثناء التسلق والوزع الآلي أثناء النهج، مما يقلل من حجم العمل التجريبي.

فبعض التصميمات التي تُستخدم فيها قدرة محركية لتعظيم استخدام الطاقة أثناء الإقلاع والتسلق، مثلاً، يمكن أن تؤدي إقامة متحركة متواضعة مقترنة بالحد الأقصى من حركية السيارات إلى الحد من المسافة التي تتطلبها المسير، بينما يُحتفظ بالبطاقات العدوانية لعمليات قصيرة الأجل تكون فيها عقوبة الطاقة مبررة بواسطة هوامش الأمان، كما أن قوانين الرقابة تُدير الانتقال بين مختلف التشكيلات المتحركة لمنع حدوث تغييرات مفاجئة في رفع الطائرات يمكن أن تؤدي إلى زعزعة استقرار الطائرات أو إلى حدوثها.

التغاضي عن الغير والتسامح

وتصمم نظم الفتح على الطائرات الكهربائية بمستويات متعددة من التكرار لضمان استمرار التشغيل في حالة حدوث الفشل، وتشمل البنيانات النموذجية قنوات الاختراع المزدوجة ذات إمدادات الطاقة المستقلة، والتحكم الإلكتروني، ومجسات التغذية المرتدة، وفي حالة عدم وجود مصباح واحد، لا تزال أجهزة الاستنفار الصحية المتبقية قادرة على نشر المصابيح في موقع آمن، ويجب أن يبين النظام العام أنه لا يوجد أي فشل في كشف الظواهر الجوية الخاضعة للرقابة.

وهذه القدرة على رصد الصحة مهمة بوجه خاص بالنسبة للطائرات ذات الاستخدام العالي المستخدمة في خدمات سيارات الأجرة الجوية، حيث تكون موثوقية الإرسال في الوقت المناسب مقياساً رئيسياً للأداء، ويمكن تنبيه المشغلين إلى أن تُحدّد عمليات الارتطام بالأجهزة الاستشعارية أو التحلل الكهربائي أو الصيانة التصحيحية للجداول خلال ساعات العمل بدلاً من إبطال مفعول الطائرات، كما أن القدرة على تسجيل وتقليص عناصر الأداء تدعم برامج الصيانة المتوقعة

الاستحقاقات وكسب الأداء

كفاءة الطاقة وتمديدها

إن الجمع بين التحكم الذكي في المكبس، والكهرباء، ومواد الوزن الخفيف يؤدي إلى تحسينات قابلة للقياس في كفاءة الطاقة، ويقلل السحب أثناء التسلق والرحلة البحرية مباشرة من سحب الطاقة من البطاريات، مما يتيح رحلات أطول أو انخفاض وزن البطاريات، وتترجم الدراسات التي تجرى في إطار برنامج أجهزة تحديد درجات الحرارة الكهربائية المكهربة التابعة للناسا إلى 100 في المائة من نظم الإضاءة الحضرية التي يمكن أن تسهم في تحقيق وفورات في الطاقة التقليدية بنسبة تتراوح بين 8 و 12 في المائة.

ويمكن للمشغلين استخدام هذا الهامش لفتح طرق جديدة أو زيادة القدرة على تحميل الحمولة، كما أن وفورات الطاقة تقلل من الحمولات الحرارية على نظم التبريد بالبطارية، مما يتيح سرعة تحويل الشحن دون التسخين المفرط، وعلى مدى عمر الطائرة التي تقوم برحلات يومية متعددة، فإن هذه المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة تزيد من الانخفاضات الكبيرة في تكاليف التشغيل والأثر البيئي.

تحسين السلامة والاعتماد

وتحسن عمليات التكييف في الوقت الحقيقي بفضل الذباب الذكية هوامش الأمان أثناء المراحل الحرجة من الطيران، كما أن الرصد المستمر لفصل التدفق وهوامش التوقف يتيح لنظام مراقبة الطيران أن يخطر الطيار أو يتدخل تلقائيا قبل أن تتطور حالة خطرة، كما أن تبسيط الملاجئ الكهربائية بالمقارنة بالنظم الهيدروليكية يقلل أيضا من عدد وسائل الفشل.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن القضاء على السوائل الهيدروليكية يزيل مخاطر الحريق ويقلل من التلوث البيئي أثناء الصيانة، كما يمكن للمزلاجات الذكية أن توفر الحماية الظرفية عن طريق الحد من مواقع الرش في سُرعة الهواء المرتفعة أو عندما تتجاوز الحمولات الهيكلية الحدود المسموح بها، مما يحول دون تجاوز الظروف المتعمدة أو الحمولة المفرطة التي يمكن أن تضر بالهيكل الجناحي.

الوظائف التشغيلية والصيانة

ويؤدي القضاء على النظم الهيدروليكية إلى تقليل الحاجة إلى فحص السوائل واستبدال الرش وفحص التسرب، ويمكن للطاقم الأرضية أن تقوم بأعمال الصيانة الروتينية للمصابيح ذات الأدوات القياسية والبرامجيات التشخيصية، مما يقلل من فترات التناوب، كما أن القدرة على تسجيل بيانات أداء المحركات وتحميلها تدعم برامج الصيانة المتوقعة التي تحدد مواعيد استبدال العناصر قبل حدوث الفشل، مما يؤدي إلى تحسين توافر الأسطول.

كما أن الطائرات ذات الذباب الكهربائي تكتسب مرونة تشغيلية، حيث أن نظام الشعلة يسحب الطاقة من الحافلة الكهربائية الرئيسية، فإنه يمكن أن يعمل خلال جميع مراحل الطيران دون الحاجة إلى مضخة هيدروليكية منفصلة يقودها محرك أو محرك كهربائي، وهذا يبسط عمليات التفتيش قبل الطيران ويتيح التشغيل الكامل للثبات حتى أثناء العمليات الأرضية عندما لا يكون نظام الدفع نشطا.

مسارات الشهادة والتحديات

ويتطلب توثيق تكنولوجيات النكهات الجديدة للطائرات الكهربائية الامتثال لمعايير صلاحية الطيران التي وضعتها وكالة الطيران الاتحادية ووكالة الفضاء الأوروبية وغيرها من الهيئات التنظيمية، وفي حين أن الجزء الحالي 23 والجزء 25 من أطر التصديق تغطي نظم الإشتعال التقليدية، فإن إدخال أجهزة الاستشعار الذكية، والمواد التكييفية، وقوانين الرقابة على البرمجيات المعقدة يتطلب اتباع نهج جديدة للتحقق والتحقق، وتوفر وسائل التحقق من الامتثال لنظم الدفع الكهربائي الدولية توجيهات بشأن الرقابة المسبقة على البرامجيات.

ولا يزال التصديق يمثل عاملا هاما من عوامل التكلفة والوقت لبدء استحداث تكنولوجيات جديدة للغاز، ولكن المشاركة المبكرة مع المنظمين واستخدام معايير التصميم الثابتة يمكن أن تبسط العملية، ويسمح استخدام نهج الهندسة النُظمية القائمة على النماذج والنهج الرقمية للتوائم للمنظمين بتقييم سلوك النظم عبر آلاف السيناريوهات دون اشتراط إجراء اختبارات مادية لكل حالة، ويكتسب هذا النهج قبولا ويتوقع أن يصبح ممارسة موحدة لإصدار شهادات لنظم متقدمة لمراقبة الطيران في الطائرات الكهربائية.

مبادرات التعاون والبحث في مجال الصناعة

تقدم كبير في تكنولوجيا النكهة يأتي من التعاون بين شركات تصنيع الطائرات وجامعات البحث والوكالات الحكومية مشروع "ناسا" للأدوات والتكنولوجيات التحويلية يمول البحوث المتعلقة بالهياكل التكييفية والاختراعات المتقدمة

وتقوم المؤسسات الأكاديمية، بما فيها معهد الدراسات المتقدمة، وستانفورد، وجامعة ديلفت للتكنولوجيا، بإجراء بحوث أساسية بشأن مراقبة التدفق، والهوائيات النشطة، والمواد الذكية التي تغذي برامج تطوير الصناعة، ويكفل التعاون ترجمة نتائج البحوث الواعدة إلى تصميمات عملية تلبي متطلبات التصديق والتصنيع، وتوفر اتحادات الصناعة المرنة مثل كونسورتيوم للطائرات الكهربائية وجمعية الطيران الفلكي منتديات للاختبار من أجل تبادل أفضل الممارسات ووضع معايير مشتركة للتصميم.

دور التوائم المحاكاة والأرقامية

ويتوقف تطوير نظم القفز المتقدمة بشكل متزايد على المحاكاة العالية التخمين والتكنولوجيا الرقمية التوأم، وتسمح ديناميات السوائل المحوسبة، إلى جانب تحليل العناصر المحددة، للمهندسين بالتنبؤ بالأداء الهوائي والتحميل الهيكلي بدقة عالية قبل بناء نماذج أولية، وتسمح التوائم الرقمية التي تعكس نظام التشغيل الفعلي في مجال توفير الخدمات برصد الأداء في الوقت الحقيقي والتنبؤ بالحجم.

كما أن عملية المحاكاة تؤدي دوراً رئيسياً في التصديق، حيث يقبل المنظمون نماذج مصدق عليها كدليل على الامتثال لبعض ظروف الفشل التي يصعب اختبارها في الطيران، وبما أن التوائم الرقمي يحسن العطاء ويزيد من معايير المصداقية النموذجية، فإن المحاكاة ستصبح أكثر مركزية في تطوير النظام المزدهر والتصديق عليه.

التوقعات المستقبلية

ومع استمرار نضج الطائرات الكهربائية، ستتطور تكنولوجيات الارتباك نحو زيادة التكامل مع نظام التشغيل والدفع عموما، ويفتح الدفع الكهربائي الموزع إمكانيات لسطح المزلاج التي تدير بنشاط تدفق طبقة الحدود أو تقدم مساعدة دفعية مسببة للانطلاق، وقد تستكمل البحوث في مجال مراقبة التدفق النشط باستخدام الطائرات الاصطناعية أو مشغلات الوصل الواقية من الديكل أو تحل محل تطبيقات الدفع الرئيسية في المستقبل.

ومع وجود هذه الأسس، ستساعد نظم المنافذ المتقدمة على جعل الطيران الكهربائي عملي ومستداما واقتصاديا لطائفة واسعة من البعثات، من سيارات الأجرة الجوية الحضرية إلى طائرات خفية إقليمية، وسيشهد العقد القادم نظما مشتعلة لا تكون مجرد سطح متحركة بل نظما فرعية ذكية ومتكاملة تسهم إسهاما فعالا في كل مرحلة من مراحل الطيران، وستكون النتيجة طائرات كهربائية أكثر أمانا وكفاءة وأكثر قدرة من أي شيء يطير اليوم.