دال - التقدم المحرز في تصميم الطائرات ذات الطاقة الشمسية

مستقبل الطيران: كيف يمكن للطائرات الهوائية أن تُصبح

ومع بحث صناعة الطيران عن سبل لخفض آثار الكربون، ظهرت الطائرات ذات الطاقة الشمسية كمسار واعد نحو الطيران المستدام، وعلى عكس الطائرات التقليدية التي تعتمد على الوقود الأحفوري، فإن هذه الطائرات تجني الطاقة من الشمس باستخدام الخلايا الفوتاتية المثبتة على أجنحتها وأجهزة التبريد، ولكن الاستيلاء على الطاقة الشمسية لا يزال نصف المعركة؛ ويحتاج البقاء في الهواء لفترات طويلة إلى كفاءة هندسية استثنائية خلال العقد الماضي.

أساسيات الطائرات الهوائية للطائرات الشمسية

إن الديناميكا الهوائية هي دراسة كيفية تدفق الهواء فوق جسم ما وحوله، أما بالنسبة لأي طائرة، فإن الهدف هو رفع الحد الأقصى من الجر إلى الحد الأدنى مع تقليله إلى أدنى حد، وفي طائرة تعمل بالطاقة الشمسية، فإن هذا التوازن بالغ الأهمية لأن كل قطعة من الطاقة التي توفر على التغلب على الجر يمكن أن تعاد توجيهها إلى شحن البطاريات أو تشغيل المحرك، والمبادئ الأساسية هي نفس المبادئ التي تتطلبها الطائرات التقليدية، ولكن قيود الطيران الشمسي تتطلب كفاءة قصوى.

وللدراج عنصران رئيسيان: الجر الطفيلي )بسبب شكل الطائرة وسطحها( والسحب المستحث )بسبب دودة الجناح التي تنتج عن الرفع( - بالنسبة لطائرة شمسية تطير ببطء على ارتفاعات عالية، فإن الجر المسبب له هو شاغل رئيسي، ولذلك يركز المهندسون على أجنحة عالية الخطورة - طويلة وملموسة، مما يقلل من سرعة السحب بسبب انتشار مصعد أزدحمى.

أما نسبة الانتقال إلى الدراجة (L/D) فهي قياس أداء رئيسي، إذ حققت الطائرات الشمسية مثل الإنفلوز 2 نسبة L/D تبلغ حوالي 33، أي أنها لم تصادف سوى 1/33 كحد من الرفع، وبالمقارنة، فإن شركة الخطوط الجوية النموذجية لديها موقع L/D من حوالي 18 إلى 20 في الرحلات السياحية، ولتصل إلى هذه المستويات، فإن المصممين يرتدون كل خلية من الصمامات الأرضية، حتى من صمامات الجناح.

الابتكارات الأخيرة في مجال التصميم الأيرودينامي

وقد أدى الضغط على الكفاءة المتزايدة إلى موجة من الابتكارات في المواد، وأجهزة قياس أجنحة الطائرات ونظم التحكم، مما يتيح للطائرات الشمسية أن تطير أطول، وأن تحمل مزيدا من الحمولة، وتعمل في طائفة أوسع من الظروف الجوية.

ارتفاع مستوى الأطقم الجوية والتصويب بالجو

إن أكثر سمات الطائرات الشمسية الحديثة ذهاباً من حيث البصر هي جناحها الهائل مقارنة بتركيبها، فقد كان للمنشور الثاني من طراز سولار، على سبيل المثال، جناحاً يبلغ 72 متراً، أوسع من الطائرة البوينغ 747، ولكنه لا يزن سوى 300 2 كيلوجرام، وهذه النسبة من الجانب المتطرف (المقسمة بمتوسط المضغ) تقلل من الجر المسبب للإصابة، غير أن هذه الأجنح الطويلة تحافظ على الفلور.

كما أن اختيار الطائرات الهوائية يؤدي دورا رئيسيا، إذ تستخدم الطائرات الشمسية عادة أجهزة الموجات الهوائية التي تحافظ على تدفق الهواء المرفوع على جزء أكبر من الجناح، مما يقلل من جر الحرق الجلدي، وتستخدم ديناميات السوائل الحاسوبية لضبط شكل الهواء لضبط أرقام الريدب المحددة التي تصادف بسرعة بطيئة وارتفاعات عالية، على الرغم من أن بعض التصميمات تتضمن أجهزة مضافة مخففة أو مخففة.

تركيبات وتركيبات الوزن الخفيف

وكل كيلوغرام من الكيلوغرامات التي يتم توفيرها في الوزن الهيكلي يقلل من الرفع المطلوب، مما يسمح بخفض أجنحة أصغر وسحب أقل، أما البوليمر المعزز من الألياف الكربونية فهو الآن معيار في بناء الطائرات الشمسية، وهذه المواد تمثل نسبة ممتازة من القوة إلى الوزن، ولكنها تطرح أيضا تحديات في التصنيع والإصلاح، وتشمل التطورات الأخيرة استخدام التركيبات المركبة الحرارية التي يمكن أن تذوب وتصلح، مما يجعلها أسهل في البحث.

وثمة ابتكار هيكلي آخر يتمثل في استخدام الترسبات الهوائية التي تصمم على المكبس بحيث يتحول الجناح إلى درجة مفيدة تحت الحمولة، مثلاً يمكن تصميم جناح يلتوى أثناء الرحلة، أو يقلل من رفعها في المناطق المضطربة أو تفريغها عندما تضرب الضواحي، وهذا التكييف السلبي يحسن نوعية ركوب الطائرات ويقلل من حجم الحمولات، مما يسمح بالهياكل الأيسر.

سطح المراقبة المتقدمة ومراقبة الرحلات

ونظرا لأن الطائرات الشمسية تتدفق عن بعد أو بشكل مستقل في كثير من الأحيان لمدة طويلة، فإن نظم المراقبة يجب أن تكون فعالة للغاية، فالأيكار التقليدية والزبابات يمكن أن تسبب جرا كبيرا عند الانكماش، وتستخدم التصميمات الجديدة الدفع الكهربائي الموزع أو أسطح التحكم الصغيرة المتعددة التي يمكن تعديلها تدريجيا مع الحد الأدنى من عقوبة السحب، وبعض المفاهيم تستخدم ذيل الطين أو الزبدة الذي يجمع بين القذف والتحكم في سطح واحد.

كما تطورت برامجيات مراقبة الرحلات الجوية، ويمكن للخرافيم التكيفية أن تعدل الانكماشات السطحية في الوقت الحقيقي استنادا إلى التغذية المرتدة من أجهزة الاستشعار، وأجهزة التذبذب، وتعويضات تغير ظروف الطيران، مما يسمح للطائرة بأن تحافظ على الرتل المثلى وأن تقلل من الجر دون تدخل بشري، كما أن إدماج الألواح الشمسية في سطح الجناح يؤثر على طبقة الحدود المحلية؛ وبعض التصميمات تجسد الخلايا عمدا.

التحديات في مجال التصميم الجوي للطيران الشمسي

وعلى الرغم من هذه الابتكارات، لا تزال هناك عدة تحديات أساسية، فالطائرات الشمسية تعمل على حافة ما هو ممكن من الناحية التقنية، مما يتطلب من المهندسين أن يوازنوا بين المطالب المتنافسة.

تخزين الطاقة وإدارة الطاقة

إن الشمس لا تشرق في الليل، وحتى خلال اليوم، يمكن للسحب أن تقلل من العزل، ولكي تطير خلال الليل، يجب على الطائرات الشمسية أن تخزن فائض الطاقة في البطاريات، ووزن البطاريات هو قيد حرج: فكل كيلوغرام من البطاريات يتطلب رفعا إضافيا، مما يتطلب بدوره مزيدا من المساحة وسحبا أكبر، ويجب على الميكانيكيين الهوائيين العمل عن كثب مع مهندسي البطاريات لتحقيق أقصى قدر من الوعود.

كما تؤثر إدارة الطاقة على الديناميكية الهوائية، وعندما تتغير مصارف الطائرات، تغير زاوية الهجوم عبر النطاق، وتغيير ضوء الشمس المحلي للحادث، بعض المفاهيم البحثية تقترح تعديل شكل الجناح لمواءمة الخلايا الشمسية بشكل مباشر أكثر مع الشمس، ولكن هذا يزيد من تعقيدات ووزن ميكانيكية، وتعتمد أنجح التصميمات، مثل الطائرة الزفيرية، على خلايا شمسية تغطي تقريبا سطح الجناح الأعلى وميزانية طاقة دقيقة.

التغير الطقسي والغلاف الجوي

فالطائرات الشمسية تطير عادة في الستراتوسفير، فوق الطقس، لتجنب الغيوم والاضطرابات، ولكن يجب عليها أن تتعامل مع مسارات الطائرات، ودرجات الحرارة، واضطرابات الهواء النظيف، وعلى ارتفاع عال، فإن الهواء ضعيف، ويتطلب ارتفاعا حقيقيا أعلى في سرعة الارتفاع، ويزيد من آثار ارتفاعات الذرة، حتى في سرعة متوسطة، ويمكن أن يؤدي إلى حدوث تحدٍ في سرعة التصاميم العالية.

كما أن التأثيرات الحرارية هامة، ويمكن للأجنحة أن تسخن بشكل كبير تحت الشمس، مما يؤدي إلى التوسع الحراري الذي يغير شكل الهواء، والمواد المركبة ذات معامل توسّع حراري منخفض، ولكن الروابط المتوهجة والهواتف الشمسية يمكن أن تتحلل، وبعض التصميمات تتضمن التبريد النشط عن طريق تداول السوائل عبر الجناح، ولكن هذا يزيد من الوزن والتعقيد.

حدود الهياكل الأساسية وفولتر

أجنحة العجلات الطويلة من الطائرات الشمسية عرضة للتذبذب الخطير الذي يمكن أن يحدث عندما تكون القوى الهوائية مقترنة بالهزات الهيكلية، يمكن للمهندسين أن يدمروا الجناح خلال ثواني، ويجب أن يصمموا بعناية توزيع التذكير المتجمد والتوازن الجماعي لضمان أن سرعة التدفق أعلى بكثير من مظروف الطيران، ومواد التفكيك المتحركة، وأسطح الناشطة

الاتجاهات المستقبلية: الجيل القادم من الطائرات الشمسية

وفي المستقبل، تعد عدة تكنولوجيات ناشئة بزيادة أداء الطائرات الشمسية، وتركز هذه الابتكارات على جعل الأجنحة أكثر ذكاء وأكثر قابلية للتكيف وأكثر كفاءة.

هياكل الدفن والعصبة التصحيحية

كما أن الأجنحة الثابتة تمثل حلا وسطا؛ وهي تُحدَّد إلى أقصى حد لحالة طيران واحدة، كما أن أجنحة الدفن التي يمكن أن تغير خامتها أو نطاقها أو تلتف في رحلاتها ستتيح للطائرات الشمسية أن تؤدي بكفاءة في مختلف السرعة والارتفاعات والحمولات، كما أن الباحثين في ناسا وجامعة ميتشيغان يقومون بتطوير أجنحة " ذكورية " مع مُث مُثِّرة تُتُتَتَتَتَتْتَتْتْتْتَتْتْتَتَتْتَتَتَتَتَتْتْتْ.

مراقبة الخيوط وتدفقها النشط

وثمة مجال آخر من مجالات البحث المكثف هو مراقبة طبقة الحدود، إذ يمكن للمهندسين، عن طريق الحقن أو حرق الهواء من خلال فتحات صغيرة في سطح الجناح، أن يحتفظوا ببطولة التدفق على جزء أكبر من الجناح، مما يقطع مسارات الجلد بنسبة 10 إلى 30 في المائة، وقد تختبر الطائرة الشمسية، وهي مشروع من إعداد جامعة ستوتغارت، نظما للتشفير على نموذج، غير أن الطاقة اللازمة لتشغيل نظم الميكانيكية المتقدمة يمكن أن تعوض عن الحد من الاختراق.

إن محركات البلاط هي تكنولوجيا واعدة أخرى، إذ تستخدم هذه الأجهزة كهروود عالية الحركة لتأيين طبقة رقيقة من الهواء قرب الجناح، مما يولد قوى جسمية يمكنها أن تبعث تدفقا منفصلا، وليس لديها قطع متحركة، ووزن خفيف، ويمكن أن تتحول بسرعة، وفي حين أن المحركات التجريبية، يمكن أن تحل محل المصابيح التقليدية والجزر الخفيفة من أجل السيطرة الفعالة.

التصميم والتفعيل الفعلي للنظم

(ب) يمكن للشبكات العصبية التي تم تدريبها على بيانات الـ (CFD) أن تستكشف بسرعة آلاف أشكال الأجنحة لإيجاد تشكيلات مثلى، أما بالنسبة للطائرات الشمسية، فيمكن أن تُحسّن النظام بأكمله: الهندسة المأخوذة من أجنحة، والتنسيب باللوحات الشمسية، ووزن البطاريات، وقوانين التحكم في المركبات مثل [FLT:]

دراسات الحالة: طائرة سولار التي قامت بتطهير الحدود

ولفهم أثر الابتكارات الهوائية، من المفيد النظر إلى طائرات محددة وضعت سجلات أو قدمت ميدانا.

النسيج الشمسي 2 - القفزة حول العالم

في الفترة من عام 2015 إلى عام 2016، حقق (سولار إيمبلس 2) تاريخاً بالطيران حول العالم بدون أي وقود، وكان تصميمه الهوائي محورياً لهذا الإنجاز، كما أن أجنحة الطائرة التي تبلغ مساحتها 72 متراً استخدمت هيكل ألياف الكربون التي تبلغ قيمتها 300 2 كيلوجرام فقط، وقد صممت أجهزة التحكم في الهواء لتدفقات منخفضة السرعة (نحو 30 إلى 50 كيلومتراً يومياً) وقد لاحظت الطائرة الرائدة أن المسافة

NASA Pathfinder, Helios, and the Lessons Learned

(الطائرة و تكنولوجيا الاستشعار) التي قامت بها (ناسا) إنتاج سلسلة من أجنحة الطيران ذات الطاقة الشمسية (باثفيندر) و(باثفيندر) و(هيليوس) و(هيليوس) و(هيليوس) التي بنيت بواسطة (آيرفوننت) كان لديها جناح من 75 متراً وصممت لترتفعات فوق 98 قدماً

Airbus Zephyr — The Stratospheric Endurance Record Holder

إنّ (جوبس زيفير) طائرة بدون طيار ذات وزن خفيف، تحمل سجلاً للهبوط غير الوقودي، أكثر من 42 يوماً في الغلاف الجوي خلال رحلتها التجريبية 2022، تصميمها الهوائي يُشدّد على النور الشديد ونسبة عالية الجانب، وجهاز (زيفير) للأجنحة هو 25 متراً، لكن وزنه هو 75 كيلو متراً، وهو يستخدم أجنحة عالية الجودة

الخلاصة: رأس الطريق للطيران الشمسي

ولا يزال التصميم الهوائي هو حجر الزاوية في الرحلات التي تعمل بالطاقة الشمسية، وبدون كفاءة استثنائية، لن تكون الطاقة التي تستخرج من الشمس كافية لإبقاء طائرة تحلق في الليل أو ضد الرياح الأمامية، ولا تزال الابتكارات التي وصفتها هذه المادة أجنحة من الطراز العالي، ومركبات الوزن الخفيف، ونظم التحكم المتقدمة، وهياكل التموين، والتفاؤلات الجوية التي تحركها آي تحفز على مواجهة الاضطرابات الكبيرة.

ومن المرجح أن يشهد العقد القادم تقارب الطائرات الشمسية مع التكنولوجيات الأخرى، مثل خلايا الوقود الهيدروجيني وجني الطاقة الريحية العالية الارتفاع، كما أن الدروس المستفادة من تصميم الطائرات الشمسية تجد طريقها إلى الطيران التقليدي، حيث تؤدي تصميمات الطائرات المروحية والهياكل المركبة والضوابط التكييفية إلى الحد من استهلاك الوقود، والرؤية النهائية هي عصر الطيران المستمر الذي لا يمكن أن يوفر الربط الشبكي بين الإنترنت والرصد البيئي والإغاثة في حالات الكوارث دون حرق الوقود الأحفوري.

For further reading, the Solar Impulse Foundation] continues to promote clean technologies, while organizations like the ]NASA Aeronautics Research Mission Directorate fund cutting-edge research in aerodynamic efficiency. As materials science and computational tools advance, the skyes soon