دور الاختبار البيئي في التصديق على المركبات الجوية غير المأهولة

مقدمة

أما المركبات الجوية غير المأهولة، التي يشار إليها عادة بالطائرات المسيرة، فقد انتقلت من أدوات هوائية متخصصة إلى أصول لا غنى عنها في مجالات الزراعة، والتفتيش على الهياكل الأساسية، واللوجستيات، والسلامة العامة، والرصد البيئي، حيث إن نطاقها التشغيلي يتسع ليشمل تطبيقات متزايدة التعقيد ولأهمية، فإن الحاجة إلى عناصر مثبتة للسلامة، والموثوقية، والصلاحية الجوية، تؤدي، فيما يتعلق بالعمليات التجارية أو قبولها من جانب سلطات الطيران، إلى حد كبير، هي:

ويحاكي الاختبار البيئي كامل نطاق الظروف التي سيواجهها المركب أثناء حياته في الخدمة - من حرارة صيف صحرى إلى ارتفاع متجمد في بعثة عالية الارتفاع، من الرطوبة الوطيدة في بيئة ساحلية إلى الاهتزازات المتولدة من اختبارات النقل والهبوط المتكررة، وبدون مثل هذه الاختبارات، فإن الطائرة التي تقوم بعملات غير مباشرة في مختبر متحكم في المناخ قد تفشل في

Understanding Environmental Testing for UAVs

والاختبار البيئي هو العملية المنتظمة لكشف طائرة فوق طيار، بما في ذلك جهازها الجوي، ونظام الدفع، والملاحين، والضغط على الإجهاد الذي يتحكم فيه والتي تعمل في بيئات تشغيل العالم الحقيقي، والهدف هو تحديد أساليب الفشل في مرحلة مبكرة من مراحل التصميم، والتحقق من أن النظام يفي بمعايير محددة للأداء تحت الضغط، وتوليد بيانات يمكن تقديمها إلى سلطات التصديق كجزء من الموافقة على تصميم نوع ما أو الإذن التشغيلي.

ويجرى الاختبار عادة في غرف متخصصة يمكنها أن تتكاثر درجات الحرارة القصوى، ومستويات الرطوبة، وآثار الارتفاع، وملامح الاهتزاز، والتنبؤات، وبعض الاختبارات، مثل تقييمات النفق الريحي أو اختبارات التكسير المفتوحة، تتطلب مرافق مخصصة، وتقضي فترة الاختبارات ومدتها على ضوء التشغيل الذي ينوي تشغيله الساتل UAV، على سبيل المثال، على أن تكون الطائرة الزراعية المصممة للبحث عن السلاسل في القطب الشمالي.

ولا تحدد الهيئات التنظيمية مثل إدارة الطيران الاتحادية بالولايات المتحدة ووكالة سلامة الطيران التابعة للاتحاد الأوروبي طريقة اختبار عالمية واحدة، بل تعتمد على معايير توافقية في مجال الصناعة مثل المعايير التي وضعتها الرابطة الدولية لصناعة النقل الجوي، ووزارة النقل الجوي، ووزارة الدفاع الأمريكية، وتشترط على المصنعين أن يثبتوا أن برنامجهم التجريبي يغطي جميع الظروف البيئية ذات الصلة على نحو كاف، ولذلك فإن خطة اختبار بيئية شاملة تشكل حجر الزاوية لأي شهادة ذات مصداقية.

العوامل البيئية الحرجة وتأثيرها

ويشدِّد كل عامل بيئي على مستوى القيمة المضافة للمركبات بطرق مختلفة، وتفصِّل الأقسام الفرعية التالية أهم العوامل والآليات التي تؤثر من خلالها على أداء المركبات غير المأهولة، والبروتوكولات النموذجية المستخدمة للتحقق من القدرة على التكيف.

المرحلة القصوى

ويؤثر التدرج في كل نظام فرعي تقريباً من بطاريات البوليمرات فوق البنفسجية - الليثيوم - يفقد القدرة والكفاءة في تصريفها في ظروف باردة، مما قد يؤدي إلى فقدان القدرة في وقت مبكر، وعلى العكس من ذلك، فإن ارتفاع درجات الحرارة يعجل ردود الفعل الكيميائية ويقلل من عمر دورة البطاريات ويزيد من خطر الركض الحراري، وقد تحدد المكونات الإلكترونية نطاقات درجات الحرارة التشغيلية؛ وقد تتجاوز هذه العوامل أو شبه الموصلات أو المفاصلبة قد تنهار.

Thermal testing typically involves a sequence of high —temperature and low —temperature exposures, often combined with operational cycles. For example, a UAV may be required to cold —soak at -40°C for several hours, then perform a full flight profile inside the chamber. similar, a hotsoak at +60°C with solar radiation simulation tests the ability of the airframe and payload to function without overheating.

الهضم والرطوبة

ويمكن أن يؤدي ارتفاع الرطوبة إلى تقلص داخل الضيوف المختومة، مما يؤدي إلى تآكل الاتصالات المعدنية، والدوائر القصيرة، وتدهور السندات اللاصقة، ويمكن لاستيعاب الضبط في المواد المركبة أن يقلل من القوة الهيكلية ويزيد من الوزن، وفي الحالات القصوى، يمكن أن تسبب التراجع في المياه إلى متحكم الطيران أو الوحدة الإذاعية خسارة كاملة في السيطرة.

ويعرض اختبار الرطوبة ارتفاعاً في مستويات الرطوبة النسبية بنسبة 95 في المائة أو أعلى على مدى فترات ممتدة، وكثيراً ما يكون ذلك مع التركيز على درجة الحرارة لحفز التكثيف.() وكثيراً ما يؤدي اختبار الخيوط - الذي يُطفي على الطائرة بدون طيار في غرفة ضغط أو إلى إحداث فراغ في سلامة الأختام والغازات.() وكثيراً ما يضيف المصانعون للمركبات غير المرخصة التي تُستخدمة في العمليات البحرية أو المدارية أثراً على اختبارات الملحية (انظر أدناه).

الرياح و التراب

إن قدرة الطائرة فوق طيار على الحفاظ على تحليق مستقر في رياح الغوث أمر حاسم بالنسبة لكل من السلامة وفعالية البعثة، ويمكن للرياح العالية أن تحجب سلطة التحكم في الطيران، مما يتسبب في فقدان الموقع أو الانجراف غير المرغوب فيه أو حتى التحطم، ويمكن للتوربول أن يحفز على حدوث تذبذبات هيكلية تُعدُّ عناصر دهنية أو قراءات استشعارات مستاءة.

ويجري تقييم المقاومة الفائزة من خلال محاكاة السائل المحوسب والرياح، ويجب على الصانع، أثناء التصديق، أن يحدد أقصى سرعة الرياح المثبتة والتسامح مع الغواصات، التي يُعبر عنها عادة كحد أقصى للريح المستمرة والحد الأقصى للثعلاقات، ويشمل الاختبار التحليق بالطائرة فوق البنفسجية في نفق رياح متحكم فيه أو استخدام موقع اختبار خارجي مجهز بمسافات حرارية، مع زيادة سرعة الرياح تدريجيا إلى أن تستنفد الحد الأقصى من الحدود التشغيلية.

التهطال والتهوية

فالطران والثلج والجليد يمثلان تهديدات فورية ومتراكمة، ويمكن أن يتدخل المطر في الديناميكية الهوائية للوقود، وأنبوب الفتح (استشعار سرعة الهواء)، ووصلات كهربائية قصيرة المدى، ويضيف تراكم الرؤوس وزناً ويحول مركز الجاذبية، ويزيد تراكم الجليد على الأجنحة والدوارات، ويتحكم في المحركات السطحية.

ويجرى اختبار التهطال باستخدام أزواد رذاذ الماء الممتحنة لتصويب معدلات محددة من سقوط الأمطار (مثل 4 بوصات في الساعة)، ويُجرى تشغيل المركبة فوق البنفسجية أثناء وبعد الرذاذ للتحقق من استمرار العمل، وتزداد الاختبارات تعقيدا: فهي تتطلب نفقاً متحركاً أو بيئة كهرباء طبيعية حيث تتجمد قطرات المياه فوق الكبريت عند الاتصال بالإطار الجوي.

اليقظة، الأحذية، الإجهاد الميكانيكي

ويختبر كل مركبة من طراز UAV تهوية من محركاتها ومدافعها وردها على التدفق الجوي، ويمكن أن تخضع عمليات النقل والهبوط الخام والمناولة للصدمات الميكانيكية، ويمكن أن تخفف من الزمان، أو تزيل الأسلاك الدهونية، أو مفاصل التحلل، مما يؤدي إلى إخفاقات متقطعة.

(أ) اختبارات الحرق تتبع مواصفات موحدة تستنسخ بيئة الاهتزاز التي تطبع موقع الطائرة فوق البنفسجية (مثلاً على ذراع متعدد الأطقم أو داخل صمام ثابت) وتوضع الطائرة بدون طيار على مصافٍ كهربائي وتخضع لاهتزازات عشوائية أو مُنشارية على نطاق التردد (المتوسط 5-2000 Hz).

الإشعاع الشمسي والعرض فوق البنفسجي

(ج) التعرض المطول لضوء الشمس، ولا سيما الإشعاع فوق البنفسج، واللدائن المتدهورة، والمركبات، والمعاطف، والذرات، ويمكن أن يتسبب ضوء الشمس في تفكك، وتشهير، وفقدان القوة، وانخفاض شفافية عدسات الكاميرات ونوافذ الاستشعار، وبالنسبة للمركبات غير المأهولة التي تستخدم في العمليات الخارجية لفترات طويلة (مثلاً، عناصر المراقبة الطويلة الأجل).

وتشمل اختبارات الإشعاع الشمسي وضع المركبة فوق البنفسجية في غرفة مجهزة بمصابيح عروقية عالية الدقة تحفز الطيف الشمسي الكامل، وتخضع الطائرة بدون طيار لفترات التعرض الثابتة والمتكرر، التي غالبا ما تكون فيها درجة الحرارة والرطوبة في دورات الديونية المتوسطة، ويمكن أن تتراوح مدة الاختبار بين عدة مئات وأكثر من ألف ساعة، تبعا لعمر الخدمة المتوقع.

Salt Fog and Corrosive Environments

وبالنسبة للمركبات غير المصفحة العاملة في المناطق الساحلية أو البيئات البحرية أو البيئات الزراعية التي تتعرض فيها للرش الجوي أو الكيميائي بالملح، فإن التآكل يشكل خطراً كبيراً على الفشل، إذ أن الضباب الملحي يعجل التآكل الجاف بين الفلزات المتفرقة، وحفر أسطح الألمنيوم، وتدهور الاتصالات الكهربائية، ويجب أن تظهر مقاومة الزلق التي تُنشر في إطار البحث البحري أو عوامل الرش.

ويجري اختبار حمض السلف وفقا لمعايير مثل [(FLT:0])ASTM B117]، الذي يخضع للأشعة فوق البنفسجية إلى حجرة رش ملح مستمرة لمدة محددة (مثل 48-96 ساعة) وبعد التعرض، يتم تفتيش الطائرة بدون طيار للتآكل، ووظيفية الأجزاء المتحركة، والاستمرارية الكهربائية، وقد يتبع ذلك اختبار إضافي في حجرة الرطوبة لتقييم آثار الحرق الطويلة الأجل.

عملية التصديق وإطار التنظيم

والاختبار البيئي ليس نشاطاً معزولاً - بل هو جزء من عملية اعتماد منظمة تشمل استعراض التصميم والتحليل والتوثيق، وتختلف الاحتياجات المحددة حسب الولاية القضائية وحجم ووزن وإستخدامه المقصود، ولكن المبادئ متسقة: يجب على الصانع أن يثبت أن تصميم نظام الرصد والتحقق المستمر قوي بالمقارنة مع الظروف البيئية التي سيواجهها.

FAA و Part 107 / Type Certification

وفي الولايات المتحدة، تنظم هيئة الطيران المدني الطائرات الصغيرة العاملة فوق البنفسجية )دون ٥٥ جنيها( في المقام الأول بموجب الباب ١٠٧، الذي يتطلب من المشغلين الامتثال للقيود التشغيلية والحفاظ على الطائرة في حالة صالحة للطيران، أما بالنسبة للعمليات التي تتجاوز الباب ١٠٧، مثل الرحلات الجوية فوق الناس، أو في حالة غير البصر، أو في حالة الليل - كثيرا ما تتطلب وكالة الطيران الاتحادية إعفاء أو إعفاء، ويجب أن يقدم مقدم الطلب أدلة على الاختبارات البيئية.

وبالنسبة للمركبات الجوية فوق البنفسجية الكبيرة أو التي تسعى للحصول على شهادة من النوع (ما يعادل شهادة الطائرات المأهولة)، تتبع وكالة الطيران الاتحادية التوجيه في المنشورين الاستشاريين 21 - 16 والأمر 8130-34، ويجب على الصانع أن يقدم خطة تصديق تشمل برنامجا كاملا للتأهيل البيئي.() ويوفر مكتب التكامل بين الدول الأعضاء في وكالة مصائد الأسماك في أمريكا اللاتينية موارد إضافية ووثائق إرشادية لمساعدة المصنعين على الملاحة في العملية.

النظام الأساسي للسوق المشتركة لشرق أفريقيا والجنوب الأفريقي والنظام الأوروبي

ويرد الإطار التنظيمي للمركبات غير المأهولة في اللائحة (EU) 2019/945 (بشأن تصميم وتصنيع الطائرات غير المأهولة) و(EU) 2019/947 (بشأن القواعد التشغيلية) وتصنف هذه القواعد المركبات على فئات (C0 من خلال C4) استناداً إلى المخاطر، مع متطلبات تقنية مقابلة، ويشترط صراحة إجراء اختبارات بيئية لفئات أعلى درجة من المخاطر: مثلاً، ينبغي أن تحدد درجة حرارة كل ثلاثة من 25 درجة

كما تدعم الرابطة فئة " محددة " للعمليات التي تتطلب تقييماً للمخاطر التشغيلية، وفي هذه الحالات قد يحتاج الصانع إلى إعلان مطابقته للمعايير مثل سلسلة القواعد الأوروبية 4709 أو تقديم أدلة من مختبرات الاختبار المستقلة، وتقدم بوابة ] التابعة للوكالة الدولية للطاقة الذرية معلومات مفصلة عن المعايير المنطبقة وعملية التصديق.

معايير الصناعة: ASTM F3206, RTCA DO‐160, and MILINSTD810

وتوفر عدة معايير صناعية الأساس التقني للاختبار البيئي للمركبات غير المأهولة، وتوفر المنظمة الدولية لآلات النقل الجوي (ASTM) [(FLT:0]) F3206 معيارا، " دليل السرد للاختبار البيئي لنظم الطائرات غير المأهولة " مجموعة شاملة من أساليب الاختبار تغطي درجة الحرارة والرطوبة والأمطار والريح والتكرار والصدمة والإشعاع الشمسي المتوسط.

وبالنسبة للعناصر والملاحين، كثيرا ما يتحول المصنعون إلى RTCA DO‐160]، " الظروف البيئية وإجراءات الاختبار الخاصة بالمعدات المحمولة جوا " ، رغم أن هذه المعدات أنشئت أصلا للطائرات المأهولة، فإن أقسامها المتعلقة بالحرارة والارتفاع واليقظة والرطوبة تنطبق مباشرة على النظم الفرعية للطائرات فوق سطح البحر.

MILINSTD —810], a U.S. Department of Defense standard, provides an even broader set of environmental tests, including procedures for gunfire vibration, explosive atmosphere, and biological growth. While not mandatory for commercial UAVs, military and‐ defenseoriented drones routinely use MIL-STD — — —8,810 test profiles to ensure survivability in harsh conditions.

فوائد الاختبار البيئي السريع

ويحقق الاستثمار في الاختبار البيئي الشامل فوائد لجميع أصحاب المصلحة في النظام الإيكولوجي للأشعة فوق البنفسجية.

للمصانع

ويقلل التحديد المبكر لمواطن الضعف في التصميم من الفشل الميداني المكلّف، ويذكّر بأن اختبار البيانات يوجّه اختيار المواد، وتصميم الفقمات، والإدارة الحرارية، والتدعيم الهيكلي، ويبني برنامج اختباري موثق جيدا الثقة مع المنظمين، ويمكن أن يعجل بخطى التصديق، ويمكّن من الدخول إلى الأسواق بسرعة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الجهات المصنعة التي يمكن أن تثبت الامتثال للمعايير المعترف بها كثيرا ما تتمتع بميزة تنافسية في عمليات الشراء التجارية والحكومية.

للمشغلين والمستعملين النهائيين

ويكتسب العاملون ثقة بأن الطائرة الحربية ستؤدي بشكل موثوق في الظروف الفعلية لبعثاتهم - سواء كانت رحلة جوية متطورة للمحاصيل تحت الشمس المشتعلة، أو تفتيش جسر في نسيم ساحلي، أو عملية بحث وإنقاذ في عاصفة ثلجية جبلية، ويقلل خطر الفشل في الطيران من أقساط التأمين، ويحسن سلامة الموظفين الأرضيين، ويعزز البنية التحتية الحساسة، ويعززها.

خاتمة

إن الاختبار البيئي هو أكثر بكثير من عملية فحص مربع في عملية التصديق على المركبات غير المأهولة، وهو تخصص صارم ومحرك للبيانات يتأكد من قدرة الطائرة بدون طيار على البقاء والوظيفة في العالم الحقيقي، ومن خلال محاكاة درجات الحرارة، والرطوبة، والريح، والأمطار، والتشهير، والصدمة، والإشعاع الشمسي، والبيئة الدامغة، والمصانعون الذين لا يغطون سوى نقاط الضعف، ويحصلون على ضمانات من الأجهزة.