كيف يمكن للتصميمات المتحركة التعجيل بالإنتاج والتعريف

إن طائرات التقاط الكهرباء والهبوط الكهربائية هي على استعداد لتغيير حركة الطيران في المناطق الحضرية، مما يتيح نقلا أسرع وأنظف وأكثر مرونة عبر المدن المكتظة وممرات الضواحي، وفي حين أن المتظاهرين المبكرين كانوا يُعنون إلى حد كبير، وتصميمات مبنية اليد، فإن المسار إلى القدرة على البقاء تجاريا يتوقف على كفاءة التصنيع والقدرة على التكيف، ومن بين أكثر الاستراتيجيات واعدة لتحقيق كلا من اعتماد مبادئ موحدة لتصميم التموديل.

ما هي تصميمات الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "مـوسـمـيـل

وتشمل تصميمات نظام eVTOL النموذجي تشييد طائرات من وحدات نموذجية مفصّلة وموحدة يمكن تجميعها أو مبادلة أو تحديثها بصورة مستقلة، خلافا للأطر الجوية الأحادية التقليدية التي يدمج فيها كل عنصر في هيكل واحد، تفصل الطائرات الموحّدة النظم الحرجة في وحدات ذاتية الاحتواء، وتشمل الوحدات النموذجية ما يلي:

• وحدات البرمجيات - محركات كهربائية متكاملة، أو مراوح محمولة، أو مروحات ذاتية هيكلية خاصة بها وأجهزة أسلاكها.
• Energy storage modules] — bats or hybrid fuel cells that can be hot-swapped or replaced as bat technology developments.
• Payload modules] — interchangeable cabins, cargo bays, or mission-specific compartments that clip into a common fuselage.
• Avionics and flight control modules] - ما سبق اختباره من صناديق سوداء تعالج الاستشعار والحساب وإدارة التجاوزات.
• وحدات هيكلية - أجنحة، وازدهار، وأقسام مخلفة، ومعدات هبوط يمكن إنتاجها بصورة مستقلة وتعبئة معاً.

وهذا النهج المعماري يقترض بشدة من تقاسم المنصات الآلية وتصميمات الفضاء الجوي المتحركة مثل فروع التعبئة المشتركة للأسرة A320، وفي الحيز الإلكتروني للمركبات، أكدت شركات مثل Lilium و] فولوكوبتر استراتيجيات إنتاجية رئيسية على الملأ.

أهميـة التصميم النموذجي

الإنتاج السريع والقدرة على التصعيد

أما الوحدات الموحدة المنتجة على نطاق واسع فيؤدي إلى تخفيض الوقت الإجمالي للتجمع لكل طائرة، فبدلا من خط إنتاج واحد يتم فيه نسيج كل جزء وتكامله بالتسلسل، يمكن للمصنعين أن يعملوا خطوطا متعددة - واحدة لوحدات الدفع، وثالث لمجموعات البطاريات - وأن يجمعوها معا في محطة تجميع نهائية، وهذا النهج الموازي يعكس نظم تصنيع الطائرات التي تستخدمها تيسلا وتويموتا، ويمكِّن في وقت واحد من إنتاج نماذج أعلى بكثير.

وعلاوة على ذلك، فإن نظام الوحدات يتيح للمصنّعين أن يتعاقدوا من الباطن على إنتاج وحدات التعاقد من الباطن مع موردين متخصصين، ويمكن لمورد نموذج الدفع المكرس أن يعمل، مع ما لديه من الهندسة المركزة ومراقبة الجودة، أن يُبلغ بذلك النظام الفرعي أكثر فعالية بكثير من نظام تكاملي يبني كل شيء من الصفر، وهذا النظام يعجل من منحنى التعلم الإنتاجي الإجمالي ويخفض النفقات الرأسمالية لكل وحدة.

تعزيز التقليد

وربما كانت أفضل ميزة يمكن تسويقها في تصميمات نظامية للشبكة الإلكترونية للمركبات الإلكترونية هي القدرة على تبادل وحدات الحمولة الخاصة بالبعثة إلى نفس الإطار الجوي الأساسي، ويمكن تشكيل نفس منصة الرفع العمودي لنقل الركاب مع مقصورة مريحة من خمس طوابق، وتحويلها إلى طائرة شحن بدون طيار ذات طاقات عالية، أو تكييفها للإجلاء الطبي مع وحدة نقالة، مما يقلل من عدد أنواع مشغلات الطائرات الفريدة.

ويمتد نطاق الاستخدام إلى ما هو أبعد من الحمولات، ويمكن للمشغلين اختيار نماذج مختلفة للبطارية تُستخدم على النحو الأمثل في النطاق مقابل الحمولة، أو وحدات الدفع المصممة لخفض الضوضاء مقابل كفاءة المواسير، وفي المستقبل، يمكن أن تتيح الوحدات المحددة للبرامجيات للمشغلين الاتصال بخصائص الأداء بعد مغادرة الطائرة المصنع.

الصيانة والترفيع المبسطان

فالتصميمات النموذجية تقلل كثيرا من الوقت المنفق على الصيانة غير المقررة، وبدلا من تفكيك فني نصف الإطار الجوي للوصول إلى بطارية مغلفة، يمكن عدم استخدام كامل وحدة البطاريات والاستعاضة عنها في دقائق، وبالمثل، يمكن تحويل وحدة المروحيات ذات الصمامات الدودية إلى وحدة جديدة، بينما ترسل الوحدة القديمة إلى مركز خدمات لإعادة التأهيل، وهذا المفهوم " وحدة قابلة للاستعاضة " هو نموذج موحد في الطيران التجاري.

كما أن الترفيع يصبح مستقيماً، وعندما تظهر بطارية الجيل القادم بكثافة طاقة أعلى بنسبة 30 في المائة، يمكن تحويل الوحدة القديمة دون التأثير على بقية الطائرة، مما يوسع نطاق عمر خدمة الحاسوب الجوي ويتيح للمشغلين تحسين كفاءة الأسطول باستمرار دون شراء مركبات جديدة.

خفض التكاليف

ويؤدي نظام الوحدات إلى خفض تكاليف الوحدات من خلال وفورات الحجم، وانخفاض درجة تعقيد الأدوات، وانخفاض احتياجات العمل للتجمع النهائي، ويمكن إنتاج تصميم نموذجي واحد يستخدم في مختلف متغيرات الطائرات في بطاريات أكبر، وضخ تكاليف الهندسة والاعتماد، مما يجعل خدمات شبكة الإنترنت في متناول المشغلين الأصغر حجما، مما يؤدي بدوره إلى تسريع عملية اعتماد الأسواق، ووفقا لتحليل الصناعة، يمكن أن تقلل من تكاليف الإنتاج المباشر في سنة 20-30.

الأثر على الإنتاج وسلسلة الإمدادات

عملية التصنيع المبسطة

وتسمح تصميمات نظام " التعبئة واللعب " النهائي الذي تقترن فيه وحدات قياسية بالحد الأدنى من التجهيزات الجمركية، مما يقلل من الحاجة إلى تنسيق معقد ومدقق في محطة التجميع، ويمكن للمصانع أن تعتمد خطوط تجميع متحركة مماثلة لمصانع السيارات، مع إضافة كل وحدة عمل رئيسية، ويمكن أن تهبط أوقات النظافة لكل طائرة من أسابيع إلى أيام، مما يؤدي إلى تحسين الناتج بشكل كبير.

وعلاوة على ذلك، فإن مراقبة الجودة تتحسن لأن كل وحدة من الوحدات تختبر بصورة مستقلة قبل الاندماج، ولن تؤدي وحدة البطاريات التي تمر باختباراتها الخاصة في مجال البناء إلى تأخير التجمع النهائي إذا فشلت في ذلك بعد ذلك؛ وهي ترفض في مرحلة الوحدة، وهذا الفلسفة " الأولى من النظام " الجيدة إلى تخفيض معدلات إعادة العمل والخردة.

مورد للنظم الإيكولوجية

ومن الطبيعي أن يعزز النهج النموذجي نظاما إيكولوجيا لسلسلة الإمدادات تركز فيه الشركات المتخصصة على امتياز النظم الفرعية، فعلى سبيل المثال، شددت شركة مثل Beta Technologies ] على التكامل الرأسي الداخلي، ولكنها تعتمد على موردي وحدات نموذجية لمكونات البطاريات، والفيونات، والوصلات الشبكية الموحدة - التي تحددها مجموعات الصناعة مثل نظام الحد من المخاطرة أو السلع الأساسية.

تقليص الوقت إلى السوق

ويمكن أن يستغرق إصدار شهادات من نوع جديد من طراز eVTOL سنوات، حيث يمكن للمطورين، من خلال هيكل نموذجي، أن يشهدوا على قاعدة القاعدة مرة واحدة ثم يشهدوا على نماذج جديدة في إطار شهادة من النوع التكميلي أو عملية تغيير أبسط، وهذا يقلل كثيرا من الوقت اللازم لجلب نماذج مشتقة إلى السوق، وعلى سبيل المثال، يمكن التصديق على متغير الشحنات من سباق طائرات الركاب في الأشهر وليس السنوات التي يكون فيها نموذج الحمولة الرئيسي هو وحدة الشحن.

تكنولوجيات التمكين للشبكة الإلكترونية النموذجية

المواد المتقدمة

وتعد تركيبات الوزن الخفيف مثل البوليمرات المسببة للكربون ضرورية لصنع وحدات خفيفة بما يكفي للتعامل مع هذه الوحدات والربط بها دون الكتلة الهيكلية المفرطة. وتتيح الأقواس المطبعة والموصلات الجيولوجيا المعقدة التي تقلل من سرعة العد والوزن، ويتيح استخدام مركبات الحرارة السائلة السائلة السائلة الاصطناعي الاصطناعي الاصطناعي سرعة الارتباك بين الوحدات، وتبسيط التجمعات، وتفكك.

التوائم الرقمية والحياكة

ولتصميم نظام نموذجي حقيقي، يعتمد المهندسون على التوأم الرقمي - نماذج افتراضية شاملة تحفيز الوصلات الميكانيكية والكهربائية والتفاعلات الحرارية بين الوحدات.وتتيح التوأم الرقمي للأفرقة أن تُحدّد تصميمات الوصلات البينية إلى الحد الأدنى من الوزن، ونقل الحمولة القصوى، وتيسير الوصول إليها، كما تدعم وضع النماذج الافتراضية لمختلف مجموعات الوحدات، وتقليص احتياجات الاختبار المادي، وتسريع التنمية.

المعمارية المشتركة للمحيطات

ويستفيد نظام eVTOL النموذجي من من منصة مشتركة للمحيطات تعمل كجهاز عصبي مركزي، وتسمح حافلات البيانات الموحدة )مثلا، شبكة آرين 429 أو شبكات مقرها شبكة إيثريت( بأن تُعد وحدات " تخاطب " بعضها البعض دون أسلاك معتادة، ويمكن بالفعل إعادة تصميم نماذج لأجهزة الملاحة الجوية - بما في ذلك أجهزة التحكم في الطيران، وأجهزة الاتصال اللاسلكية، وأجهزة الاستشعار المشتركة.

التطبيق العملي: حالات الاستخدام

التنقل الجوي الحضري (الضرائب الجوية)

أما أكثر حالات الاستخدام وضوحا فهي خدمات سيارات الأجرة الجوية التي ترفع على الطلب، ويمكن إعادة تشكيل وحدات المركبات الإلكترونية المتنقلة بسرعة بحيث تضاهي أنماط الطلب - أي كابينة من خمسة جوازات سفر خلال ساعات الذروة، أو مقصورة صغيرة من ثلاث جوازات سفر لطرق أقساط، أو نسخة من نظام واحد للسيارات التنفيذية، كما يمكن للمشغلين أن يتبادلوا البطاريات لتوسيع نطاق الرحلات الطويلة.

النقل والإمداد

ويقيم مشغلو السيارات نظاما قياسيا لأنه يسمح لطائرة واحدة بخدمة كل من تسليم الشحنات الأخيرة والشحن الإقليمي، كما أن وحدة تبادل سريع مع مقصورات خاضعة للسيطرة على درجة الحرارة بالنسبة للمستحضرات الصيدلانية، ونموذجا آخر له حجم كبير بالنسبة لمجموعات التجارة الإلكترونية، وقد قامت شركات لوجستية كبرى مثل اتحاد البريد العالمي وشركة FedEx بالفعل بتجريب مفاهيم الشحنات الإلكترونية النموذجية، كما أن عدة مبدئيات تقوم ببناء منتجاتها حول حاويات الشحنات التبادلية مشتركة.

الخدمات الطبية الطارئة

وتحتاج عمليات إدارة خدمات الطوارئ إلى تحول سريع بين البعثات، ويمكن أن يتحول نظام إلكتروني نموذجي من نظام الإنقاذ (مع أجهزة النقالة والطبية) إلى طريقة للإجلاء (بمقاعد إضافية للمرضى غير الحرجيين) في دقائق، وعلاوة على ذلك، فإن القدرة على تبادل نموذج بطارية مستنفدة لفترة زمنية محددة بالكامل تقل عن خمس دقائق، مما يمكن أن يؤدي إلى إنقاذ الحياة في حالات طوارئ حساسة زمنيا.

الدفاع والحكومة

وتحتاج الوكالات العسكرية والحكومية إلى صلاحيات من طائراتها، ويمكن أن يكون منصة واحدة نموذجية للشبكة الإلكترونية للمركبات الإلكترونية (الإنترنت والمراقبة والاستطلاع) مزودة بوحدات الاستشعار، أو النقل اللوجستي مع طرود البضائع، أو مركبة الإجلاء، وقد شجع برنامج وزارة الدفاع الأمريكية " رئيس إدارة الطاقة " تصميمات نظامية لدعم مجموعات متعددة من البعثات من إطار جوي مشترك.

الاعتبارات التنظيمية والمتعلقة بالتصديق

FAA, EASA, and Modularity

ويعمل كل من الاتحاد الأفريقي للعمل من أجل تحقيق الاستقرار (في إطار الباب 23/27/33) والوكالة الاقتصادية لدول غرب أفريقيا (في إطار برنامج التعاون التقني - في مجال التجارة العالمية) على استيعاب التصميمات النموذجية، ويتمثل التحدي الرئيسي في التصديق على أوجه الوصل بين الوحدات - إذا كانت وحدة البطارية من مورد ألف مرتبطة بوحدة الدفع من مورد باء، يجب على المنظمين أن يكفلوا سلامة النظام الموحد في ظل جميع الظروف المتوقعة للتفاعل، ويتم التصدي لذلك من خلال متطلبات تفاعلية محددة.

كما أن الشرط الخاص الذي وضعته الوكالة الدولية للطاقة الذرية بشأن نظام " eVTOL " يشمل بالفعل أحكاماً تتعلق ب " الوحدات القابلة للاستبدال " ويشجع على توحيد التصميم، كما يقوم الاتحاد بوضع توجيهات بشأن تصميمات الطراز النموذجي من خلال سياسته المتعلقة بالتصديق على المكونات القابلة للتبادل، ويجب على المصانع أن تشمل قابلية التبادل في الوحدات كجزء من قاعدة التصديق التي تعتمدها، مما يدل على أن وحدات تبادل البيانات لا تؤدي إلى تدهور السلامة.

التبادل والسلامة

وضمان أن تكون أي وحدة من نوع معين تعمل بأمان في أي طائرة من نفس التصميم، وهذا يتطلب تسامحا دقيقا في البعد والكهرباء والبرمجيات، وتستخدم النُهج الحديثة نماذج " لتحديد الهوية الذاتية " تبلغ تلقائيا عن رقمها التسلسلي وتشكيلها ومركزها الصحي إلى الحاسوب المركزي للطائرة، مما يمكن أن يتحقق من التوافق ويؤدى بعمليات التحقق قبل الطيران.

قادة الصناعة ودراسات الحالات الإفرادية

وتقوم عدة شركات رائدة بالفعل بنشر مبادئ نموذجية في برامجها الخاصة بشبكة الإنترنت:

• ]Lilium - يستخدم فريق ليليوم نهجاً نموذجياً في وحدات الدفع التابعة له: كل من مراوحه ال ٣٦ التي تعمل بالكهرباء وحدة مكتفية ذاتياً يمكن إزالتها والاستعاضة عنها، وتستخدم استراتيجية الشركة للتصنيع أيضاً أقساماً من الكابينات المتحركة، مما يسمح بتجهيز مختلف المعالم الداخلية على خط الإنتاج نفسه.
• Volocopter] – The Volocopter 2X and its production-ready VoloCity feature interchangeable batpack that can be swapped in under five minutes. The company also offers rapid-change cargo modules for its VoloDrone.
• ]Archer Aviation - تستخدم طائرات المنتصف الليل التابعة لآرتشريح نظام بطارية نموذجي ييسر التبديل السريع والترفيع، كما أن جناح الطائرة وذيلها مصممان كوحدات هيكلية منفصلة لتبسيط التجميع والتصليح.
• Beta Technologies] — Beta’s Aileron and Alia aircraft emphasize a modular charger and bat structure, and their manufacturing facility in Vermont is designed to accommodate flexible module production and final assembly.

For further reading, consult the NASA Advanced Air Mobility] program, which has sponsored research on modular structures for eVTOL, and industry reports from ]EASA detailing certification challenges for modular aircraft.

التحديات والحدود

عمليات التداول بالطرق السريعة والكفاءة

ولا بد أن تؤدي الروابط الهيكلية بين الوحدات إلى زيادة الوزن مقارنة بالإطار الجوي المركب المدمج بالكامل، الذي يتشارك في تأمينه، كما أن المكثفات وآليات القفل والوصلات الكهربائية والتعزيزات الهيكلية الإضافية تزيد من الوزن الفارغ الذي يمكن أن يقلل من الحمولة أو النطاق، ويجب على المهندسين أن يصمموا تصميمات الوصلات البينية على النحو الأمثل للتقليل إلى أدنى حد من العقوبة الجماعية، وكثيرا ما يستخدمون تقنيات متطورة للالتحاق مثل العكازات المعبدة أو المزودة بالبطات.

تعقيدات التكامل

وفي حين أن الوحدات أبسط منفردة، فإن إدماج وحدات متعددة في نظام متماسك يتطلب مراقبة دقيقة للبرامجيات، والإدارة الحرارية، والتوافق الكهرومغناطيسي، وقد يؤدي وجود وحدة تعمل بشكل مثالي في عزلة إلى التدخل عند اقترانها مع غيرها، ومن الضروري وضع معايير قوية للوصلات البينية واختبارات شاملة للتكامل لتجنب تأخير التصديق.

توحيد المقاييس في جميع أنحاء الصناعة

ولكي تصل هذه الصناعة إلى كامل إمكاناتها - أي التمكين من التشغيل المتبادل بين مختلف وحدات الصانعين - يجب أن تتفق الصناعة على معايير مشتركة للوصلات الميكانيكية والكهربية، واليوم، تحدد كل منظمة من منظمات إدارة الأوزون الوصلات البينية الخاصة بها، وتحد من إعادة الاستخدام عبر المنصات، وقد تعمل منظمات مثل الرابطة الدولية لأجهزة الصرف الآلي (اللجنة F48 المعنية بالتنقل الجوي المتقدم) والمنظمة الدولية للشحن الإلكتروني (SAE International) على إقامة وصلات التقارب الموحدة للربط بين البطارينزات، وضغط على السوق، وضغط على نظام إيكولوجياسكوم، وبروتوكولات.

التوقعات المستقبلية

الخطوات المقبلة للتصميم النموذجي

ومن شأن التقدم المحرز في التشغيل الآلي، والآلية الدولية، والمواد الذكية أن يزيد من صقل تصميمات نظامية للشبكة الإلكترونية للفيروسات الفوقية، وقد نرى وحدات للثقة الذاتية تتواءم تلقائيا مع الحد الأدنى من التدخل البشري، وسيتيح التصميم الأمثل للمهندسين أن يتبادلوا الوزن والقوة والتكلفة على مستوى الوصلة البينية، وستبلغ وحدات البطارية التي تُرصد فيها صحة متكاملة عن تدهورها بمرور الوقت، مما يتيح الصيانة المتوقعة والجدول الزمني الأمثل لتبادل المعلومات.

ويمكن أيضاً أن تعيد المنظمة على متن الطائرة تنظيم المخطط النموذجي لمراحل طيران مختلفة - على سبيل المثال، وحدات البطاريات المتنقلة من أجل تحقيق أقصى قدر من الفعالية في وسط الجاذبية أثناء الرحلة البحرية مقابل الخرطوم، وهذا النوع من الوحدات النشطة لا يزال قيد البحث، ولكنه يتعهد بدفع كفاءة منابر شبكة الإنترنت في أعلى من ذلك.

الفرضيات السوقية

ويتوقع المحللون الصناعيون أن تتجاوز عمليات التسليم السنوية للمركبات الإلكترونية ٠٠٠ ١٠ وحدة بحلول عام ٢٠٣٥، مع استخدام الأغلبية شكلا من أشكال التصميم النموذجي، وستكون الوحدة عاملا تمكينيا رئيسيا لنموذج " الأساطيل الضريبية الجوية كخدمة " ، حيث يزيد المشغلون من استخدام الطائرات بسرعة بين حالات الاستخدام طوال اليوم، وبالإضافة إلى ذلك، ستنشأ الأسواق الثانوية للوحدات - مثل تأجير البطاريات وتركيبها على نحو مدمر.

ومع تطور التكنولوجيا، يتوقع أن تصبح تصميمات نظامية للشبكة الإلكترونية للمركبات الإلكترونية للمركبات الجديدة للتنقل الجوي في المناطق الحضرية، وقدرتها على التعجيل بالإنتاج، وتخفيض التكاليف، وتوفير تكييف غير مسبوق، لا تجعلها مجرد اتجاه هندسي، بل هي ضرورة استراتيجية لأي مصنع يهدف إلى قيادة حقبة الطيران الكهربائي.

وفي الختام، تمثل تصميمات نظام eVTOL النموذجي تحولا أساسيا في كيفية تصور الطائرات وبنائها وتشغيلها، وبإبراز نظام الوحدات، يمكن للصناعة أن تنتقل من متظاهرين متحركين إلى طائرات منتجة جماعيا ومصممة خصيصا لخدمة مجموعة واسعة من الأسواق، وفي حين أن التحديات ما زالت قائمة - لا سيما في التوحيد والترجيح - فإن المسارات هي الجاهزة التي يمكن أن تتحول إلى القطاع الحضري الكامل.