Table of Contents

تطور النظم العالية الرفع في الطائرات التالية

ويخضع قطاع الطيران لضغوط مكثفة لإلغاء الكربون، إذ تمثل الطائرات ذات الطاقة الكهرمائية العالية المهددة، طريقين من أكثر الطرق واعدة لتحقيق انبعاثات صافية من البنزين بحلول منتصف القرن، غير أن التحول إلى هياكل الدفع الجديدة هذه يستحدث تغييرات أساسية في تصميمات الطائرات وتوزيع الوزن والحمولات الحرارية.

دور الأجهزة ذات الرفع العالي في الطيران الحديث

إن أجهزة رفع عالية هي أسطح ذاتية جوية تغير بشكل مؤقت شكل أو كامبو أو منطقة الجناح لزيادة معامل رفع الحد الأقصى خلال مراحل الطيران المنخفضة السرعة، وتتيح للطائرات أن تقطع وتهبط بسرعة أقل، وتخفض الاحتياجات من طول المدرج وتحسين هوامش الأمان، وعندها يتم نقل الطائرات ذات الأنبوب التقليدي والطائرات ذات الطوابق المتقدمة والممرات السياحية المتحركة أثناء الاقتراب من جديد، وتعاد استخدامها.

وفي المفاهيم المتحركة ذات الطاقة الكهرمائية والمائية، تظل الحاجة الأساسية إلى رفع مرتفع - ولكن التحولات في مجال التصميم - وتزيد مجموعات البطاريات أو أكوام خلايا الوقود الكتلة الكبيرة، ولا سيما عندما تكون موجودة في طيور التبريد أو الطائر ذات الهواء، وتنتج خزانات المستودعات الهيدروجينية، سواء كانت مبردة أو مصحوبة، وتفرض قيودا على الحجم والشكل.

لماذا تتطلب أموراً عالية أكثر من أجل التنفيذ المستدام

ويمكن لمحطات الكهرباء والكهرباء الكهربائية أن تولد عراكا عاليا بسرعات منخفضة، مما قد يشير إلى أن أجهزة رفع عالية أقل أهمية، غير أن عدة عوامل تزيد من أهميتها بالفعل:

  • Higher takeoff weights:] Batteries and hydrogen systems add mass. The wing must generate more lift at the same or lower speed to achieve circulation and climb gradients.
  • Reduced wing loading options:] To minimize drag in cruise, many sustainable aircraft concepts adopt higher aspect ratio wings. These wings have lower structural bending strength and may require more complex high lift systems to achieve required lift coefficients.
  • ]Noise constraints:] Electric motors are silenceer than turbines, so airframe noise — including flap and slat edges - becomes a more dominant source. High lift designs must minimize noise while maintaining aerodynamic performance.
  • Short -field operations:] Many urban air mobility and regional aircraft concepts target smaller airports. High lift devices enable steeper approach angles and shorter landing distances.

Unique Engineering Challenges in Hybrid —Electric and Hydrogen Aircraft

ويتطلب تصميم أجهزة رفع عالية للطائرات المستدامة حل القيود الأقل حدة في المنابر التقليدية التي تعمل بالكيروسين.

التكامل بين الوزن والبنى

وعادة ما تكون نظم البطارية أكثر من ٥ إلى ١٠ أضعاف محتوى الطاقة المكافئ لوقود الطائرات، وفي طائرة إقليمية مختلطة، يمكن أن تشكل مجموعة البطاريات ٢٠ إلى ٣٠ في المائة من الكتلة القصوى للإقلاع، وكثيرا ما توزع هذه الكتلة في بطن الصمامات أو المعارض ذات الأجنحة، وتحو ِّل مركز الجاذبية إلى الأمام، وتغير توزيع اللحظات التي تحلق فيها أجنحة، ويجب أن تحمل رسوما عالية.

ويضيف تخزين الهيدروجين طبقة أخرى من التعقيد، إذ إن صهاريج الهيدروجين المسببة للتآكل في الصمامات أو الجناح تتطلب عزلاً سميكاً، وأي عنصر من عناصر نظام الرفع العالية التي تخترق منطقة الصهريج يجب أن يستوعب درجات الحرارة القصوى، وفي مفاهيم الهيدروجين المختلط، يمكن وضع مرنات التأثير خلف منطقة الصهريج، مما يتطلب العزل الحراري والروابط المرنة.

الإدارة الحرارية والمحاضر

وتولد المحركات الكهربائية والمتحولون والإلكترونيات الكهربائية حرارة يجب رفضها، وفي طائرة مختلطة تعمل بالطاقة، يمكن أن تكون مبادلات الحرارة موجودة في الجناح الرئيسي أو على طول النسيج، وإذا كانت الرصفات أو الطوافات المتحركة متوقفة بالقرب من هذه السقفيات الرافدة للحرارة، فإن شكلها الجوي والحمولات الحرارية يجب أن يعمل بشكل موثوق من خلال حرارة العالية.

كما أن حرق الهيدروجين في توربفان يولد بخار مياه يمكن أن يتجمد على سطح مائي بارد، كما أن تصميمات النكهة على الجليد أو كروغر يجب أن تتضمن نظما لحماية الجليد دون إضافة وزن أو جر مفرطين، كما أن الإدارة الحرارية للمصنوعات - سواء كانت كهربائية أو كهرومغناطيسية - تصبح حاسمة أيضا لأن حلقات التبريد السائلية قد تكون محدودة.

Constraints Space in the Wing

وفي الطائرات الإقليمية والضيقة الجسيمات، يُجمع الجناح بالفعل بكثافة مع دبابات الوقود، وخليجات معدات الهبوط، وأجهزة التحكم، وفي المفاهيم ذات الطاقة الكهرمائية، يمكن أن يملأ الجناح بكامله بالدبابات البكائية أو الدعم الهيكلي لضلوع الصهاريج الخارجية، وهذا لا يترك مجالاً كافياً للطرق والمعارض التقليدية العالية، ويجب على المصممين أن ينظروا في تشكيلات الجديدة مثل:

  • Fowler flaps with external hinges that avoid penetrating the tank volume.
  • Leading —edge Krueger flaps] that stow flush against the lower wing surface.
  • Folding slats] on morphing leading edges that eliminate the need for a separate track.

State —of the —-Art Research and Development Programs

وتعالج عدة مبادرات بحثية رئيسية بنشاط إدماج أجهزة رفع عالية مع هياكل الدفع المستدامة.

NASA’s Electrified Powertrain Flight Demonstration (EPFD)

برنامج وكالة الطاقة النووية في أمريكا اللاتينية (NASA) يشمل شركاء متعددين في الصناعة يستكشفون الطائرات الإقليمية الهجينة ذات العجلات العالية، وهي أداة رئيسية تركز على كيفية تأثير التنسيب في البطاريات على اللحظات المعطلة وكيف يمكن أن تزيد مراقبة التدفق في سرعة منخفضة.

:: تنفيذ برنامج الطيران النظيف الأوروبي

Under the Clean Aviation program, partners such as Airbus, DLR (German Aerospace Center), and ONERA (French Aerospace Lab) are developing high lift systems for hydrogen —powered concepts. The HYPHA (Hydrogen Powered Aircraft —) project has investigated leadingedge ice protection compatible with slat deployment in hydrogen-burning motors. Another program, NEWSKY focuses

المتظاهرون الرفيعو المستوى الجامعيون

وتقوم أفرقة البحث الأكاديمية ببناء متظاهرين من الباطن يجمعون بين ارتفاع المصعد ووزعات كهربائية، وفي جامعة ستوتغارت، يُعد نموذجاً لـ 19 طائرة هيبريين من طراز " المسافرين " ، و 12 محركا كهربائيا مجهزا بالجناح، اختبار كيف يعزز التفاعل بين محرك الدفع فعالية المشتعل، وفي الولايات المتحدة، يقوم الباحثون في مقطورة " ستانفورد " باستكشاف " زيادة في المحركات الميكانيكية

Innovative High Lift Technologies for Sustainable Platforms

ويجري وضع مجموعة من النهج الجديدة للرفع العالي، وتحديداً للطائرات الهيدروجينية المهجورة.

إدمان ورسوم مرفنغ

وتترجم القطع التقليدية إلى الأمام والى أسفل على المسارات الممنوعة، وتخلق فترة زمنية بين الحافة المائلة والعناصر الرئيسية للجنحة، ويزيد هذا الارتفاع الطفيف، ولكنه يولد أيضا ضوضاء ويحتاج إلى تطويق معقد، وتستخدم الأطراف الرائدة التكيفية جلدات مرنة أو لوحات مجزأة تخرّب تحت عمل المحاورات المكوّنة أو المحركات الكهروميكانيكية.

وبالنسبة للأجنحة ذات الطاقة الكهرمائية ذات الصهاريج الداخلية المسببة للبرد، فإن الحافة الرائدة التكييفية التي تزيل المسارات والمعارض جذابة بشكل خاص، حيث إن عدم وجود مسارات متحركة يقلل من مسارات التسرب الحراري وتصميم العزلات البسيطة، وقد أظهر مشروع SABRE الذي يموله الاتحاد الأوروبي (الدرجة المتوسطة المكافئة للضوء) نموذجاً مكافئاً للمسافات يبلغ طوله 2 متراً.

مراقبة تدفق المركبات العاملة

وبدلا من الانتقال المادي لطائرة كبيرة من الطائرات السطحية، تستخدم الطائرات النفاثة الصغيرة أو الطائرات الاصطناعية لتنشيط طبقة الحدود، وتأخير الفصل، وزيادة الكامبر الفعال، وفي طائرة هيبريينة ذات طاقة كهربائية وفرة من البطارية أو خلية الوقود، يمكن تنفيذ هذه المركبات باستخدام مكثفات منخفضة الطاقة أو كربونات فائقة الارتداد تشمل الفوائد:

  • Reducedميكانيكي complexity:] no tracks, hinges, or heavy actuators.
  • الوزن الأرضي: ] AFC systems weight 50 —70% less than conventional slat and flap systems for equivalent lift.
  • Continuously changing performance:] The jet momentum can be modulated for opt‐ liftto-drag ratio throughout the approach.

ولا تزال أمثلة الطيران التجاري تنموية، وقد اشتركت شركة بوينغ ووكالة ناسا في اختبار مهبط مكثف مكثف على 757 مستثمرا إيكولوجيا، حيث أفادت بانخفاض 5 في المائة في الضوضاء على النهج، وزيادة قدرها 2 في درجة في الزوايا الفعالة دون جر إضافي، وبالنسبة للطائرات الإقليمية المهجورة، يمكن للشركة أن تتيح اتباع نهج أكثر حزما لتجنب المناطق المأهولة بالسكان مع الحفاظ على الراحة المقبولة في كابين.

مروحية مُدمجة عالية

ويخلق الدفع الكهربائي الموزع فرصة فريدة: فالأدوات التي تُرفع من الوقود تصبح هي نفسها أجهزة رفع عالية، وعندما يكون محرك الدفع متقدماً أو فوق الحافة الرئيسية للجناح، يزيد من الضغط الدينامي على سطح الجناح، ويؤخر الفصل ويرفع الحد الأقصى، وقد تجلى هذا التأثير " الجناح المزدهر " على الطرف الثالث من اتفاق ناسا، الذي يولد فيه مدافع صغيرة ذات محركاً عالياً.

وفي التشكيلات الكهربائية الهجينة، يمكن تقاسم وظيفة الرفع العالية بين الرفوف التقليدية والرفع الذي يسببه الوقود، مما يتيح تصغير حجم البخار، والحد من تحميل المحركات والوزن الهيكلي، وقد أظهر الباحثون في جامعة إيلينوي أن نسبة 50 في المائة من الرافعات المصاحبة للجهاز الألماني لشؤون البيئة تؤدي إلى نفس سرعة الهبوط التي تبلغ طولها 15 نقطة وصول كاملة، مع وجود 12 في المائة من الوزن الصافي الذي يوفر وزنا.

بقاع وتحكم في التداول

وتستخدم أجنحة التحكم في التداول طائرة من الهواء محفورة على حافة مقطورة لنقل نقطة الركود الخلفية وزيادة المصعد دون شعلة آلية، أما بالنسبة للطائرات ذات الطاقة الكهرمائية، التي قد تكون فيها مياه بخار زائدة أو تنزف الهواء من خلية الوقود، فيمكن أن تتحقق مراقبة التداول باستخدام مجاري النفايات، ويحتفظ تأثير الكوندا بالطائرة المكافئة للسطح المكعب (30).

وتشمل التحديات العملية الحفاظ على سطح كواندا خاليا من الجليد وإدارة قوة الدفع بالطائرة لظروف متناثرة، وقد قام مختبر بحوث القوات الجوية الأمريكية باختبار مراقبة التداول على نموذج كبير للنقل، بينما يقوم الباحثون الأوروبيون باستكشاف مراقبة التداول السلبي عبر المفسدين التي تعيد توجيه التدفق على كتفي المطاط.

التجارة على مستوى المنظومة وتحقيق الاستخدام الأمثل

وينطوي اختيار تكنولوجيا رفع الطائرات الصالحة للطائرات المستدامة على تحقيق التوازن بين الأهداف المتعددة.

Weight vs. Complexity

إن النوافذ والثباتات التقليدية ثقيلة ولكن مفهومة جيداً، فنظم مراقبة التدفق النشطة توفر الوزن ولكنها تستحدث أساليب فشل جديدة، ومخاطر التصديق، واستهلاك الطاقة الكهربائية، وبالنسبة لخمسين طائرة إقليمية مختلطة، فإن المتاجرة قد تصلح لمركبات الكربون المفلورة لأن البطارية توفر بالفعل قدرة عالية على التصريف، وأي وزن يتم توفيره على نظم رفع عالية يمتد مباشرة إلى نطاق الهيدروجين الضئيل.

الضوضاء وتأثير المجتمعات المحلية

إن الدفع الكهربائي هادئ، لذا فإن ضوضاء الطائرات تهيمن على التوقيع الصوتي، وتولد الحواف النحيلة والزجاجات الضوضاء ذات النطاق العريض أثناء النهج، وتتوفر لدى الأطراف الرائدة المتأصلة في هذا المجال، ومؤسسة الطيران المدني، إمكانية الحد من الضجيج من 3 إلى 5 د.ب، وهو أمر هام للحصول على قبول المجتمع المحلي في المطارات القريبة من المراكز السكانية، غير أن بعض نظم القوات المسلحة الليبرية تنتج ضوضاء ناجمة من محركات نموذجية قد تكون بحاجة إلى معالجة إضافية.

التصديق والاعتماد

ويجب أن تستوفي أجهزة رفع عالية السرعة نفس معايير التصديق مثل النظم التقليدية، ويجب أن تظهر الجلدات المورفة الحياة الدهنية عبر آلاف دورات النشر، ويجب أن يكون المحركات المولدة للطائرات غير آمنة أو زائدة عن الحاجة، وأن تكون المخاطر ذات القدرة الهيدروجينية - وهي الاختلاس والتسرب والحرق - إضافة طبقة أخرى.

توجيهات البحوث المستقبلية

وستشهد السنوات العشر القادمة تقدما كبيرا في مجال تكامل أجهزة رفع المركبات عاليا لأغراض الطيران المستدام.

الاستخدام الأمثل للنظم الكاملة

ولا يمكن تطوير تصميمات المصعد المرتفع في المستقبل بمعزل عن بعضها البعض، بل يجب أن تكون متعاونة مع نظام الدفع، والهيكل، والإدارة الحرارية، وضوابط الطيران، والأطر المتكاملة المتعددة التخصصات التي تُستخدم فيها الأشكال المثلى للدبابات الهوائية، وتحليل العناصر الزهيدة الهيكلية، ونماذج الشبكة الحرارية، وتوليف القانون الرقابي بواسطة نظم التبريد والتعبئة المتجانسة.

Digital Twins for In-Service Adaptation

ويمكن أن تعمل طائرات الهيدروجين الكهربية الهجينية عبر مجموعة أوسع من موجزات البعثات - من الخرطوم الإقليمية القصيرة إلى طرق أطول فيما بين المدن - ويمكن أن يتعلم التوأم الرقمي من نظام المصعد العالي من كل رحلة جوية، وأن يعدل جداول النشر، وكميات المشغلين، والبارامترات الجوية التي تعمل بالمركبات لتقليل الارتداء واستهلاك الطاقة إلى أدنى حد، وعلى سبيل المثال، يمكن اختيار جدول زمني للانتشار الدقيق يقلل من الضغط على أجنحة.

التكوين العالي والهيكل المسبب للمرض

كما أن المحركات الكهربائية المسببة للارتفاع في شبكات المصعد العالية على طائرات الهيدروجين يجب أن تعمل بشكل موثوق في بيئات الحرارة القصوى، كما أن المحركات الكهربائية المسببة للتوترات التي تعمل عند 20 كيلو متراً لصمامات الصهاريج وآلياتها هي مجال بحثي نشط، وبالمثل، يمكن وضع مُحاضرات عالية الحرارة مصنوعة من أجهزة الإيكسيد السيليكونية بالقرب من أكوام خلايا الوقود أو مبادات الحرارة.

قاعدة الاختبار الموحدة وبيانات المرافعات المفتوحة

وستستفيد الصناعة من بيانات الاختبار المتاحة للجمهور بشأن ارتفاع أداء المصعد مع الدفع الكهربائي والهيدروجين، ويخطط مركز لانغلي للبحوث التابع للأكاديمية الوطنية للملاحة الجوية والمركز الألماني للبحوث الأرضية في ألمانيا لإجراء قيود على الأنفاق الريحية للأجنحة الكهربائية المهجورة ذات المصعد العالي النشط، وسيساعد إنشاءات أصغر حجماً، كما ستؤدي مجموعات جامعية إلى التحقق من تصميماتها بسرعة أكبر، مما يعجل بالانتقال إلى أساطيل المستدامة.

خاتمة

ومستقبل أجهزة رفع عالية في الطائرات المتحركة ذات الطاقة الكهرمائية والهيدروجينية ليس تطورا بسيطا للتكنولوجيات القائمة - بل هو إعادة التفكير الأساسية في كيفية توليد الرفع بالسرعة المنخفضة، إذ أن القيود على الوزن، والحد من الزمان، والمتطرفات الحرارية، ومتطلبات الضوضاء تتطلب حلولا مبتكرة تتراوح بين أسطح الدفن المكيفة وبين مراقبة التدفق النشطة والأطر الجوية المدمجة، هي برامج باحثة في إطار ناسا،

ومع انتقال هذه الصناعة نحو التصديق على أول طائرة إقليمية مستدامة وبدء تشغيلها في حوالي عام 2030، ستكون نظم رفع عالية تكنولوجيا تمكينية حاسمة، وسيكون المهندسون الذين يبنون تفكيرا متعدد التخصصات ومستوى المنظومة - يدمج الديناميات الهوائية والهياكل ونظم الطاقة والسيطرة - هم الذين يقدمون الطائرات الآمنة والفعالة والهادئة التي يتوقعها الجمهور المسافر، ويصبح العمل الذي يتم اليوم على أجهزة رفع عالية يساعد على تحديد مدى سرعة الانبعاثات.