مستقبل التصميم الجوي في المركبات البحرية المستقلة

مقدمة

ولا يمكن فصل تطور المركبات البحرية المستقلة عن الانجازات في التصميم الهوائي والهيدرودينامي، حيث أن هذه المنصات ستتوسع في أدوار تتراوح بين البحوث الأوقيانوغرافية ونقل البضائع والمراقبة البحرية، فإن أدائها يتوقف على القدرة على الانتقال من المياه بأقل قدر من المقاومة، وسيحدد التقدم في الشكل الأمثل، وعلم المواد، ونظم المراقبة مدى كفاءة هذه السفن في العمل.

The Fundamentals of Aero-Hydrodynamics for AMVs

وفي حين أن المبادئ الأيرودينامية تحكم المركبات التي تتحرك عبر الهواء، فإن المركبات البحرية المستقلة تعمل على واجهة الهواء والمياه أو تحت الماء بالكامل، أما بالنسبة للسفن السطحية، فإن السحب الهوائي فوق خط المياه يجمع بين السحب الهيدرودينامي دونه، مما يؤدي إلى ظهور سمات معقدة، وتواجه المركبات الفرعية مقاومة هيدرائية حصرا تقريبا، ولكن الرفع والاستقرار لا يزالان يتبعان معادلة التحلل الحراري في المياه.

فهم نظام أرقام رينولدز أمر حاسم، حيث تعمل المركبات الصغيرة ذات الأرقام الدنيا لرينولدز حيث تهيمن عليها قوى متبصرة، مما يجعل صيانة التدفقات المتينة مفيدة ولكنها صعبة، وتواجه السفن الأكبر حجما تدفقات مضطربة تتطلب إدارة دقيقة لفصل طبقة الحدود، ويجري حاليا دراسة تقنيات مراقبة التدفق النشطة، مثل استخدام أجهزة الاستشعار المثبتة والمزودة بموجات صغيرة لتأخير الفصل، لتحسين الكفاءة عبر مختلف سرعة الدول وسرعاتها البحرية.

نماذج التصميم الحالية والحدود المفروضة عليها

وتعتمد معظم المركبات المضادة للمركبات أشكالاً مبسطة من الهضبة المستمدة من الهيكل البحري التقليدي: الأشكال الشبيهة بالتوريدات بالنسبة للزجاجات تحت الماء، أو تشكيلات الكمائن أو الترايمرينات بالنسبة للطائرات السطحية غير المزودة بالأجهزة الحرارية، كما أن هذه التصاميم قد تكون ثابتة، ولا يمكن أن تتكيف مع الظروف المتغيرة للمياه أو أنماطها أو مراحل البعثات.

وهناك قيد آخر هو قابلية التصنيع، إذ أن المواد التقليدية مثل الألياف والألومنيوم تفرض حدوداً جغرافية القياس؛ وتزيد منحنى المركبات والمشتقات الداخلية وزناً وتعقيداً، ونتيجة لذلك، فإن العديد من المركبات المضادة للمركبات أثقل مما يلزم، مما يقلل من كسور الحمولة وكفاءة الطاقة.

التصميم المُلهم البيولوجي: الدروس المستفادة من الطبيعة

لقد قضت الطبيعة ملايين السنين في تحسين الحركة الفعالة عبر المياه، ويتحول المهندسون بشكل متزايد إلى نماذج بيولوجية لكسر لوحة الأداء من الأشكال التقليدية.

دولفين وشارك سكين

ويعرض جلد الدلافين وأسماك القرش هياكل مصغرة تقلل من الجر، ويغطي الجلد القرشي في مقاييس صغيرة تسمى الكثافة الجلدية التي تخلق أثراً متمزقاً، وتخفض احتكاك الجلد بمنع تكوين دوافير كبيرة، ويظل جلد دولفين رقيقاً ويمكن أن يخفف من الاضطرابات، وقد استنسخ الباحثون هذه الأسطح باستخدام أفلام مجهزة وأجهزة التبريد المجهرية.

هياكل مرنة للتدفقات والمورفينج

استخدام الصمامات المرنة لتوليد الدافع والمناورات ذات الطاقة الدنيا، ويمكن للمركبات المستقلة أن تستفيد من الزعانف التي تغير الكامبر والزاوية استجابة لظروف التدفق، وقد تؤدي أنواع الوصل المورفينة إلى حدوث تحسنات في سرعة تشغيلها، حيث تؤدي إلى حدوث ارتفاع في مستويات الطاقة، حيث تُحد من سرعة التقلبات، إلى جانب وجود هياكل متطورة ذات نطاق عال().

أشكال التعليم

كما أن الطبيعة توفر دروسا في الحركة التعاونية، إذ ترتب مدارس الأسماك نفسها في أنماط الماس التي تقلل من جرها بالنسبة للأفراد، ولا سيما الذين خلفهم الزعيم، وبالنسبة لأساطيل المركبات السطحية المستقلة، فإن وضعها في شكل V يمكن أن يقلل من استهلاك الطاقة الإجمالي عن طريق التفاعلات بين الإيقاظات، وتشير الدراسات المتعلقة بتشكيلات المركبات السطحية المستقلة إلى وفورات في الوقود تتراوح بين 10 و 15 في المائة عندما تقوم السفن بتنسيق مواقعها فيما يتصل بكل من إيقاظات الأخرى.

المواد المتقدمة والصناعات التحويلية

المواد المستخدمة في بناء المركبات المضادة للمركبات تؤثر مباشرة على الأشكال القابلة للتحقيق وعلى الأداء الطويل الأجل، والمواد الجديدة هي تصميمات تمكينية مستحيلة مع التركيبات أو المعادن التقليدية.

المركبات وبوليمرات الذكية

فالألياف الكربونية توفر نسبا عالية من القوة إلى الوزن ويمكن أن تُقَفَّن إلى مجمَّعات مجمَّعة، وتحد من جرَّها، وخلافاً للألياف، فإن الألياف الكربونية لا تنحرف عن التعرض المطول للمركبات الفوقية، كما أنها تقاوم تآكل المياه المالحة عندما تُغلق بشكل سليم.

الصناعة التحويلية

3D printing enables the fabrication of intricate internal channels, lattice structures, and integrated sensors that reduce the number of separate components and fasteners. Naval architects can now produce AMVs with bionic ribs, optimized flow paths for cooling water, and embedded conduits for wiring-all in a singleprint. This reduces weight, simplifisation assembly, and allows rapid

التوابع البيولوجية المقاومة

وثمة تقدم مادي آخر في مجال الطلاءات المضادة للقاذورات، فالطلاءات التقليدية القائمة على النحاس سمية وتتطلب إعادة استخدام، وتخلق طلاءات جديدة مجهزة بالسيليكون سطحاً من البقعة بحيث لا يمكن للوحات والطحالب أن تتمسك بها، وتشتمل بعض الطلاء على كبائن صغيرة تُطلق على الطلب عندما يكشف السطح عن بداية التعبئة البيولوجية، وتحافظ على فترات التصفير.

كفاءة الطاقة والتكامل في مجال التبشير

ويؤثر تصميمات الهواء والهيدروديناميات تأثيرا مباشرا على متطلبات الدفع، بل إن التحسينات الطفيفة في كفاءة البطاريات في الهضبة يمكن أن تقلل من حجم البطاريات أو تزيد سرعة حمولاتها أو تسمح بتدفقات عالية، أما بالنسبة للمركبات السطحية المحتوية على محركات متحركة، فإن دمج الفول السوداني يقلل من سرعة السحب من خلال رفع الهيكل فوق الماء.

كما أن تصميم المروجين يجني فوائد من التفكير الهوائي - إذ يخفض المدافعون المزدوجون من فقدان الدوافع البقشيشية ويحسنون الدفع بالسرعة المنخفضة - ويمكن لمدافعي القاذفات المضادة أن يستعيدوا الطاقة التناوبية من المجرى المتدفق، ويعززون كفاءة الدفع بنسبة ٨-١٠ في المائة، أما بالنسبة لمركبات المياه الجوفية، فتوفر طائرات الضخ بديلا أكثر هدوءا وأكثر كفاءة لأجهزة الدفع المفتوحة.

تحديات التكامل والمراقبة

فالمركبات البحرية المستقلة تحمل عدة أجهزة استشعار: السونار، والكاميرات، والرادار، والعينات البيئية، ومصفوفات الاتصالات، وكل جهاز استشعار خارجي يخلق جرا إضافيا، ويتسبب في تعطيل هياكل الارتفاع المفاجئ بالهيدروجين أو الطوابق التي تصيب التدفق النظيف على الهيكل القريب من الكتف، ويزيد من الاضطرابات في استهلاك الطاقة، ويستلزم مستقبل تصميم جهاز إم فير الفلورية السائلة.

إن مراقبة سمات المورفين والأسطح النشطة تتطلب صعوداً موثوقاً ونظماً قوية للتغذية المرتدة، فالنظم الهيدروليكية أو الناموسية تزيد من الوزن والتعقيد، وتعطي الأكواخ الاصطناعية التي تستخدم في البطن الاصطناعية بديلاً جذاباً، وتبدو خفيفة وصمتاً ويمكن أن تمارس قوة كبيرة عند التسخين الكهربائي، غير أن وقت الاستجابة فيها وحياة الدهون تحتاج إلى تحسين في البعثات المطول.

دراسات الحالة: المركبات البحرية المستقلة ذاتيا

وتوضح عدة منابر في العالم الحقيقي كيفية تطبيق مبادئ التصميم الهوائي والمائي اليوم.

Wave Glider] by ]Liquid Robotics] uses a unique two-part system: a surface float connected to a submerged glider via a tether. As waves lift the sub motions forward, converting wave energy into propulsion, Its design is completely.

]Sea Hunter (DARPA) هو تريماران مستقل مؤلف من 132 قدماً ومصمم لمكافحة الحرب تحت سطح البحر، ويوفّر تشكيله الثلاثي الرهانات الاستقرار ويقلل من التدحرج بينما يسمح له هيكل مركزي للنادل بأن يُحد من جره إلى الحد الأدنى، ويستخدم السفينة نظاماً متقدماً لتهوية الهواء:

BlueROV2] هو رنين متوسط الحجم يمكن تشكيله لمختلف المهام، ويُعد إطاره من عناصر نموذجية، ذات طابع ثلاثي الأبعاد يمكن إعادة تشكيلها لمختلف موجزات البعثات، وفي حين أنه لا يُستحسن السرعة العالية، فإن فلسفة تصميمه من نقاط التكييف السريع في المستقبل التي يمكن فيها تكييف كسور المركبات.

]Ocean Aero’s Triton] هو مركبة سطحية وشبه مأهولة تستخدم طاقة الرياح والطاقة الشمسية، ولها جناح يشبه البحار يمكن أن يُطمع في عمليات تحت الماء، وجهاز تحديد الأجنحة يتسم بالكفاءة في الهواء بينما يُطغى عليه، وعندما تُغضى المركبة شكلاً مركبياً نظيفاً.

رأس الطريق: الفرص والتعاون المتعدد التخصصات

مستقبل التصميم الهوائي في المركبات الجوية يكمن في التآزر المتعدد التخصصات، المهندسين الميكانيكيين، علماء المواد، علماء الأحياء البحرية، ونظريات التحكم يجب أن يعملوا معاً لجلب التكييف، والروح الحيوية، والتصميمات المتكاملة للحياة، والتحديات كبيرة، والهياكل التصميمية التي يمكن أن تصمد في أعماقها، بينما تبقى الوزن الضئيل الكافي للعمليات السطحية تتطلب تقنيات مبتكرة للالتقاء، ومركبات.

وثمة فرصة أخرى تتمثل في تطبيق التعلم الآلي على التصميم الأمثل، إذ يمكن لنظم التصاميم الجامدة أن تستكشف ملايين أشكال الهيكل وتختار تلك التي تقلل إلى أدنى حد من السحب إلى موجزات البعثات، وكثيرا ما تبدو هذه الأشكال التي ينتجها المعهد أجنبيا، ولكنها يمكن أن تفوق التصميمات البشرية بنسبة تتراوح بين 15 و 20 في المائة في المحاكاة، ومع تزايد الطاقة الحاسبية، فإن التصميم السخائي سيتحول إلى أداة قياسية في الهندسة البحرية.

كما أن الأطر التنظيمية آخذة في التطور، إذ تقوم مجتمعات التصنيف مثل نظام ABS وDNV بوضع مبادئ توجيهية للسفن المستقلة، بما في ذلك المتطلبات الهيكلية للمواد الجديدة، مما سيوفر للمصنعين ثقة أكبر في اعتماد مكونات متطورة للمركبين ومكونات للمورفين، مع العلم بأنهم يستوفون معايير السلامة.

خاتمة

إن تقارب الأشكال التي تبعث على الطبيعة، والمواد التكييفية، والمراقبة الذكية، يبشر بعهد جديد للمركبات البحرية المستقلة، إذ أن المصممين ينتقلون إلى ما هو أبعد من المنابر الثابتة ذات الأغراض الواحدة إلى المنابر التي تتغير لتلائم هذه اللحظة، ويُلقيان بسحب السرعة عند الحاجة، ويفتحان أمام التحميل أو الاستقرار عند العزل، وهذه الابتكارات لن تظهر ليلا؛ ويجب أن يكون كل تقدم في الصناعة أو العلوم البحرية أكثر فعالية في المستقبل.