مستقبل الطائرات الكهربائية: إدارة السحب والسرقة من أجل الزناد والكفاءة الممتدين

المورفين والأجنحة

ويمكن أن تؤدي الأجنحة الإيجابية التي تتغير مسارها أو كاميرا أو حتى مخططها أثناء الرحلة إلى تحقيق أفضل رفع لكل حالة طيران. وقد تؤدي الرحلات الجوية التي تُستخدم في شكل مركب، وأجهزة الإصدار الاصطناعي، وأجهزة الإصدار المتحركة، إلى إحداث تغيرات في الشكل السلس دون وجود ثغرات أو اختلالات في هذا المجال.

Gust Load Alleviation

فالأحجار تتسبب في تغييرات مفاجئة في المصعد يمكن أن تزيد من الحمولات الهيكلية وتجبر الطيار أو الطيار الآلي على تقديم مدخلات للتحكم التصحيحي، مما يزيد من جره، ويمكن أن تؤدي نظم المراقبة النشطة التي تُحس بالثعلب وأسطح التحكم السريعة إلى الحد من الحمولة والسحب، كما أن الطائرات الكهربائية، التي تعمل بسرعة وبطاقاتها السريعة ونظمها للطيران بالسيارة، إلى حد بعيد، إلى تنفيذ نسبة رفع درجة الضغط.

الابتكارات التكنولوجية التي تحقق الكفاءة

وبالإضافة إلى أساسيات الديناميكا الهوائية، فإن عدة تكنولوجيات محددة تمكن الجيل القادم من الطائرات الكهربائية من إدارة السحب والرفع بفعالية أكبر.

Distributed Electric Propulsion (DEP)

وينطوي نظام إدارة الطاقة على وضع العديد من المحركات الكهربائية الصغيرة على طول الجناح أو الطائرة، ولا يوفر تدفق الهواء الذي عجل به المروحة الدفع فحسب، بل يزيد أيضا الضغط الدينامي على الجناح، مما يؤدي إلى رفع إضافي، ويتيح المجال الأصغر للرحلة السياحية (السحب المنخفض) مع تحقيق الارتفاع الكبير اللازم للرحلات السياحية والهبوط.

تركيبات الوزن الخفيف والتصنيع

كما أن مركبات الكربون المحتوية على مركبات أكثر أخف وأكثر حساسية وأكثر سلاسة من الألومنيوم، مما يتيح أجنحة رقيقة وشديدة الطراز وتخفض من جرها، كما أن التقدم في وضع الألياف الآلية والتأمين المشترك يتيح تصنيع أشكال الأيرودينامية المعقدة ذات القدرة العالية على إعادة التكرار.

بـاء - ابتلاع باوندري لاير

ويضع محركات (أو مشجعين) في مؤخرة الصمامات لتعطيل الهواء البطئ بدلا من الهواء المتدفق الحر، مما يقلل من جر الخراط ويمكن أن يحسن من كفاءة المحركات الدافعة العامة بنسبة 5 إلى 10 في المائة.

التكامل في مجال الإدارة الحرارية

وتولد المحركات الكهربائية والمتحولون والبطاريات حرارة النفايات التي يجب رفضها، كما أن نظم التبريد (الثوابت السائلة، والمشعات، والمستقبلات الهوائية) تضيف الجاذبية، كما أن الابتكارات مثل مبادلات حرارة الجلد التي تستخدم سطح الطائرة للرفض الحراري يمكن أن تقلل من جر التبريد.

عمليات الطيران وإدارة الطاقة

ولا تتوقف الديناميات الهوائية في مرحلة التصميم، فكيفية تدفق الطائرات الكهربائية لها تأثير كبير على إدارة السحب والرفع، وبالتالي على المدى.

ألف - موجزات الرحلات الجوية على الوجه الأمثل

وتتفاوت كفاءة استخدام المركبات الكهربائية ارتفاعاً كبيراً على مجموعة واسعة من مواقع الطاقة، ولكن الكفاءة في استخدام الطاقة الهوائية تتباين بسرعة وارتفاع، إذ يرتفع معدل الرفع إلى الدراجة إلى أقصى حد، ثم يهتز على ارتفاع منخفض (الحد من الجر) ويتناقص مع ظهور مكابح جديدة يمكن أن يستهلك الطاقة.

مراقبة التوزيع الجاهز

ويمكن تعديل مراقبة الكامبر النشط، والتحول المتغير، والحواجز المتباينة عبر الجناح تلقائياً لإبقاء توزيع الرفع على مقربة من النسيج (المثل الأعلى للحد الأدنى من الجر المسبب) كما أن النظم الحديثة للطيران بالزوارق يمكن أن تكون ممكنة، كما يمكن للطائرات الكهربائية أن تستخدم القوة الدافعة المتمايزة من إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية لمواجهة السحب أو التدحرج، مما يقلل من الحاجة إلى ضبط الانكم السطحي الذي يضيف إلى السحب.

الحمولة والأرصدة

ونظراً إلى أن وزن البطاريات ثابت، يجب إدارة الحمولة (السفن والبضائع) بعناية لإبقاء مركز الجاذبية في نطاق ضيق، حيث يزيد فريق الشحنات الأمامية من قوة التعقب اللازمة للثلاثيات، مما يزيد من الجر المتعمد، وتشمل بعض تصميمات الطائرات الكهربائية نظم الصابورة أو يسمح بنقل البطاريات إلى أقصى حد للحفاظ على الذرة المثلى، مما يقلل من الطاقة اللازمة لرحلة الطيران من المستوى.

اعتبارات نظام البطاريات والطاقة

وفي حين أن نظام البطاريات لا يتفاعل مع تصميم الطائرات الهوائية بطرق عدة.

Battery Placement and Center of Gravity

فالبطاريات ثقيلة وكثيفة، وهي عادة ما توضع في صلب التعبئة أو الجذر الجنح لتجنب التأثير على لحظة الإقراض التي يمر بها الجناح بشكل مفرط، غير أن مجموعات البطاريات الكبيرة في النسيج يمكن أن تعطل الخطوط السلسة وتزيد من المساحة المبتلة، وتضع بعض تصميمات الشبكة البطاريات في أحواض قريبة من مركز المصعد لتقليل السحب إلى أدنى حد.

إدارة البطاريات الحرارية

فالبطاريات تولد الحرارة أثناء التصريف، ولا سيما أثناء الشحن السريع، وكثيرا ما يتطلب التبريد فيها مداخل جوية تزيد من جرها، كما أن التقدم في التبريد السلبي (أنبوب الحرارة، ومواد التغيير التدريجي) أو حلقات التبريد السائلة التي تدمج في هيكل الجناح يمكن أن يقلل من الأثر، والهدف هو إبقاء البطارية في درجة حرارة مثلى (عادة 20 إلى 40 درجة مئوية) دون تبادل حراريات كبيرة.

ما الذي سيجلبه العقد القادم

ولن تظل الطائرات الكهربائية جاهزة إلى الأبد، حيث تقترب كثافة الطاقة من 400 إلى 500 و/كغ على مستوى الحزمة (من 250 إلى 300 و/كغ اليوم)، ستزداد درجة كبيرة من الاتساع، وفي الوقت نفسه، ستضاعف التحسينات الجوية من أثر تلك الطاقة المخزنة، ويمكننا أن نتوقع أن تتلاقى عدة اتجاهات:

• Higher aspect ratio wings] made possible by light weight composites and aeroelastic tailoring, reducing induced drag.
• Integrated distributed propulsion] that synergizes boundary layer control, lift increaseation, and noise reduction.
• التوائم الرقمية والتصميم الذي يقوده آي ] الذي يتيح آلاف الرسوبيات على شكل أجنحة ونظم مراقبة قبل أن يتم بناء نموذج أولي.
• Standardized high-رفيع النظم ] التي تستخدم جميع الاختراعات في انخفاض الوزن والصيانة.

وتقوم الوكالات التنظيمية مثل وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الطيران الاتحادية بوضع معايير لإصدار الشهادات خاصة بالطائرات الكهربائية، مما يشجع الاستثمار في الابتكارات الهوائية التي يمكن التصديق عليها بموجب الباب 23 أو الباب 25، مع وجود ظروف خاصة للدفع الكهربائي.

خاتمة

إن إدارة السحب والرفع ليست شاغلا ثانويا للطائرات الكهربائية - بل هي التحدي الهندسي المركزي، إذ إن تحسين درجة الحرارة في كفاءة الأيرودينامية يترجم مباشرة إلى عدد أكبر من الركاب الذين يُحملون أو يُستخدمون في شحنة واحدة من البطاريات، ومن أجنحة مسطحة ومراقبة للتدفقات المزروعة إلى هياكل الدفع والتشفير التكييفية، فإن الأدوات التي ستخلف هي تلك التي تعالج نظاماً لا يعمل كه.

ومع تطور تكنولوجيا البطاريات، فإن الدروس المستفادة من الديناميكية الهوائية اليوم ستصبح أكثر قيمة، فمستقبل الطيران الكهربائي ليس فقط حول الدفع النظيف؛ بل يتعلق بالطيران بأذكى استخدام للطاقة أقل للبقاء في الهواء، حتى تظل السماء مفتوحة وخضراء للأجيال القادمة.

For further reading on electric aircraft aerodynamics, see the ]NASA Electric Aircraft Research] page and the EASA overview of electric aircraft.]]