إنّها تُمثّل إحدى أكثر الحدود واعدة في الطيران المستدام، ومن خلال تسخير الطاقة مباشرة من الشمس، تُلغي هذه الطائرات انبعاثاتها المُتعقّدة، وتُقلّص من الاعتماد على الوقود الأحفوري، وتُعتبرها بديلاً ملائماً للبيئة لأدوار الطيران المحددة مثل المراقبة العالية، وشحنات الاتصالات، والرصد البيئي.

استعراض عام لأطر إصدار شهادات الطيران

شهادة تشغيلية، وأجهزة تحكمية خاصة، وأجهزة الدفع الآلي، وأجهزة التحكم في الهواء، وأجهزة الدفع غير المرخصة، وأجهزة الدفع الآلي، وأجهزة الدفع غير المرخصة، وأجهزة الدفع، وأجهزة الدفع، وأجهزة النقل الجوي، وأجهزة النقل الجوي، وأجهزة النقل، وأجهزة النقل الجوي، وأجهزة النقل الجوي، وأجهزة النقل، وأجهزة النقل الجوي،

المرحلة 1: اعتبارات التصميم والتطوير

النزاهة الهيكلية والمواد الخفيفة الوزن

(ب) [تبدأ عملية التصديق قبل فترة طويلة من بناء أي طائرة: خلال مرحلة التصميم والتطوير، يجب على المهندسين أن يتقدموا بطلب للحصول على موافقة تصميمية أو تشاور مسبق مع السلطة المعنية، وهذا الإشراك المبكر يساعد على تحديد الأساس الذي سيطبقه الاعتماد، أما بالنسبة للطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية والتي عادة ما تكون لها نسب عالية جداً، وتدني تحميل الأجنحة، والهياكل ذات الوزن الخفيف، فتشكلان هيكلياً تحدياً كبيراً.

مجموعة الكشافة

ومن الجوانب الفريدة من نوعها في إصدار شهادات الطائرات بالطاقة الشمسية، دمج الألواح الضوئية ذات الطاقة الكهربائية في الأجنحة، وأحياناً التبخير، وهذه الألواح ليست مجرد مصادر للطاقة؛ بل إنها تصبح جزءاً من سطح الهوائي ويجب التصديق عليها من أجل قيمة الطيران، وتعالج عملية التصديق الضبط الآلي للخلايا الشمسية، والحماية من الضربات التي تصيب الهابط أو الطائر، والعزل الكهربائي لجزء من هذه المركبات، ومقاومة لضربات الكهربائية.

المرحلة 2: التشييد الأولي والاختبارات الأرضية

وبوضع خطة تصميم مصدق عليها، يقوم المصنع ببناء نموذج أولي أو طائرة إنتاجية سابقة، وتشمل هذه المرحلة اختبارا أرضيا واسعا للتحقق من الأداء والسلامة قبل الرحلة الأولى.

  • Static structural tests:] The airframe is loaded to ultimate design loads using Sandbags or hydraulic actuators to verify strength. For solar-integrated wings, the test must include the effect of panel attachment.
  • Environmental testing:] Solar panels and batteries undergo temperature cycling, humidity, and altitude chamber tests to ensure they function in the operating environment.
  • Electromagnetic compatibility (EMC): The aircraft's electronics must not interfere with navigation or communication systems, and must survive external electromagnetic fields.
  • (أ) اختبار السلامة البطاري: ] البطاريات الليثيوم -يون المستخدمة في الطائرات الشمسية تخضع لفحوصات الرواسب الحرارية، والحماية من الحمولة الزائدة، ومتطلبات الاحتواء من الحرائق، ولدى وكالة الطيران الاتحادية توجيه محدد لإصدار شهادات البطاريات بموجب المادة 20-180 أو ما شابه ذلك.
  • Solar array electrical electrical testing:] المهندسون يقيسون ناتج صفيفة PV تحت ضوء الشمس المحاكاة ويتحققون من أن نظام إدارة الطاقة يمكن أن يعالج شعاعاً متفاوتاً.

وتوثق جميع نتائج الاختبارات الأرضية في تقارير الامتثال التي تصبح جزءا من طلب التصديق، وقد تشهد السلطات اختبارات رئيسية أو تحتاج إلى تحقق مستقل من المختبرات المعتمدة.

المرحلة 3: اختبار الطيران وجمع البيانات

اختبار الطيران هو أكثر المراحل أهمية بالنسبة للشهادة، حيث يتأكد من أداء الطائرة، ومناولة الصفات والنظم في ظروف حقيقية، بالنسبة للطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية، اختبار الطيران حساس بشكل خاص لطقس وزمن النهار، ويجب القيام بسلسلة من رحلات الاختبار لجمع البيانات عبر مظروف الطيران، ويشمل برنامج اختبارات الطيران المثالي:

التوسع في المرافق

وتستكشف الرحلات الجوية الأولية سرعة منخفضة لتأكيد خصائص المماطلة والمناولة، وكثيرا ما تكون للطائرات ذات الطاقة الشمسية سلوكيات بطيئة جدا بسبب تحميل الأجنحة المنخفضة، ولكنها قد تكون قد خفضت سلطة التحكم بسبب وجود أجنحة طويلة وضوابط للوزن الخفيف، وتقوم الطيارات أو المشغلات النائية بأداء المكسوات، وتدور في زوايا مصرفية مختلفة، وتسريع الطائرات، ويجب أن تثبت أنها قابلة للمراقبة ويمكن استردادها في جميع المظار المظارها.

تقييم أداء الطاقة الشمسية والبطاريات

وعلى عكس الطائرات التقليدية، تعتمد الطائرات العاملة بالطاقة الشمسية على مصدر للطاقة المتجددة يتباين بزاوية الشمس، والغطاء السحابي، والارتفاع، وتقيس اختبارات الطيران المدخلات الشمسية الفعلية، ومعدلات شحن البطاريات/الشحن، وكفاءة السيارات، ويجب أن يشمل برنامج الاختبار دورة كاملة من الليل للبرهنة على أن البطاريات يمكن أن تستمر في الطيران خلال الليل مع وجود احتياطي كاف، وهذا الشرط غالبا ما يكون شرطا خاصا تفرضه هيئة إصدار الشهادات.

اختبارات عدم وجود نظام

ويتطلب التثبت من أن الطائرة قادرة على معالجة الفشل، ويشمل ذلك عطل المحرك (إغلاق المحرك الكهربائي)، والفشل، وفشل فرق الطاقة الشمسية، ويجب التحقق من درجة واحدة من المحركات غير العاملة في مجال التسلق، كما يجب اختبار الطائرة بسبب فقدان الطاقة من السحب أو أنماط الظل، كما أن إجراءات الطوارئ، مثل الهبوط إلى ارتفاعات أقل لتقليل الطاقة الدخيلة أو إعادة توجيهها، قد تحققت.

اختبار الثراء الجوي المستمر

فإلى جانب التصديق الأولي، كثيرا ما تتطلب السلطة سلسلة من الرحلات لتحفيز الاستخدام التشغيلي، وقد يشمل ذلك عمليات الإقلاع والهبوط المتكررة (إذا استخدمت معدات الهبوط التقليدية) أو إجراءات الإطلاق والاستعادة لنظم الارتفاع العالية، وبالنسبة للطائرات الشمسية التي تعمل لفترات طويلة، يلزم إجراء اختبارات سريعة للشيخوخة ورحلات طويلة الأجل لضمان عدم تدهور المكونات بصورة غير متوقعة.

المرحلة 4: تطبيقات التصديق والاستعراض والموافقة

تجميع مجموعة وثائق التصديق

وبعد إتمام اختبارات الطيران وحل جميع المسائل، يقدم الصانع طلبا رسميا للحصول على شهادة من النوع، ويشمل ذلك عادة ما يلي:

  • وصف التصميم النوعي
  • قوائم مرجعية للامتثال تبين كيفية استيفاء كل لائحة
  • التقارير التقنية (الهياكل، والكهرباء، والنظم، والبرامجيات)
  • تقارير اختبار الطيران والبيانات
  • تعليمات بشأن استمرار صلاحية الطيران وكتيبات الصيانة
  • دليل تشغيلي للرحلات الجوية أو دليل تشغيلي تجريبي
  • خطة ضمان الجودة للإنتاج

وبالنسبة للطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية، يمكن أن تتضمن وثائق إضافية خطة لإدارة الطاقة الشمسية، وإجراءات خاصة لصيانة البطاريات، والقيود المفروضة على ساعات العمل أو ظروف الطقس، وسوف يستعرض قانون الطيران الاتحادي أو وكالة الفضاء الأوروبية هذه المجموعة من أجل التكملة والدقة التقنية.

التفتيش ومراجعة الحسابات والتطابق

وتُجري سلطات التصديق عمليات تفتيش واسعة النطاق للطائرات الأولية ومرافق الإنتاج، وتتحقق من أن الطائرة مطابقة لتصميم النوع وأن المكونات تُنتج وفقا لمعايير الجودة المطلوبة، وبالنسبة للطائرات التجريبية، يجوز للسلطة إصدار شهادة خاصة بالصلاحية الجوية في الفئة التجريبية، مع فرض قيود مثل " لا عمليات تجارية " أو " لا توجد إلا شروط للتأهيل التجاري " بموجب الجزء 135 أو الجزء 121، وهي شهادة معيارية.

النوع من الشهادات

وإذا استوفيت جميع المتطلبات، تصدر السلطة شهادة من النوع (TC) لتصميم الطائرات، وتحدد هذه شهادة التكييف التشكيلة المعتمدة، والقيود التشغيلية، وأي شروط خاصة، وتشمل القيود النموذجية بالنسبة للطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية ما يلي:

  • الحد الأقصى لمستويات الإشعاع الشمسي للإقلاع
  • الحد الأدنى للبطارية
  • الحد الأقصى للارتفاع بالطاقة الشمسية المستدامة
  • القيود المفروضة على التشغيل في ظروف التهطال أو التكسير (بما أن الألواح الشمسية قد لا تحتمل تراكم الجليد)

وبوجود شركة TC، يمكن للمصنع أن يطلب شهادة إنتاج لبناء طائرات متسلسلة، وتتلقى كل طائرة شهادة صلاحية جوية بعد التفتيش.

Unique Certification Challenges for Solar-Powered Aircraft

وفي حين أن عملية التصديق العامة توازي أي طائرة، فإن التصميمات التي تعمل بالطاقة الشمسية تُحدث عقبات محددة تتطلب نُهجا مبتكرة.

تخزين الطاقة وسلامة البطاريات

وتعتمد الطائرات ذات الطاقة الشمسية اعتمادا كبيرا على البطاريات ذات القدرة العالية على تخزين الطاقة للرحلات الليلية، إذ أن إصدار شهادات البطاريات بموجب معايير الطيران (مثلا، نظام RTCA DO-311 لبطاريات الليثيوم المتجدد) أمر شامل، كما أن خطر الركض الحراري يتعلق بصفة خاصة، إذ يجب أن تظهر البطاريات درجة التسامح إزاء الإفراط في الشحن، والدائرة الخارجية القصيرة، ودرجة الحرارة المادية.

التبعية الطبيعية والبيئية

أداء الطائرات ذات الطاقة الشمسية مرتبط بشكل متأصل بتوافر ضوء الشمس يجب أن يحدد التأقلم معايير الأداء الموثوقة على الرغم من الطقس المتغير هذا يؤدي إلى قيود تشغيلية تقلل من مرونة الطائرة، على سبيل المثال، لا يمكن أن تنفجر الطائرة إذا ما أظهرت التوقعات وجود سحابات ثابتة أو ارتفاعات شمسية منخفضة، وقد تحتاج السلطات إلى هامش أمان لاحتياطيات الطاقة يعادل ساعة إضافية من الطيران.

المرونة الهيكلية والارتفاع

وللحد من الوزن، كثيرا ما تكون الأجنحة التي تعمل بالطاقة الشمسية مرنة للغاية، مما يؤدي إلى شواغل هطولية مثل التقلب والاختلاف والتراجع في السيطرة، ويتطلب التكهن تحليل الفلور واختبار تذبذب الرحلات الجوية لضمان عدم حدوث أي ظواهر خطرة في ظرف الطيران، ونظرا لأن توزيع الشدة كثيرا ما يؤثر على تركيبة الألواح الشمسية، يجب على المهندسين أن يصمموا الهيكل المركب بدقة.

نسبة منخفضة من الثروات إلى الوزن

فالطائرات ذات الطاقة الشمسية لديها نسب منخفضة جدا من حيث الدفع إلى الوزن (التي تقارب 0.1 إلى 0.2) مقارنة بالطائرات، وهذا يعني أن لديها أداء ضعيف في مجال التسلق، ولا يمكن أن تنفذ إجراءات النهج المفقودة في الطيران التجاري، ويتطلب التصديق أن لا تزال الطائرة قادرة على مواجهة درجات التطهير العقبية حتى أثناء التسلق مع محركات واحدة (إذا كانت متعددة الوسائط)

التوقعات المستقبلية: معايير التأهيل المتطورة للطيران الشمسي

وتتطور مشهد التصديق على الطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية بسرعة، حيث تنضج التكنولوجيا وتنتقل الطائرات الشمسية إلى الخدمة في بعثات مثل الربط الشبكي عبر الإنترنت، ورصد الأرض، ورصد الكوارث، يعمل المنظمون على دمجها في المجال الجوي، وهناك اتجاهات عديدة ترسم مستقبل التصديق:

  • Harmonization of standards:] FAA and EASA are cooperating on performance-based regulations for electric and solar aircraft, moving away from prescriptive rules. This includes the development of new certification categories for "advanced air mobility" and "electric VTOL" that may also apply to solar fixed-wing aircraft.
  • Special conditions for HAPS:] High-Altitude Pseudo-Satellites are prompting dedicated certification frameworks. EASA published ]Special Condition for HAPS in 2020, addressing solar power, long endurance, automatic flight control.
  • Battery and solar panel technology advancements:] Improvements in energy density, cycle life, and safety are easing certification burdens. Perovskite solar cells and solid-state batteries promise better performance and reduced safety risks, which may allow less conservative operating limits.
  • Autonomy and detect-and-avoid systems:] Many solar aircraft are unmanned. Certification of autonomous flight systems is a major focus. Authorities require reliable detect-and-avoid capability to meet "safety case" standards equivalent to a manned aircraft. Advances in onboard sensors, artificial Typeer, and redundant communication links
  • Environmental certification:] Beyond safety, agencies like the FAA and EASA are increasingly considering environmental criteria. Solar aircraft already produce zero in-flight emissions, but certification may also consider noise, electromagnetic emissions, and life- cycle sustainability. This could provide a regulatory advantage for solar designs.

كما تتقدم الصناعة، عملية التصديق نفسها ستصبح أكثر كفاءة، في حين أن التصديق على الطائرات الشمسية المبكرة مثل (سولار إيمبولز) استغرق عقداً تقريباً، ويتطلب العديد من الظروف الخاصة، مشاريع جديدة مثل (سكايدولر) (خلف تكنولوجيا الإنفجار الشمسي) و(أيروفيونت سونغليدر) تُعزز التجارب السابقة واللوائح المستكملة.

وفي الختام، فإن عملية التصديق على الطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية هي رحلة شاملة ومتعددة المراحل تتطلب تعاونا وثيقا بين الجهات المصنعة وسلطات الطيران، ومن التصميم الأولي والاختبارات الأرضية إلى التحقق من الطيران والاستعراض التنظيمي، يجب أن تتصدى كل خطوة للتحديات الفريدة المتمثلة في الدفع الشمسي، والهياكل ذات الوزن الخفيف، وإدارة الطاقة، وفي حين أن العمليات الحالية المعتمدة تظل في الغالب تجريبية أو متخصصة، فإن المؤسسات تُرسَل إلى جانب مستقبل يمكن فيه للطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية أن تعمل بشكل روتيني وتجاري.