Design optimization of a box-wing for a foldable drone

في عالم الطيران، هناك صراع مستمر بين الحاجة إلى البقاء في الجو والحاجة إلى التحرك للأمام. لعقود من الزمن، سعى المهندسون لإيجاد طرق لجعل الطائرات أكثر كفاءة، مما يعني قدرتها على حمل وزن أكبر أو السفر لمسافات أبعد باستخدام طاقة أقل. أحد أكثر الأفكار استدامة في هذا المسعى يأتي من مفهوم عمره قرن من الزمان يُعرف باسم "الجناح الصندوقي" (box wing). فبدلاً من جناح واحد مسطح، يتميز هذا التصميم بجناحين متراصين فوق بعضهما البعض، متصلين عند أطرافهما بدعامات رأسية لتشكيل شكل صندوق مغلق. يخلق هذا التكوين بنية قوية بطبيعتها ويمكنها توليد قوة رفع كبيرة، ولكنه يمثل أيضاً لغزاً معقداً لعلماء الديناميكا الهوائية. يكمن التحدي في تشكيل كل منحنى وزاوية بحيث يعمل الهواء المتدفق فوق وتحت الأجنحة معاً بدلاً من أن يتصارعا. وبينما تمت دراسة هذه الفكرة للطائرات عالية السرعة، فإن تطبيقها على الطائرات بدون طيار الصغيرة التي تعمل بالبطارية يفرض مجموعة جديدة من الصعوبات؛ فهذه الآلات الصغيرة تطير بسرعات أقل بكثير، حيث يتصرف الهواء بشكل مختلف، وغالباً ما يخلق جيوباً من الاضطرابات التي يمكن أن تسبب فقدان الأجنحة لتماسكها مع الهواء فجأة.

وضع فريق من الباحثين هدفهم لحل هذا اللغز من خلال تصميم نوع جديد من أجنحة الطائرات بدون طيار، لا يكون فعالاً فحسب، بل وعملياً أيضاً للنقل. كان هدفهم هو إنشاء تكوين "جناح صندوقي" يمكن طيه، مما يسمح للطائرة بدون طيار بأن تتسع داخل حقيبة ظهر أو حاوية صغيرة عند عدم الاستخدام. ولتحقيق ذلك، لم يعتمدوا على التخمين أو مجرد التجربة والخطأ، بل استخدموا نظاماً حاسوبياً متطوراً عمل كأنه مستكشف دؤوب، يختبر آلاف الأشكال المختلفة لإيجاد الشكل الأفضل أداءً. جمع هذا النظام بين البحث الواسع في جميع التصاميم الممكنة والتركيز الحاد على المناطق الأكثر واعدة، مع تحسين الشكل خطوة بخתوة. لقد قاموا بمحاكاة طيران الطائرة بسرعة 50 كيلومتراً في الساعة، وهي سرعة التحليق النموذجية لهذا النوع من الآلات، باستخدام برامج عالية الدقة تحاكي الهواء كسائل يتحرك حول الجناح. كان الهدف واضحاً: تعظيم قوة الرفع التي تبقي الطائرة محلقة، مع تقليل السحب الذي يبطئ سرعتها.

تعامل الباحثون مع المشكلة على مراحل، حيث قاموا بتفكيك الشكل ثلاثي الأبعاد المعقد إلى قطع أصغر يمكن إدارتها. أولاً، قاموا بتحسين المقطع العرضي للجناح نفسه، وهو الشكل الذي ستراه إذا قطعت الجناح من الأمام إلى الخلف. وجدوا أن الشكل المثالي للجناحين العلوي والسفلي ليس كجناح الطائرة القياسي؛ بل يجب ضبطه بعناقة ليعمل في المساحة الضيقة بين الطبقتين. بعد ذلك، ركزوا على القطعة الرأسية التي تربط الجناحين العلوي والسفلي. هذا الجزء بالغ الأهمية لأنه يقع في منطقة الاضطراب الناتجة عن الأجنحة فوقه وتحته. ومن خلال إعادة تشكيل هذا الرابط، تمكنوا من تحسين الكفاءة الإجمالية للجناح بمقدار ضئيل ولكن ملموس، مما يثبت أن حتى أصغر أجزاء التصميم لها أهميتها.

جاء الاختراق الأهم عندما قاموا بتحسين الهيكل الثلاثي الأبعاد بأكمله معاً. لقد سمحوا للحاسوب بتغيير طول الأجنحة، وعرض القطعة الموصلة، وزاوية الزوايا. وكانت النتيجة تكويناً بدا مختلفاً بشكل مفاجئ عن نقطة انطلاقهم. تميز التصميم النهائي بجناح سفلي أضيق بشكل ملحوظ من الجناح العلوي، وهو خيار غير بديهي تبين أنه مفتاح النجاح. ساعد هذا التباين في جعل تدفق الهواء أكثر سلاسة عبر الهيكل بأكمان، مما قلل من السحب الذي يعيب عادةً تصاميم الأجنحة الصندوقية. وعند اختبار هذا الجناح المحسن بالكامل في المحاكاة، أظهر تحسناً بنسبة ستة عشر بالمائة في الكفاءة الديناميكية الهوائية مقارنة بالتصميم الأصلي. علاوة على ذلك، عندما دمج الباحثون أهداف قوة الرفع والكفاءة في مقياس واحد للأداء، أظهر التصميم الجديد زيادة بنسبة اثنين وعشرين بالمائة. وهذا يعني أن الطائرة بدون طيار يمكنها نظرياً الطيران لفترة أطول أو حمل حمولة أثقل دون الحاجة إلى بطارية أكبر.

لضمان موثوقية هذه النتائج، أجرى الفريق عمليات المحاكاة بمستويات مختلفة من التفصيل، للتحقق من أن الأرقام ظلت متسقة حتى مع زيادة تعقيد النموذج الحاسوبي. كما استكشفوا كيفية تعامل الطائرة مع تغيرات الطيران من خلال إضافة أجنحة صغيرة (قلابات) في الجزء الخلفي من الأجنحة واختبار كيفية تأثير إمالتها على الطيران في دراسة بارامترية منفصلة. واكتشفوا أنه بالنسبة للزيادات الصغيرة في قوة الرفع، فمن الأفضل إمالة الجناح (القلاب) العلوي فقط. ومع ذلك، إذا كانت الطائرة بحاجة إلى الصعود بشكل حاد أو حمل حمولة ثقيلة، فيجب استخدام كلا الجناحين معاً. اقترح الحاسوب تسلسلاً محدداً لتحريك هذه الأجنحة للحفاظ على أفضل كفاءة ممكنة، مما أظهر أن الجناح العلوي يقوم بمعظم العمل الشاق بينما يدعمه الجناح السفل عندما تزداد المتطلبات.

تخلص الدراسة إلى أن تصميم الجناح الصندوقي القابل للطي هذا يعد حلاً قابلاً للتطبيق وعالي الكفاءة للجيل القادم من الطائرات بدون طيار. وبينما أجري البحث بالكامل من خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية، فإن النتائج قوية بما يكفي للإشارة إلى أن مبادئ التصميم سليمة. يسلط هذا العمل الضوء على أنه من خلال الجمع بين قدرات الحوسبة المتقدمة والرغبة في إعادة التفكير في الأشكال التقليدية، يمكن للمهندسين إنشاء آلات ليست أكثر قدرة فحسب، بل وأكثر عملية للاستخدام اليومي. إن القدرة على طي الأجنحة دون التضحية بالأداء تفتح الباب أمام طائرات بدون طيار يمكن نقلها بسهولة إلى المواقع النائية، وتكون جاهزة للطيران في أي لحظة. يوفر هذا البحث أساساً متيناً للتطورات المستقبلية، ليكون نقطة انطلاق لتصميم الأجيال القادمة من الطائرات بدون طيار القابلة للطي.