Design and Numerical Verification of an Electric Ducted-Fan Propulsion Experimental Platform with Two Configurations

غالباً ما يبدو مستقبل الطيران الهادئ والنظيف على هيئة مروحة مخفية داخل أنبوب. هذا هو المروحة الكهربائية الموجهة (electric ducted fan)، وهو نظام دفع حيث يقوم محرك قوي بتدوير شفرات داخل أسطوانة مصممة بعناًية. وخلافاً لمروحة الطائرة التقليدية التي توضع في الهواء الطلق، يستخدم هذا التصميم الأنبوب لتوجيه الهواء، وضغطه وتسريعه لتوليد الدفع. ينجذب المهندسون إلى هذه الأنظمة لأنها يمكن أن تُدمج داخل الأجنحة أو هياكل الطائرات، مما يوفر طريقة مرنة لتشغيل الجيل القادم من الطائرات الكهربائية. ومع ذلك، فإن بناء آلة تعمل بشكل جيد على لوحة الرسم يختلف تماماً عن بناء واحدة تعمل في العالم الحقيقي. ولكي يعرف العلماء ما إذا كانت المروحة والأنبوب يعملان بكفاءة حقاً، يجب عليهم قياس مقدار الطاقة التي يفقدها الهواء أثناء اندفاعه عبر النظام. فإذا كان شكل الأنبوب سيئاً، سيتدفق الهواء بشكل دوامي ويتعثر، مما يهدر الطاقة. أما إذا كان شكله جيداً، فسينساب الهواء بسلاسة، محافظاً على طاقته لدفع الطائرة للأمام.

ولحل هذه المشكلة، صمم فريق من الباحثين في جامعة شانغهاي جياو تونغ والمؤسسة الصينية لعلوم وتكنولوجيا الفضاء منصة اختبار جديدة واسعة النطاق. فقد بنوا منصة تجريبية متخصصة قادرة على استيعاب نوعين مختلفين من إعدادات المروحة: أحدهما حيث يتم تركيب المروحة مباشرة على مقطع من جناح طائرة، والآخر حيث توضع المروحة داخل أنبوب قائم بذاته. كان الهدف هو إنشاء بيئة موثوقة حيث يمكنهم اختبار كيفية سلوك الهواء داخل هذه الأنظمة دون التداخل من الرياح أو تأثيرات الأرض التي عادة ما تفسد القياسات. ولأن بناء النماذج الأولية المادية واختبارها أمر مكلف ويستغرق وقتاً طويلاً، استخدم الفريق أولاً عمليات محاكاة حاسوبية قوية للتحقق من أن منصة الاختبار الجديدة ستعمل بشكل صحيح. لقد قاموا بنمذجة تدفق الهواء عبر غرفة الاختبار، والتحقق مما إذا كان الهواء سيبقى مستقراً ومنتظماً قبل أن يصل إلى المروحة.

وجد الباحثون أن منصتهم الجديدة كانت على قدر المهمة. فعندما قاموا بمحاكاة حركة الهواء عبر غرفة الاختبار بسرعات تتراوح من نسيم لطيف إلى قوة تصل إلى 100 كيلوغرام في الثانية، ظل تدفق الهواء سلساً ومستقراً. وهذا الاستقرار أمر بالغ الأهمية، لأن أي اضطراب قادم من غرفة الاختبار نفسها من شأنه أن يشوه النتائج، مما يجعل من المستحيل معرفة ما إذا كانت المروحة تعمل بشكل جيد أم سيئ. وقد أظهرت عمليات المحاكاة أن الهواء الداخل إلى المروحة كان نظيفاً ومتسقاً، بغض النظر عما إذا كانت المروحة متصلة بنموذج جناح أو واقفة بمفردها في أنبوب. وقد أكد هذا أن منصة الاختبار المادية التي صمموها ستوفر بيانات دقيقة للتجارب المستقبلية.

بمجرد التحقق من صحة المنصة، وجه الفريق اهتمامهم إلى أداء التكوينين المختلفين للمروحة. فقد قاموا بقياس مقياس محدد يسمى معامل استعادة الضغط الكلي، والذي يخبر المهندسين جوهرياً بمقدار الطاقة التي يحافظ عليها الهواء أثناء انتقاله عبر النظام. وتعني القيمة الأعلى ضياعاً أقل للطاقة. كانت النتائج مبهرة؛ فبالنسبة للمروحة المثبتة على الجناح، حافظ النظام على أكثر من 99 بالمائة من طاقة الهواء. أما بالنسبة لنموذج الأنبوب القائم بذاته، فقد كانت الكفاءة أعلى قليلاً، حيث حافظ على أكثر من 99 بالمائة من الطاقة أيضاً. تشير هذه الأرقام إلى أن كلا التصميمين يسمحان بمرور الهواء من خلالهما مع فقدان ضئيل جداً، وهي علامة على نظام دفع هندسي متقن.

لم يتوقف الفريق عند مجرد التأكد من أن التصاميم تعمل، بل بحثوا أيضاً عن طرق لجعلها أفضل. فقد أدركوا أن شكل مدخل الأنبوب، حيث يدخل الهواء لأول مرة، يلعب دوراً كبيراً في مدى سلاسة حركة الهواء. ومن خلال تغيير المدخل من شكل متسع إلى حافة منحنية أكثر انسيابية، تمكنوا من توجيه الهواء بلطف أكبر نحو المروحة. وكان لهذا التغيير الهندسي الطفيف تأثير ملموس؛ ففي عمليات المحاكاة الخاصة بهم، أدى مدخل الأنبوب المُحسَّن إلى تقليل فقدان الطاقة بشكل أكبر، مما رفع تصنيف الكفاءة إلى ما يقرب من 99.3 بالمائة. يثبت هذا التحسن أن التغييرات الطفيفة في شكل المدخل يمكن أن تعزز الأداء بشكل كبير.

كما تناولت الدراسة سؤالاً عملياً لأي شخص يبني مرفق اختبار: أين يجب وضع المروحة داخل الغرفة؟ قام الباحثون بمحاكاة المروحة في المقدمة، والمنتصف، والخلف. ووجدوا أن الموقع لا يهم؛ فطالما أن الهواء يتدفق بسلاسة إلى الغرفة، فإن المروحة تعمل بنفس الطريقة بغض النظر عن مكان وجودها. تمنح هذه النتيجة المهندسين مرونة كبيرة عند تصميم مساحات الاختبار الخاصة بهم، حيث لا يحتاجون إلى القلق بشأن التمركز الدقيق للحصول على نتائج صالحة.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل أساساً متيناً لتطوير دفع الطائرات الكهربائية. فمن خلال تصميم منصة اختبار قوية والتحقق من أدائها عبر النمذجة الحاسوبية التفصيلية، أنشأ الباحثون أداة يمكنها قياس مدى كفاءة المراوح الكهربائية الموجهة بشكل موثوق. وتؤكد نتائجهم أن هذه الأنظمة يمكن أن تحقق كفاءة عالية، وأن الاهتمام الدقيق بشكل مدخل الهواء يمكن أن يستخلص حتى المزيد من الأداء. ومع توجه صناعة الطيران نحو التقنيات الأكثر رفقاً بالبيئة، سيكون امتلاك طريقة موثوقة لاختبار وتحسين هذه المراوح القوية أمراً ضرورياً لتحويل وعد الطيران الكهربائي إلى واقع ملموس.