Common-form statistical relations for conceptual sizing of electric and hybrid VTOL unmanned aircraft

إن تصميم طائرة يمكنها الحوم مثل المروحية ثم الطيران للأمام مثل الطائرة يعد واحدًا من أكثر الألغاز تطلبًا في الهندسة الحديثة. هذه الآلات، المعروفة باسم طائرات الإقلاع والهبوط العمودي (VTOL)، يجب أن تلبي مجموعتين مختلفتين تمامًا من القواعد الفيزيائية في آن واحد. فلكي تحوم، تحتاج إلى مراوح قوية تدفع الهواء مباشرة إلى الأسفل لحمل وزنها. ولكي تطير للأمام بكفاءة، تحتاج إلى أجنحة تلتقط الهواء لتوليد الرفع بينما تدور المراوح بسرعة أقل بكثير لتوفير الطاقة. التحدي الذي يواجه المهندسين هو أن هذين المتطلبين غالبًا ما يسيران في اتجاهين متعاكسين؛ فالتصميم ذو المراوح الكبيرة للحوم قد يمتلك أجنحة ثقيلة ومقاومة للهواء تفسد سرعته الأمامية، بينما الطائرة الرشيقة والسريعة قد لا تمتلك طاقة كافية للإقلاع العمودي. ولعقود من الزمن، تطلب إنشاء هذه الآلات الهجينة بناء نماذج أولية مكلفة، واختبارها، ثم البدء من جديد عندما لا تنجح الحسابات الرياضية.

اقترح فريق من الباحثين في الجامعة التقنية في صوفيا طريقة جديدة لحل هذا اللغز قبل قطع قطعة معدنية واحدة. فبدلاً من معامل كل تصميم جديد لطائرة بدون طيار كأنه لغز فريد، قاموا بجمع بيانات من عشرات الطائرات بدون طيار الكهربائية والهجينة الموجودة التي تم بناؤها بين عامي 2011 و2026 لإيجاد نمط مشترك. لقد نظروا في أربع طرق رئيسية لبناء هذه الآلات: بعضها يمتلك محركات منفصلة للرفع والطيران، وبعضها يميل محركاتها بالكامل، وبعضها يميل أجنحتها، وبعضها يطير مثل الطائرة التي تهبط على ذيلها. ومن خلال تحليل الأرقام الواقعية من هذه التصاميم المختلفة، وجد الباحثون أنه رغم اختلاف أشكالها، إلا أنها تتبع جميعًا مجموعة مماثلة من القواعد الإحصائية. هذا الاكتشاف يسم يتيح للمهندسين وضع تخمين موثوق حول حجم الأجنحة المطلوبة، وحجم المراوح اللازم، وكمية طاقة البطارية المطلوبة، بمجرد معرفة وزن الطائرة وسرعتها المستهدفة.

بدأ الباحثون بتجميع مجموعة ضخمة من البيانات من الدراسات المحكمة، ومواصفات الشركات المصنعة، والنماذج البحثية التجريبية. وركزوا على الطائرات بدون طيار الكهربائية والهجيلة، وقسموها إلى عائلاتها المعمارية الأربع. ولكل عائلة، بحثوا عن العلاقة بين وزن الطائرة وحجم أجنحتها، وكذلك العلاقة بين الوزن وإجمالي مساحة المراوح الدوارة. واكتشفوا أنه بالنسبة لسرعة معينة، فإن وزن الطائرة مقسومًا على مساحة الجناح يتبع نمطًا يمكن التنبؤ به لكل نوع من أنواع التصميم. فعلى سبيل المثال، الطائرة التي تستخدم محركات منفصلة للرفع والتحليق تميل لامتلاك حجم جناح مختلف بالنسبة لوزنها مقارنة بطائرة تميل أجنحتها للطيران. ومن خلال حساب هذه الأنماط، أنشأ الفريق مجموعة من المعاملات، أو عوامل القياس، التي تعمل كدليل مرجعي سريع. وتخبر هذه العوامل المهندس أنه إذا اختار نمط تصميم معين، فيمكنه تقدير مساحة الجناح وحجم الدوار المطلوب فورًا دون الحاجة إلى تشغيل عمليات محاكاة حاسوبية معقدة.

كما رسمت الدراسة خرائط لمتطلبات الطاقة لهذه الآلات. ووجد الباحثون أن الطاقة اللازمة للحوم ترتبط مباشرة بمدى تحميل المراوح، وهو مقياس لكيفية مقدار الوزن الذي يجب أن يتحمله كل متر مربع من مساحة الدوار. التحميل الثقيل يتطلب طاقة أكبر، لكن العلاقة تتبع منحنى ثابتًا عبر جميع أنواع الطائرات المختلفة. وبالمثل، وُجد أن الطاقة اللازمة للطيران للأمام بسرعة ثابتة تتناسب مع السرعة نفسها، مع وجود مضاعف محدد لكل نمط تصميم. وهذا يعني أنه بمجرد أن يقرر المهندس سرعة التحليق، يمكنه حساب كمية الطاقة التي ستحتاجها المحركات للحفاظ على ذلك الطيران على الفور. كما نظر الفريق في تخزين البطاريات، وتحديد كمية الطاقة لكل كيلوغرام من وزن الطائرة التي يتم تركيبها عادةً في التصاميم الناجحة، مما يساعد المصممين على تجنب الوقوع في الفخ الشائع لبناء طائرة ثقيلة جدًا بالبطاريات بحيث لا تستطيع الإقلاع، أو واحدة تنفد طاقتها قبل الوصول إلى وجهتها.

ولإثبات نجاح طريقتهم، طبق الباحثون معادلاتهم على مفهوم محدد يسمى TERES-02، وهي طائرة هجينة مصممة لحمل حمولة تبلغ 50 كيلوغرامًا. بدأوا بثلاث مدخلات أساسية فقط: الوزن الإجمالي، سرعة التحليق المطلوبة وهي 33 مترًا في الثانية، وعدد مراوح الرفع، والتي كانت أربعة. وباستخدام قواعدهم الإحصائية، حسبوا أن الطائرة ستحتاج إلى مساحة جناح تبلغ 1.75 متر مربع ومراوح بقطر يبلغ حوالي 0.88 مترًا. ثم كشفت الحسابات أن المحركات ستحتاج إلى إنتاج حوالي 12.87 كيلووات من الطاقة للحوم و2.23 كيلووات للتحليق. وأخيرًا، حددوا أن البطارية ستحتاج إلى سعة لا تقل عن 1.34 كيلووات ساعة للتعامل مع جزء من الطيران العمودي لمدة خمس دقائق. هذه العملية برمتها، التي تستغرق عادةً أسابيع من النمذجة التفصيلية، اكتملت في خطوة واحدة، مما وفر نقطة انطلاق صلبة لمزيد من التطوير.

تكمن قيمة هذا العمل في قدرته على تقليل عدم اليقين في بداية عملية التصميم. فمن خلال استخدام هيكل رياضي واحد يتكيف مع الأشكال المختلفة عبر معاملات بسيطة، أنشأ الباحثون أداة تعمل مع أي طائرة بدون طيار ذات أجنحة ثابتة. وهم يلاحظون بعناية أن هذه المعادلات مخصصة لمرحلة الفرز الأولية وليست بديلًا للهندسة التفصيلية اللاحقة. وتأتي البيانات التي استخدموها من عدد محدود من الطائرات الموجودة، لذا فإن الثقة في النتائج تكون في أعلى مستوياتها للتصاميم التي تشبه التصاميم الموجودة في قاعدة بياناتهم. على سبيل المثال، استندت البيانات الخاصة بتصاميم المراوح المائلة إلى خمس طائرات فقط، مما يجعل هذه الأرقام المحددة أكثر حذرًا من بيانات تصاميم "الرفع والتحليق" التي كان لديها ثمانية أمثلة. كما حدد الباحثون أن أحد القيود الرئيسية لقاعدة بياناتهم الحالية هو نقص قياسات الطاقة الواقعية والمتسقة، حيث تكتفي العديد من المصادر بالإبلاغ عن القدرة النظرية أو المقدرة بدلاً من ما تستهلكه المحركات فعليًا أثناء الطيران.

على الرغم من هذه القيود، تقدم الدراسة مسارًا واضحًا للمستقبل للجيل القادم من الطائرات غير المأهولة. فهي تفصل هندسة الطائرة عن نظام الطاقة، مما يسمح للمصممين بالدمج بين مصادر طاقة مختلفة، مثل البطاريات أو خلايا الوقود، مع شكل الهيكل الأكثر كفاءة. ويؤكد الباحثون أن طريقتهم ليست حلاً سحريًا يلغي الحاجة إلى الاختبار، بل هي وسيلة لضمان أن يكون محاولة التصميم الأولى قائمة على واقع ما تم بناؤه بالفعل. ومن خلال الاعتماد على الخبرة الجماعية لعشرات المشاريع السابقة، يمكن للمهندسين تجنب الأخطاء الأكثر شيوعًا والتركيز على مواردهم لتطوير التصميم بدلاً من التخمين بشأن أبعاده الأساسية. هذا النهج يحول المراحل الأولى من تصميم الطائرات من لعبة حظ إلى علم أكثر قابلية للتنبؤ، مما يساعد في نقل هذه الآلات متعددة الاستخدامات من لوحة الرسم إلى السماء بسرعة أكبر.