Preliminary Design of Hybrid Aircraft Thermal Management System (Tms) Experimental Test Campaign in Cira Icing Wind Tunnel (IWT)
توضح هذه الورقة التصميم الأولي والترقيات المستمرة لنفق الرياح الجليدي التابع لمركز (CIRA) لتمكين التحقق التجريبي كامل النطاق لأنظمة الإدارة الحرارية للطائرات الهجينة بقدرات تصل إلى 0.5 ميجاوات في ظل ظروف طيران واقعية ضمن مشروع (AMBER) الممول من الاتحاد الأوروبي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
أصبح الفضاء فوقنا مكاناً مزدحماً بنوع جديد من المسافرين. فعلى مدى عقود، اعتمدت صناعة الطيران على حرق الوقود لدفع أنابيب معدنية ضخمة عبر الهواء، وهي عملية تطلق ثاني أكسيد الكربون وغازات أخرى في الغلاف الجوي. ولتحقيق الأهداف المناخية العالمية، يصمم المهندسون الآن طائرات تعمل بالكهرباء أو بمزيج من الكهرباء والوقود. وتعد هذه الطائرات الهجينة والكهربائية بمستقبل أنظف، لكنها تجلب مشكلة خفية لا علاقة لها بالهواء الذي تحلق فيه؛ فالبطاريات والمحركات الكهربائية وخلايا الوقة التي تشغل هذه الآلات الجديدة تولد كمية هائلة من الحرارة. ومثلما يتباطأ جهاز الكمبيوتر المحمول عندما يسخن بشدة، يمكن لهذه المكونات القوية أن تتعطل أو تفقد كفاءتها إذا لم تتمكن من التخلص من تلك الحرارة بسرعة. ويكمن التحدي في بناء نظام تبريد يعمل بشكل مثالي سواء كانت الطائرة تقف على مدرج المطار في حرارة الصيف أو وهي تصعد عبر الهواء المتجمد في الارتفاعات العالية. فإذا كان النظام صغيراً جداً، ترتفع حرارة المحرك؛ وإذا كان كبيراً جداً، فإن الوزن الزائد ومقاومة الهواء سيؤديان إلى إفساد مدى طيران الطائرة.
يعمل الباحثون في المركز الإيطالي لأبحاث الفضاء، المعروف باسم CIRA، على حل هذا اللغز من خلال بناء نوع جديد من الاختبارات المختبرية. إنهم يقومون بتطوير نفق الرياح الجليدي الخاص بهم، وهو منشأة ضخمة صُممت في الأصل لدراسة كيفية تكون الجليد على أجنحة الطائرات، ليختبر بدلاً من ذلك أنظمة الإدارة الحرارية لهذه الطائرات الكهربائية المستقبلية. وقد أدرك الفريق، بقيادة ماركو إنفورييتو وزملاؤه، أن النماذج الحاسوبية وحدها لم تكن كافية. فبينما يمكن للمحاكاة التنبؤ بكيفية سلوك نظام التبريد، إلا أنها غالباً ما تغفل الواقع المعقد لكيفية تدفق الهواء حول طائرة حقيقية. ولحل هذه المشكلة، قاموا أولاً بإجراء عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة لمبادل حراري — وهو جهاز ينقل الحرارة من سائل ساخن إلى الهواء البارد في الخارج. لقد قاموا بنمذجة مسار رحلة لطائرة إقليمية، وتتبعوا أداء النظام من الأرض وصولاً إلى ارتفاع 5,500 متر. وكشفت نتائج هذه المحاكاة عن خلل مفاجل وخطير في طريقة تصميم هذه الأنظمة حالياً.
عندما نظر الباحثون في البيانات، وجدوا أن نظام التبريد المصمم ليعمل بأمان على الأرض سيكون مفرط القوة بشكل خطير بمجرد إقلاع الطائرة. فمع صعود الطائرة إلى ارتفاع أعلى، يصبح الهواء في الخارج أكثر برودة وأقل كثافة. وفي المحاكاة التي أجروها، وجد نظام مصمم للتعامل مع 300 كيلوواط من الحرارة على الأرض نفسه قادراً فجأة على طرد أكثر من 900 كيلوواط من الحرارة في الارتفاعات العالية. وهذا الارتفاع الهائل في قدرة التبريد، رغم أنه يبدو أمراً جيداً، خلق مشكلة جديدة. فخلايا الوقود داخل الطائرة تعمل بأفضل حالاتها ضمن نطاق درجات حرارة ضيق. وإذا أصبح نظام التبريد فعالاً للغاية في الارتفاعات العالية، فقد يؤدي ذلك إلى خفض درجة حرارة سائل خلية الوقود إلى 50.8 درجة مئوية، وهو ما يقل كثيراً عن نطاق التشغيل الآمن. وهذا "البرد الشديد" لخلية الوقود قد يتسبب في فقدانها لكفاءتها أو توقفها عن العمل تماماً. ولمنع حدوث ذلك، سيتعين على المهندسين إضافة صمامات وأجهزة تحكم معقدة لتقليل التبريد، مما يزيد الوزن ويخلق المزيد من نقاط الفشل. وبدلاً من ذلك، إذا قاموا بتحديد حجم المبادل الحراري ليتناسب فقط مع ظروف الارتفاعات العالية، فسيكون كبيراً وثقيلاً جداً بالنسبة للإقلاع، مما يخلق سحباً غير ضروري ويستهلك الوقود بلا داعٍ.
ولفهم كيفية حل هذه المشكلة بدقة، يقوم الفريق بتحويل نفق الرياح الخاص بهم إلى ساحة اختبار لأنظمة التبريد كاملة الحجم. هذه المنشأة، التي يمكنها محاكاة سرعات طيران تصل إلى ماخ 0.7 ودرجات حرارة تنخفض إلى 40 درجة تحت الصفر، يتم تجهيزها بنظام توليد حراري جديد. يمكن لهذا النظام ضخ سائل ساخن عبر قطعة الاختبار بمعدلات تصل إلى 1,200 لتر في الدقيقة، مما يحاكي الناتج الحراري لمحرك كهربائي أو بطارية حقيقية. وبخلاف منصات الاختبار القياسية التي تستخدم المراوح لدفع الهواء فوق المبرد، يستخدم نفق الرياح هذا الضغط الطبيعي للهواء المتحرك لدفع الهواء عبر نظام التبريد، تماماً كما تفعل الطائرة الحقيقية. وهذا يسمح للباحثين ليس فقط بقياس مدى جودة تبريد النظام، بل وأيضاً قياس السحب الديناميكي الهوائي الذي يسببه وتكون الجليد على أسطحه أثناء الطيران.
سيتيح النفق المطور للفريق إجراء اختبارات تتطابق مع ملفات الطيران المحددة للطائرات الإقليمية، من الانتقال من ظروف الأرض إلى عمليات الصعود إلى الارتفاعات العالية مع مراقبة كل درجة حرارة وكل قطرة ضغط. ويخططون لاختبار كيفية سلوك النظام عندما تطير الطائرة في خط مستقيم، وأيضاً عندما تنعطف أو تنزلق جانبياً، وهي ظروف تجد النماذج الحاسوبية صعوبة في التنبؤ بها بدقة. ومن خلال الجمع بين هذه الاختبارات الفيزيائية ومحاكاتهم السابقة، يهدف الباحثون إلى إنشاء طريقة موثوقة لتحديد أحجام أنظمة التبريد هذه. والهدف هو إيجاد تصميم خفيف بما يكفي للإقلاع، وقوي بما يكفي للطيران في الارتفاعات العالية، وبسيط بما يكفي ليكون آمناً. ويعد هذا العمل جزءاً من مشروع AMBER الأكبر، الممول من الاتحاد الأوروبي، والذي يسعى إلى التحقق من التقنيات اللازمة لمستقبل طيران خالٍ من الانبعاثات. ستساعد هذه النتائج في ضمان قدرة الجيل القادم من الطائرات على نقل ركابها بأمان وكفاءة، دون خطر ارتفاع درجة الحرارة أو التجمد في السماء.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.