طائرات السلسلة X، والتي تم تصميم العديد منها بواسطة وكالة ناسا، تم استخدامها تاريخياً لاستكشاف حدود تكنولوجيا الطيران. تركز X-57 Maxwell، مع اتباع هذا التقليد، على مجال مبتكر: طائرات كهربائيةوهو مجال رئيسي في البحث عن طيران أكثر استدامة.
يعتمد X-57 على Tecnam P2006T، وهي طائرة خفيفة ذات محركين، تم تعديلها تدريجيًا لتصبح طائرة كهربائية بالكامل. وينقسم المشروع إلى عدة مراحل، بدءاً بتقييم النسخة الأصلية من محرك Tecnam P2006T في تكوين الاحتراق الداخلي الخاص به، والذي سمح للمهندسين بالحصول على المعلمات المرجعية.
المرحلة 1: إعداد Tecnam P2006T
قبل إجراء التحويل الكهربائي، حصلت وكالة ناسا على جهاز Tecnam P2006T القياسي لمقارنته بتجسيده الكهربائي المستقبلي. خلال هذه المرحلة الأولى، المحركات الكهربائية تم اقتراحها وتم تركيبها على قسم جناح متصل بشاحنة، مما سمح باختبار المراوح والمتغيرات الديناميكية الهوائية الأخرى على الأرض. تم إكمال هذه المرحلة بنجاح، مما يوفر بيانات مهمة عن أداء المحركات الكهربائية في المواقف المختلفة.
المرحلة الثانية: استبدال المحرك
وفي المرحلة الثانية، محركات الاحتراق تمت إزالة محركات Tecnam الأصلية واستبدالها بمحركات كهربائية. بالمقارنة مع محركات البنزين، تعتبر المحركات الكهربائية أخف بكثير؛ في الواقع، يزنون نصف هذا الوزن. سمح هذا التغيير لمهندسي ناسا بتحليل الاختلافات في السلوك بين الإصدارين وفحص معلمات الطيران وكفاءة الطاقة للطائرة بمحركات جديدة، والتي وفرت نقطة انطلاق للتحسينات المستقبلية.
كشفت هذه الاختبارات المبكرة عن اختلافات رئيسية في الأداء الديناميكي الهوائي، مما يؤكد الحاجة إلى إعادة تصميم بعض أجزاء الطائرة للتأكد من أن التغيير إلى المكونات الكهربائية لا يؤثر سلبًا على الاستقرار أثناء الرحلة.
التعديلات اللاحقة: التصميم النهائي للطائرة X-57 Maxwell
لا يحل تصميم X-57 Maxwell الكامل محل المحركات فحسب، بل يتضمن أيضًا تعديلات واسعة النطاق على الأجنحة. تم استبدال الأجنحة الأصلية بأخرى أطول وأرق، مما أدى إلى تحسين الكفاءة الديناميكية الهوائية. ويتكامل في هذه الأجنحة ما مجموعه 14 محركًا كهربائيًا، موزعة على النحو التالي:
- 12 محركًا موزعة على طول كل جناح، والتي ستساعد بشكل أساسي أثناء الإقلاع والهبوط.
- محركان ذوا قوة أعلى يقعان في طرفي الأجنحة، مخصصان لدفع الطائرة أثناء الطيران.
بمجرد وصول X-57 إلى سرعة الانطلاق، يتم تنشيط المحركات الرئيسية بينما يتم طي مراوح المحركات الـ 12 المتبقية، مما يقلل بشكل كبير من مقاومة الرياح ويحسن كفاءة الطاقة. ويسعى هذا التصميم المبتكر إلى تحسين الديناميكا الهوائية وكفاءة الطائرة الكهربائية.
أحد ادعاءات ناسا الرئيسية هو أنه مع هذه التعديلات، ستحقق X-57 انخفاضًا في استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين 75% و80%، مقارنة بطائرة Tecnam الأصلية المزودة بمحركات الاحتراق. وكذلك الوعد انبعاثات معدومة ومن شأن الكربون أن يساعد بشكل كبير في إزالة الكربون من الطيران، على افتراض أن الكهرباء اللازمة لشحن البطاريات تأتي من مصادر متجددة.
الابتكارات التكنولوجية وراء X-57: LEAPTech
X-57 جزء من المشروع تكنولوجيا المروحة غير المتزامنة الرائدة (LEAPTech)، التي تركز على تطوير التكنولوجيا الكهربائية المتقدمة للطائرات. لقد تعاونت ناسا مع شركات مبتكرة مثل جوبي للطيران و ESAero لتصميم وتصنيع المحركات الكهربائية والمراوح وأجزاء الجناح المصنوعة من ألياف الكربون التي تضم نظام الدفع الكهربائي بأكمله.
إحدى أبرز الميزات هي قدرة المحركات الكهربائية الفردية على العمل بشكل مستقل، وتغيير السرعة بناءً على ظروف الطيران. وهذا لا يؤدي إلى تحسين استهلاك الطاقة فحسب، بل يقلل أيضًا بشكل كبير من استهلاك الطاقة ضجيج، أحد التحديات الكبيرة في مجال الطيران، خاصة في سياق الرحلات الجوية الكهربائية والحضرية.
اختبارات الاهتزاز والسلامة الهيكلية
قبل أن تدخل الطائرة مرحلة اختبار الطيران، تخضع لدراسات مكثفة للاهتزازات على الأرض. بالنسبة للطائرة X-57 ماكسويل، أجرت ناسا اختبارًا مكثفًا للاهتزاز في مركز أبحاث الطيران في أرمسترونج، باستخدام نظام اكتساب LAN-XI. قنوات 300 لقياس الاستجابات المشروطة للطائرة في نقاط مختلفة.
وتضمن هذه الاختبارات قدرة هيكل الطائرة على تحمل الظروف القاسية للطيران الحقيقي، والتحقق من صحة النماذج الصوتية والحرارية السابقة. وكان من المهم بشكل خاص تحليل ترددات مشروطمما يشير إلى ما إذا كانت الطائرة قادرة على الطيران بأمان حتى في الأجواء المضطربة.
أهداف مشروع X-57 ماكسويل
إن الهدف النهائي لناسا من X-57 ليس فقط تصميم طائرة كهربائية قابلة للحياة، بل تطوير تطويرها. Normas de certificación للطائرات الكهربائية التي يمكن تطبيقها على مشاريع الطيران المستقبلية. وهذا أمر بالغ الأهمية بالنظر إلى أن الطائرات التجارية الكهربائية لا تزال في المراحل التجريبية، ويجب على الهيئات التنظيمية وضع بروتوكولات السلامة قبل أن تتمكن هذه الطائرات من الطيران تجاريًا.
توفر التطورات التكنولوجية لطائرة X-57 أيضًا أساسًا للمصنعين ومراكز الأبحاث الأخرى المهتمة بالتنقل الجوي في المناطق الحضرية والرحلات القصيرة، وهي القطاعات التي يمكن أن يكون لكهربة الطيران فيها تأثير تحويلي.
التحديات والتحديات المعلقة
على الرغم من نجاح مشروع X-57، إلا أن هناك العديد من التحديات التي ستحتاج ناسا والمنظمات الأخرى إلى معالجتها لجعل الطائرات الكهربائية حقيقة واسعة الانتشار. ومن أبرز المشاكل وزن البطارياتمما أدى إلى تقليص سعة الركاب إلى مقعدين فقط. لا تزال النسبة العالية لوزن البطارية إلى الطاقة المخزنة واحدة من أكبر العوائق أمام الطيران الكهربائي.
رغم أن المحركات الكهربائية لا تنبعث منها ثاني أكسيد الكربونتعتمد استدامة الطيران الكهربائي على مصدر الطاقة الذي يستخدم لإعادة شحنها. وفي البلدان التي تأتي فيها الطاقة الكهربائية في معظمها من مصادر غير متجددة، سيكون التأثير البيئي للرحلات الجوية الكهربائية أقل بكثير من البلدان التي تستخدم فيها الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.
ويتمثل التحدي الرئيسي الآخر في دمج الأنظمة الكهربائية بأمان، وضمان عدم وجود تداخل كهرومغناطيسي بين المكونات. بالإضافة إلى التحسين المستمر للبطاريات أيون الليثيوم أو أن إدخال البطاريات المعتمدة على تقنيات أكثر تقدمًا سيكون أمرًا أساسيًا في تقدم الطيران الكهربائي.
مستقبل X-57 والتطورات في الطيران الكهربائي
ناسا لديها توقعات عالية فيما يتعلق بالنتائج التي تم الحصول عليها من X-57 ماكسويل. الطائرة، رغم أنها تواجه صعوبات فنية، إلا أنها تمثل خطوة أولى في عالم طائرات كهربائية وانتقالها نحو طيران أكثر استدامة. وعلى الرغم من المشاكل المتعلقة بالمكونات الرئيسية التي أخرت رحلتها الأولى، فقد أنتج العمل الذي تم إنجازه حتى الآن بيانات قيمة من شأنها أن تساهم في التنمية على المدى الطويل.
وأخيرًا، ترمز X-57 إلى الخطوة التالية نحو عصر جديد من الطائرات الأكثر كفاءة وهدوءًا والصديقة للبيئة. على الرغم من أن إتقان هذه التكنولوجيا سيستغرق وقتًا، إلا أن هذه الطائرة الكهربائية الأولى التابعة لوكالة ناسا تعد بلا شك علامة فارقة في تاريخ الطيران الكهربائي.