هل من الممكن السفر جوًا من لندن إلى نيويورك في أقل من ثلاث ساعات دون إنفاق ما يعادل الناتج المحلي الإجمالي لدولة صغيرة على الوقود؟ تراهن شركة ناشئة من كاليفورنيا وشركة هندسية بريطانية على ذلك، بفضل محرك "متغير".
توقفت الرحلات المدنية الأسرع من الصوت في آخر يوم هبطت فيه طائرة كونكورد عام ٢٠٠٣. لم يكن السبب نقصًا في السرعة، بل قانون اقتصادي قاسٍ: انعدام الكفاءة . كانت كونكورد معجزة تكنولوجية استنزفت المال (والكيروسين) بمعدلات غير مستدامة، وخاصةً عند السرعات دون الصوتية، مما جعل تكلفة التذكرة في متناول النخبة المالية فقط.
اليوم، وفي ظل صمت وسائل الإعلام الرئيسية، يشهد العالم تزاوجًا تكنولوجيًا مثيرًا للاهتمام بين إنجلترا القديمة ووادي السيليكون. فقد تعاونت شركة هيليكس البريطانية ، المعروفة بمحركاتها الكهربائية عالية الكثافة (المستخدمة في السيارات الخارقة مثل لوتس إيفيجا)، مع شركة أسترو ميكانيكا الأمريكية الناشئة . الهدف؟ بناء نظام الدفع الكهربائي الهجين "دواليتي" ، المصمم لجعل الطيران بسرعة 3 ماخ ليس ممكنًا فحسب، بل مستدامًا اقتصاديًا أيضًا .
ليس المحرك النفاث "العادي"
لفهم أهمية هذا الخبر، علينا إلقاء نظرة على ما وراء الغطاء. تفشل معظم مشاريع الطائرات الأسرع من الصوت لمحاولتها تحسين المحرك التوربيني النفاث الكلاسيكي بشكل طفيف. قررت أسترو ميكانيكا بدلاً من ذلك تقسيمه إلى قسمين .
في المحرك النفاث التقليدي، يتصل التوربين المُولّد للطاقة ميكانيكيًا بالمروحة التي تدفع الهواء. يُشكّل هذا عائقًا كبيرًا: فالسرعة المثالية للتوربين نادرًا ما تكون هي السرعة المثالية للمروحة، خاصةً عند الانتقال من الإقلاع إلى الطيران الأسرع من الصوت.
نظام الثنائية يكسر هذه الرابطة:
- القلب: يعمل التوربين الغازي (أو المولد التوربيني) كمولد للكهرباء فقط، حيث يعمل بسرعته المثلى الثابتة.
- العضلات: تعمل الطاقة المنتجة على تشغيل المحركات الكهربائية (التي توفرها شركة Helix) التي تعمل على تشغيل الضاغط والمروحة.
هذا "الفصل بين القدرات" يسمح للمحرك بالتصرف كالحرباء الديناميكية الهوائية، متكيفًا مع ثلاثة أوضاع طيران مختلفة. هذا ليس خيالًا علميًا؛ إنه هندسة تطبيقية لحل مشكلة الكفاءة الهامشية.
صورة لمصممي الطائرة الأسرع من الصوت المستقبلية
ثلاثة محركات في محرك واحد: الدورة التكيفية
الجانب الأكثر إثارة للاهتمام للمهتمين بالكفاءة الصناعية هو قدرة المحرك على تغيير مظهره بناءً على سرعته. إليكم كيف يعمل "سحر" الدورة المركبة:
- الوضع الأول: توربوفان (دون سرعة الصوت). أثناء الإقلاع والطيران بسرعات منخفضة، تُشغّل المحركات الكهربائية المروحة لتحريك كتل هوائية كبيرة بسرعة منخفضة. والنتيجة: كفاءة عالية، وانخفاض في الضوضاء، وانخفاض في استهلاك الوقود. وهذا بالضبط ما افتقرت إليه طائرة كونكورد، التي كانت تُستهلك كميات كبيرة من الوقود أثناء الإقلاع.
- الوضع الثاني: محرك نفاث (فوق صوتي) : مع اقتراب حاجز الصوت، يُغيّر النظام إعداداته.5 يُحوّله حقن الوقود وإدارة الهواء إلى محرك نفاث نقي، مثالي لكسر حاجز الصوت دون فقدان قوة الدفع. تُغلق ممرات المراوح التوربينية، ويتركز الهواء في المحرك النفاث.
- الوضع 3: الدفع النفاث (ماك 3 أسرع من الصوت). هنا ندخل مجال الصواريخ. عند سرعات أعلى من ماك 2، يستطيع المحرك إيقاف الأجزاء الدوارة المعقدة تقريبًا واستغلال الضغط الديناميكي للهواء الداخل (ضغط الدفع) للاحتراق.6 لا أجزاء متحركة ثقيلة، فقط دفع ترموديناميكي خالص.
الذكاء الاصطناعي يُحسّن عملية تشغيل المحرك
الأرقام: قوة Helix
بدون محرك كهربائي خفيف الوزن وقوي، لكان كل هذا مجرد عرض تقديمي بسيط على باوربوينت. وهنا يأتي دور شركة هيليكس . زودت الشركة، ومقرها ميلتون كينز، محركات النموذج الأولي للجيل الرابع.
دعونا نحلل البيانات الفنية المقدمة، لأنه، كما هو الحال دائمًا، الشيطان يكمن في التفاصيل:
| مواصفة | النموذج الأولي الحالي (الجيل الرابع) | الهدف المستقبلي (الجيل الخامس) |
| المحركات الكهربائية | 4x Helix SPX242-94 | تصميم حلزوني مخصص |
| الوزن لكل محرك | 31.3 كجم (69 رطلاً) | – |
| ذروة الطاقة | 400 كيلو واط (لكل منهما) | 950 كيلو واط |
| الطاقة المستمرة | 300 كيلو واط | 900 كيلو واط |
| أقصى عزم دوران | 470 نيوتن متر | 575 نيوتن متر |
| نظام الدوران | حتى 17000 دورة في الدقيقة | 20,000 دورة في الدقيقة |
أكد ديريك جوردانو-بيلي ، كبير مهندسي هيليكس، أن نسبة القوة إلى الوزن غير العادية لهذه المحركات هي العامل الحاسم في مواجهة "المتطلبات القصوى" لتدفق الهواء فوق الصوتي. نحن نتحدث عن محركات تزن وزن كلب كبير، لكنها تُنتج قوة سيارة خارقة.
المقامرة الاقتصادية
ما أهمية هذا المشروع من منظور اقتصادي كلي؟ لأن أسترو ميكانيكا لا تستهدف السرعة فحسب، بل تكلفة الراكب أيضًا .
وتدعو الخطة إلى استخدام الغاز الطبيعي المسال بدلاً من وقود الطائرات جيت أ-1 الباهظ الثمن.
- التكلفة: تبلغ تكلفة الغاز الطبيعي المسال حوالي عُشر تكلفة وقود الطائرات التقليدي.
- كثافة الطاقة: توفر قيمة حرارية أعلى، مما يسمح باستقلالية أكبر.
- الانبعاثات: يحترق بشكل أنظف (-30% من ثاني أكسيد الكربون)، وهو عامل مهم في تجنب الضرائب البيئية التي تخنق الطيران الحديث.
الفكرة الأساسية اقتصادية بحتة: الاستثمار في التكنولوجيا المتطورة لخلق سوق جديدة. إذا استطعتَ نقل راكب من سان فرانسيسكو إلى طوكيو في أربع ساعات بسعر تذكرة درجة رجال الأعمال الحالية، فأنت لا تبيع رحلة فحسب، بل تُغيّر اللوجستيات العالمية ووتيرة التجارة الدولية.
التحديات: ليس كل شيء ذهبًا
ومن الواضح أنه يتعين علينا، باعتبارنا مراقبين واقعيين جيدين، أن نثير الشكوك.
- التحكم الحراري: تشغيل محركات كهربائية عالية الطاقة بسرعة 3 ماخ يُولّد حرارةً جهنمية. طوّرت شركة هيليكس "نظام عزل جديد للمحركات" للارتفاعات العالية، لكن الفيزياء مُعقّدة. تبديد الحرارة بهذه السرعات هو العائق الأكبر.
- التكامل: يتطلب تنسيق التوربينات والمولدات والمحركات الكهربائية وتدفق الهواء المتغير برامج تحكم هائلة.
- البطاريات مقابل المولدات: النظام "كهربائي توربيني"، وبالتالي يتجاوز مشكلة وزن البطاريات (التي لن تتمتع أبدًا بكثافة الطاقة اللازمة للسفر بسرعة تفوق سرعة الصوت)، ولكنه يضيف تعقيدًا لوجود محطة طاقة طائرة على متن الطائرة.
هل سيكون هذا هو المستقبل؟
يُمثل مشروع "الازدواجية" نوعًا من الهندسة الجريئة التي يبدو أن الغرب قد نسيها لصالح تطبيقات الهواتف الذكية. إن الجمع بين الخبرة البريطانية في المحركات الكهربائية والطموح الأمريكي في مجال الطيران الفضائي قد يُطلق العنان للطيران المدني الأسرع من الصوت.
إذا حقق النموذج الأولي من الجيل الخامس وعده بتوفير 900 كيلوواط مستمر عند 20,000 دورة في الدقيقة، فقد نكون على أعتاب الوريث الروحي (والاقتصادي) للكونكورد. في الوقت الحالي، دعونا نركز على الواقع، لكن أعيننا على عداد السرعة: ماخ 3 وعدٌ بالسرعة، لكن لا يزال الطريق طويلًا.
الأسئلة والأجوبة
لماذا فشل مشروع كونكورد، وهل من الممكن أن ينجح هذا المشروع؟
استخدمت طائرة كونكورد محركات نفاثة توربينية نقية مزودة بحارق لاحق، والتي كانت منخفضة الكفاءة للغاية عند السرعات المنخفضة وشديدة الضوضاء. هذا جعل تكاليف التشغيل باهظة وقيد مساراتها. يستخدم محرك دواليتي نظامًا هجينًا يعمل كمحرك توربيني مروحي فعال عند الإقلاع (استهلاك وقود منخفض وضوضاء منخفضة)، ويتحول إلى محرك نفاث رامي عند السرعات العالية.10 علاوة على ذلك، فإن الاستخدام المخطط للغاز الطبيعي المسال (LNG) يقلل بشكل كبير من تكاليف الوقود مقارنةً بكيروسين الطيران.11
ماذا يعني أن المحرك "كهربائي" ولكنه يستخدم الوقود؟
إنها ليست طائرة تعمل بالبطارية، بل هي نظام توربيني كهربائي أو هجين متسلسل. يحرق توربين غازي الوقود (الغاز الطبيعي المسال أو وقود الطائرات) لتوليد الكهرباء عبر مولد كهربائي. تُشغّل هذه الكهرباء محركات هيليكس الكهربائية التي تُشغّل المراوح والضواغط. هذا يفصل توليد الطاقة عن الدفع، مما يسمح لكل مُكوّن بالدوران بأقصى سرعة له، مما يُعزز الكفاءة الديناميكية الحرارية، والتي تتأثر سلبًا في المحركات التقليدية بالتوصيل الميكانيكي المباشر.
متى سنرى هذه الطائرات تحلق؟
ما زلنا في مرحلة النماذج الأولية المتقدمة للمحركات. تختبر شركة أسترو ميكانيكا الجيل الرابع وتُصمم الجيل الخامس. قبل أن نرى طائرة ركاب، من المرجح أن تُستخدم هذه التقنية في الطائرات العسكرية بدون طيار أو مركبات الشحن التجريبية. من المتوقع اكتمال رحلة تجريبية عبر المحيط الهادئ بنهاية العقد، لكن الطيران المدني يتطلب فترة اعتماد طويلة جدًا. واقعيًا، لن نرى ركابًا يدفعون ثمن رحلاتهم بسرعة 3 ماخ حتى ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين.
المقال " الازدواجية: المحرك الهجين الذي يريد إحياء حلم السرعة الأسرع من الصوت، بتكلفة مناسبة" يأتي من Scenari Economici .