تجاري لقد تغير الطيران بشكل كبير على مر السنين. إذا نظرنا إلى الجيل الأول من الطائرات النفاثة، فستجد أن تصميمها وأنظمة الدفع الخاصة بها كانت مختلفة تمامًا عما نراه اليوم. لقد قدمت نطاقًا وأداءً ولكنها كانت عالية جدًا، وتعكس فترة ركز فيها المصممون بشكل أساسي على توفير الدفع والمدى والسرعة بدلاً من مراعاة الضوضاء أو التأثير البيئي.
الطائرات الحديثة تحكي قصة مختلفة. إنها أكثر تقدمًا في جميع النواحي، وأحد المجالات التي ركزت فيها الشركات المصنعة بشكل خاص على تقليل عدد الطائرات ضوضاء. ومع ازدياد ازدحام المطارات وتوسعها في المناطق المحيطة، أصبحت المجتمعات المجاورة أقل تسامحًا مع هدير الطائرات المغادرة.
استجاب المنظمون من خلال فرض حدود صارمة لم يكن أمام الشركات المصنعة خيار سوى الالتزام بها. أدى هذا الضغط إلى إعادة تشكيل الطائرات و محرك التصميم، مما يؤدي إلى سلسلة من الابتكارات التي تهدف إلى خفض الضوضاء عند المصدر. من بين التغييرات الأكثر ابتكارًا هي الشيفرون، تلك الحواف الخشنة التي تراها في الجزء الخلفي من بعض محركات الطائرات.
الجواب البسيط: الضوضاء والقواعد والكفاءة
إذا نظرت إلى أ بوينغ 737 ماكس عن كثب، ربما لاحظتم هذه الشارات. إنهم ليسوا هناك كديكور. أنها تخدم غرضًا وظيفيًا له فوائد متعددة. لفهم سبب وجودها، من المفيد العودة إلى الأيام الأولى لعصر الطائرات النفاثة. قدمت المحركات النفاثة الأولى الطاقة اللازمة للطيران التجاري ولكنها كانت أيضًا عالية الصوت للغاية. انطلقت غازات العادم الساخنة بسرعة عالية واصطدمت بالهواء الالتفافي البارد والجو المحيط.
أدى الاختلاف في درجة الحرارة والسرعة إلى حدوث اضطراب ودوامات، مما أدى إلى إنتاج الكثير من الضوضاء. ركز المصممون في ذلك الوقت على قوة الدفع والأداء، وليس على تقليل هذا الزئير. ومع ذلك، بمرور الوقت، أصبحت المجتمعات القريبة من المطارات أقل تسامحًا مع الضوضاء المستمرة للطائرات، مما دفع الهيئات التنظيمية إلى فرض قيود صارمة.
مرة أخرى في أيام بوينغ 727 والطائرة الأصلية ماكدونيل دوغلاس دي سي -9، كان على الطائرة فقط أن تمتثل لمعايير المرحلة الثانية. بحلول أواخر السبعينيات، تغير هذا مع إدخال قواعد المرحلة 3 التي تحدد الحد الأقصى لمستويات الضوضاء عند الإقلاع والاقتراب وعلى هامش المدرج. واليوم، أصبحت المتطلبات أكثر صرامة؛ تفرض إدارة الطيران الفيدرالية (FAA) أن تستوفي جميع الطائرات الجديدة والمحركات التوربينية الكبيرة معايير المرحلة الخامسة.
على هذا النحو، لم يكن أمام الشركات المصنعة خيار سوى البحث عن طرق جديدة لتقليل الضوضاء دون إضافة وزن إضافي للطائرة. جاء التحسين الأكبر مع المحركات ذات نسبة الالتفافية العالية. تستخدم هذه المحركات بعضًا من طاقة عادم الطائرة لتشغيل مروحة كبيرة في المقدمة، والتي تدفع كمية أكبر بكثير من الهواء بسرعة أقل من عادم القلب الساخن.
عندما يمتزج الهواء الالتفافي الأبطأ مع التيار النفاث الأسرع، يكون الاضطراب أقل عنفًا وتكون الدوامات أضعف، مما يقلل الضوضاء بنسبة تصل إلى 30 إلى 50%. ولكن حتى مع التصميمات عالية الالتفافية، ظلت حدود الضوضاء أكثر صرامة. لتلبية المرحلة التالية من اللوائح، احتاج المصنعون إلى مزيد من التحسينات. ظهرت شركة شيفرون كواحدة من تلك الحلول.
تساعد هذه الحواف الخشنة الموجودة في الجزء الخلفي من المحرك على التحكم في الاضطراب بشكل أكثر فعالية، وتقليل الضوضاء عند المصدر، كما تسمح للمصنعين بتقليل العزل الثقيل داخل جسم الطائرة. 
بوينغ وقد أضافتها إلى طائرات 737 ماكس للأسباب نفسها: إبقاء الضوضاء ضمن الحدود، وتحسين الكفاءة، والبقاء متوافقًا مع المعايير البيئية الحديثة.
كيف تعمل شيفرون على خفض ضجيج المحرك
في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، عقدت شركة بوينغ شراكة مع جنرال إلكتريك و ناسا لتطوير قنوات شيفرون مسننة. في ذلك الوقت، كانت قواعد المرحلة الرابعة الجديدة لإدارة الطيران الفيدرالي على وشك أن تدخل حيز التنفيذ، وكان على الشركات المصنعة إيجاد طرق أكثر فعالية لتقليل الضوضاء أثناء الإقلاع والهبوط. أظهر بحث ناسا أن الحافة الخلفية على شكل حرف V يمكن أن تعيد تشكيل تدفق الهواء في الجزء الخلفي من المحرك، وأكدت الاختبارات أنها يمكن أن تقلل مستويات الضوضاء دون التعرض لعقوبات هوائية كبيرة.
إن الشارات نفسها هي أنماط مسننة على الحافة الخلفية للكنة أو الفوهة. إنها تجعل خلط العادم الساخن والهواء الالتفافي البارد أقل عدوانية. وبدونها، يتصادم التياران بسرعات ودرجات حرارة مختلفة إلى حد كبير، مما ينتج عنه دوامات قوية ومستويات ضوضاء عالية. باستخدام الشيفرون، يتم تقسيم هذا الخلط إلى دوامات أصغر وأكثر تحكمًا، مما يقلل من الاضطراب ويقلل من البصمة الإجمالية للضوضاء.
وهذا، كما أوضح بيتر هورنفيلدت، طيار طائرة 737 ماكس والذي يمتلك أيضًا قناة طيران شهيرة على اليوتيوب تسمى Mentour Pilot، يخفض الضوضاء أثناء الإقلاع بما يصل إلى ستة ديسيبل، وهو ما يكفي لتلبية الحدود الصارمة للمطار. هناك فوائد عملية كذلك. نظرًا لأن الشفرات تقطع الضوضاء عند المصدر، فإنها تزيل الحاجة إلى قدر كبير من العزل الثقيل داخل جسم الطائرة.
الوزن المنخفض يعني استهلاك أقل للوقود، وتحسين الكفاءة، وبصمة بيئية أقل. بالنسبة لشركة بوينغ، جعلت هذه المزايا من شيفرون الاختيار الصحيح لطائرة 737 ماكس: فقد أبقى التصميم الطائرة متوافقة مع قواعد الضوضاء المشددة مع دعم أهداف الكفاءة التي تهم شركات الطيران.
يعترف الخبراء بأن شركة شيفرون جاءت مع تنازلات
في الواقع، أعطت هذه الشارات صانع الطائرات الأمريكي مزايا واضحة في تقليل الضوضاء وتلبية المعايير الأكثر صرامة، لكنها جاءت مصحوبة أيضًا بالتحديات. استغرق تطوير التصميم سنوات من التجربة والخطأ، وكشفت العملية عن العديد من المقايضات التي اعترف بها الخبراء علنًا. أثناء مرحلة التطوير، اكتشف المهندسون أحيانًا أن بعض التعديلات أدت في الواقع إلى تفاقم المشكلة.
واعترف الباحث في وكالة ناسا جيمس بريدجز في وقت لاحق بأن الفريق “لم يكن لدينا التشخيص المتقدم، والأجهزة، والبصيرة لمعرفة ما فعلناه لجعل الأمر أسوأ بدلاً من تحسينه. في بعض الأحيان، ربما تكون نواة الفكرة قد نجحت، لكن الطريقة التي نفذت بها الأمر تسببت في المزيد من الضجيج.“بالإضافة إلى ذلك، كانت المتانة مشكلة أخرى. تتعرض الشفرات لدرجات حرارة عالية واهتزاز مستمر، وقد عانت الإصدارات المبكرة من التشقق والتعب.
ولفهم هذه التأثيرات بشكل أفضل، أطلقت شركتا بوينغ ورولز رويس برنامج Quiet Technology Demonstrator، الذي جهز طائرة 777-300ER بأكثر من 100 ميكروفون ووضع 200 ميكروفون آخر على الأرض لالتقاط البيانات حول حزم مختلفة لتقليل الضوضاء. ولكن بشكل عام، فإن التحدي الأكبر الذي يواجه الشركة المصنعة هو كيفية تأثير شيفرون على الأداء. إنها فعالة في خفض الضوضاء، ولكن نفس الدوامات التي تعمل على تسهيل تدفق العادم تضيف أيضًا السحب وتقلل من الدفع.
أشار هورنفيلدت، في مقطع الفيديو الخاص به على موقع يوتيوب، إلى أن الشفرات قللت من دفع المحرك بنسبة 0.5% تقريبًا. على الورق، يبدو هذا ضئيلًا، ولكن في صناعة تكون فيها هوامش الربح ضئيلة للغاية، يمكن حتى لنصف بالمائة أن يحدث فرقًا. ويظهر التأثير بشكل أكبر على الطائرات التي تحلق في قطاعات متعددة للمسافات القصيرة كل يوم، مثل طائرة 737 ماكس، لأن المحركات تقضي وقتًا أطول في الدفع العالي أثناء الإقلاع والصعود.
ما هي الطائرات التي تتميز بشيفرون؟
وحتى مع هذه المقايضات، قدمت شيفرون فوائد واضحة لشركة بوينغ، وقد تبنتها الشركة على نطاق واسع. تحمل كل نسخة من طائرات 737 ماكس شارات على محركات CFM LEAP-1B، وكلها بوينغ 787 وتتميز طائرات دريملاينر بها بغض النظر عما إذا كانت مدعومة بمحركات Rolls-Royce Trent 1000s أو محركات GE GEnx. بالإضافة إلى ذلك، تتميز الطائرة 747-8 بها أيضًا، وعلى عكس الطرازات الأخرى، فإنها تستخدم شارات على كل من الكنات والفوهات.
في الواقع، في الطائرة 787، أتاحت هذه الشارات لشركة صناعة الطائرات الأمريكية التخلص من حوالي 600 رطل (272 كجم) من عزل الجدار الجانبي، مما أدى إلى توفير الوزن وتحسين الكفاءة. إلى جانب الديناميكيات الهوائية المتقدمة للطائرة، أعطى هذا دريملاينر ميزة كبيرة كواحدة من أكثر الطائرات ذات الأجسام العريضة كفاءة في استهلاك الوقود في جيلها. وأظهرت بيانات من شركة ch-aviation أنه بحلول عام 2025، تم تجهيز أكثر من 3000 طائرة بوينج بشارات شيفرون.
والجدير بالذكر أن بوينغ لم تقم بنقل شيفرون إلى أحدث برنامجها للرحلات الطويلة، 777X. وبدلاً من ذلك، عملت الشركة مع جنرال إلكتريك لتطوير GE9X بنظام فوهة منخفض السحب. يوفر هذا التصميم تقليلًا مكافئًا للضوضاء دون عقوبات الدفع المرتبطة بالشيفرون، كما أنه أخف بنسبة 20% تقريبًا من الفوهات القديمة. في عام 2014، قال تيري بيزهولد، كبير مهندسي مشروع برنامج 777X، لمجلة الطيران:
“نحن نستبدل الشارات بتكنولوجيا تصميم الفوهة الجديدة. إنه يوفر مستويات مكافئة من الضوضاء للمقصورة والمجتمع ولكنه أخف وزنًا وذو سحب أقل.“
وفي الوقت نفسه، لم تستخدم شركة إيرباص شيفرون على طائراتها مطلقًا. حصل تصميم بوينغ على براءة اختراع، مما منع المنافسين من اعتماده حتى انتهاء صلاحية براءة الاختراع في عام 2021. وحتى بعد ذلك، لم تبد شركة صناعة الطائرات الأوروبية أي اهتمام، حيث خلص مهندسوها إلى أن المقايضات لم تكن مجدية. وقال دوجي هانتر، كبير مهندسي طائرة إيرباص A350، لموقع FlightGlobal: “لم نحصل على ميزة الضوضاء من شيفرون، وهناك عقوبة محددة لاستهلاك الوقود، لذلك لم نعتمدها.“
هل هناك أي طرق أخرى لتقليل ضجيج محرك الطائرة؟
أجرت ناسا سلسلة من عمليات المحاكاة الحاسوبية في التسعينيات والتي استكشفت طرقًا مختلفة لتقليل ضوضاء المحرك، وخلصت لاحقًا إلى أن الحواف المسننة على الكنة كانت من الناحية النظرية إضافة التصميم الأكثر فعالية. ومع ذلك، فقد استكشف المصنعون والباحثون عدة طرق أخرى. إحدى الطرق التي أثبتت جدواها هي تصميم الفوهة. على سبيل المثال، جنرال إلكتريك GE9X المحرك على بوينغ 777إكس يحقق الحد من الضوضاء دون عقوبات الدفع المرتبطة بالشيفرون.
تعتبر المحركات ذات نسبة الالتفافية العالية خيارًا آخر. ومن خلال تحريك كمية أكبر من الهواء بسرعة أقل، فإنها تقلل من الاضطراب الذي يسبب الكثير من الضوضاء. علاوة على ذلك، يتم أيضًا استخدام البطانات الصوتية على نطاق واسع، وهي عبارة عن مواد ممتصة للصوت توضع داخل الكنة لامتصاص بعض الضوضاء. تتمتع طائرة 777X القادمة بهذا أيضًا؛ تحتوي الطائرة على بطانة تشبه قرص العسل تتكون من آلاف الثقوب الصغيرة التي تمتص الضوضاء.
وإلى جانب ذلك، يعمل الباحثون على مواد أخف وزنا وأكثر كفاءة. في جامعة باث، قام فريق بتطوير مادة هوائية من أكسيد الجرافين وكحول البولي فينيل يمكنها تقليل الضوضاء بشكل كبير دون إضافة وزن. يزن فقط 4.6 رطل (2.1 كجم) لكل متر مكعب، وهو أخف عزل صوتي تم إنتاجه على الإطلاق. يوضح الباحث الرئيسي ميشيل ميو أنه يمكن أن يقلل ضجيج المحرك بنسبة تصل إلى 80%، أو 16 ديسيبل، مضيفًا:
“لقد تمكنا من إنتاج مثل هذه الكثافة المنخفضة للغاية باستخدام مزيج سائل من أكسيد الجرافين والبوليمر، والذي يتكون من فقاعات الهواء المخفوقة والتجميد. (…) إنها صلبة ولكنها تحتوي على الكثير من الهواء، لذلك لا يوجد وزن أو كفاءة لتحقيق تحسينات كبيرة في الراحة والضوضاء.“
حققت شركة شيفرون فوائد، ولكن ليس من دون المقايضات
قد نشهد المزيد من الابتكار في السنوات المقبلة مع استمرار تقدم التكنولوجيا. يُظهر التقدم المحرز منذ الجيل الأول من الطائرات النفاثة مدى تطور تصميم الطائرات وأنظمة الدفع وأولويات التشغيل. يعمل المصنعون اليوم على تعزيز الكفاءة والأداء والامتثال البيئي بطرق لم يفكر فيها المصممون السابقون مطلقًا.
وقد أصبح الحد من الضوضاء جزءا أساسيا من هذا التحول. طالبت المجتمعات القريبة من المطارات بطائرات أكثر هدوءًا، واستجابت الهيئات التنظيمية بمعايير صارمة أعادت تشكيل كيفية بناء المحركات. ومن بين الحلول التي ظهرت كانت شيفرون، والتي قدمت طريقة عملية لخفض الضوضاء عند المصدر مع السماح أيضًا بتوفير الوزن مما أدى إلى تحسين الكفاءة.
وهذا التوازن في المزايا هو السبب وراء اختيار بوينغ إضافتها إلى طائرات 737 ماكس، بعد استخدامها سابقًا في طائرتي 787 و747-8. وفي الوقت نفسه، تفسر المقايضات، بما في ذلك العقوبات الديناميكية الهوائية، سبب غيابها عن طائرة 777X، التي تعتمد بدلاً من ذلك على تقنيات الفوهة والبطانة الأحدث.
اكتشاف المزيد من موقع معرفة للمحركات
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
