التسوية الهندسية وراء كل جنيحات موفرة للوقود

الجنيحات هي من بين ميزات توفير الوقود الأكثر وضوحًا في صناعة الطيران. سواء كنت تسافر لمسافات قصيرة حول أوروبا على متن طائرة رايان إير بوينغ 737، أو المغامرة أبعد من ذلك على متن كانتاس ايرباص A350فإن مثل هذه الامتدادات في نهاية الأجنحة ستعمل بهدوء على خفض تكاليف تشغيل الرحلة. في الواقع، تعتبر الجنيحات فعالة جدًا في تقليل حرق الوقود وتوفير أموال المشغلين، لدرجة أنها أصبحت سمة مشتركة في كل من الهياكل الضيقة والعريضة.

لكن استخدام الجنيحات يأتي بتكاليف يمكن أن تؤدي إلى تعقيد الفوائد. على الرغم من تقديم وسيلة لخفض السحب المستحث، إلا أنه يجب إجراء المفاضلات حول المساحة المبللة الإضافية والأحمال الهيكلية. بشكل عام، تقدم الجنيحات فوائد، لكنها ليست واضحة المعالم كما قد تبدو.

ماذا تفعل الجنيحات؟

تعود جذور الجنيحات إلى الأبحاث التي أجرتها وكالة ناسا في السبعينيات. استجابة لأزمة النفط عام 1973، سعى برنامج كفاءة طاقة الطائرات التابع لوكالة الفضاء إلى إيجاد طرق للحفاظ على الطاقة أثناء الرحلات الجوية. ومن بين النظريات التي تم اختبارها فكرة مهندس الطيران ريتشارد ويتكومب القائلة بأن دوامات قمة الجناح يمكن إضعافها بإضافة امتداد في نهاية جناح الطائرة.

تخلق هذه الدوامات ما يعرف بالسحب المستحث. على عكس السحب الطفيلي، الذي يتم إنشاؤه بواسطة طائرة تتحرك ببساطة عبر الهواء، فإن السحب المستحث هو نتيجة ثانوية لتوليد الطائرة للرفع. عندما يتراكم الضغط المرتفع تحت الأجنحة، يؤدي ذلك إلى تدفق الهواء إلى أعلى فوق أطراف الأجنحة ثم خروجه في دوامة. وبدون وجود شيء يعطل تدفق الهواء، فإن السحب المستحث يؤثر على أداء الطائرة.

تم إثبات نظرية وايتكومب في نهاية المطاف بعد برنامج اختبار بدأ في عام 1977. مررت ناسا تصميمًا للجنيحات إلى بوينغوتم تركيبها على طائرة KC-135 تابعة للقوات الجوية الأمريكية لتحليلها أثناء الرحلة. أظهر هذا أن إضافة الجنيحات التي يبلغ طولها 9 أقدام (2.7 متر) أدت إلى زيادة بنسبة 7% في نسبة الرفع إلى السحب، مما أدى إلى خفض السحب المستحث بنسبة 20%. علاوة على ذلك، وربما الأهم من ذلك، لم يكن للأجزاء الجديدة أي تأثير سلبي على التعامل مع طائرة القوة الجوية. وسرعان ما تم اعتماد الجنيحات في الطائرات الصغيرة نتيجة لذلك، وبدأت الطائرات التجارية في تضمين هذه التكنولوجيا منذ أواخر الثمانينيات.

تحتوي معظم الطائرات التجارية الحديثة على جنيحات

الائتمان: شترستوك

بعد مرور نصف قرن تقريبًا، أصبحت الجنيحات جزءًا لا يتجزأ من الطائرات التجارية الحديثة. هناك بعض الاستثناءات، لكن الغالبية العظمى من الطائرات التي تحلق حول العالم اليوم لديها جنيحات بشكل أو بآخر. هذه نفسها تأتي في مختلف الأشكال والأحجام.

الجنيحات المخلوطة هي الأكثر شيوعًا في الخدمة اليوم، على سبيل المثال، وهي تظهر على نطاق واسع في طائرات 737، ولكنها تظهر أيضًا في الطرازات الأقدم بوينغ 757 و بوينغ 767. أحدث ايرباص A320 و ايرباص A320neo تقوم الطائرات العائلية بإيواء أسماك القرش الصغيرة في هذه الأثناء. يظهر كلاهما كاستمرار لبنية الجناح، حيث يندمجان بسلاسة ويبرزان للأعلى من الأطراف.

مقارنة توفير الوقود بين أنواع الجنيحات المختلفة، من PlaneFYI:

على أساس 3000 ساعة طيران سنوية وتكلفة 2.50 دولار لكل لتر من الوقود لعملية نموذجية متوسطة المدى.

تعتبر الجنيحات المقسمة، والجنيحات المائلة، والممزقة من بين التصميمات الأخرى ذات المظاهر المختلفة. على الرغم من ذلك، تشترك جميعها في الهدف المشترك المتمثل في تقليل السحب وتحسين الأداء، بعد أن أصبحت ميزة منتظمة بشكل متزايد في الطائرات منذ إطلاق الطائرة. بوينغ 747-400 في عام 1988.

الجنيحات تخاطر بأشكال أخرى من السحب والضغط

الائتمان: شترستوك

ومع ذلك، فإن تركيب الجنيحات على الطائرة أمر معقد إلى حد ما، ويأتي مع بعض التحذيرات. على وجه التحديد، تعمل الجنيحات على تقليل السحب المستحث، ولكنها تسبب زيادات في أنواع السحب الأخرى أثناء القيام بذلك. كما أنها تزيد من الأحمال الهيكلية وبالتالي يمكن أن تؤثر على معايير التشغيل الآمن للطائرة.

مع إضافة الجنيحات تأتي مساحة سطح متزايدة، وهذا يعني أنه يجب إجراء مقايضة حول ما يعرف بسحب احتكاك الجلد. يجب أيضًا أخذ سحب التداخل بعين الاعتبار، والذي يحدث نتيجة لتدفق الهواء المتقطع حول مكان التقاء سطحي الجناح والجنيح. كل هذا يعني أنه يتعين على المهندسين التأكد من أن الانخفاض في السحب المستحث يفوق بشكل كبير أي زيادة في أشكال السحب الأخرى حتى يتم تبرير الجنيح.

لكن هذا ليس كل شيء، حيث تهدد الجنيحات أيضًا بعقوبات هيكلية. مع القوى الإضافية التي يخلقها الجناح، تتغير الأحمال التي يجب على الجناح بأكمله أن يحملها وكيفية ثنيه أثناء الطيران. وهذا يمكن أن يعني أن ما يعرف بسرعة الرفرفة قد انخفض. وهنا، يتعين على المهندسين التأكد من أن سرعات تشغيل الطائرة تظل أقل مما هو مطلوب لبدء الاهتزازات التي يحتمل أن تكون خطرة. ومرة أخرى، يتطلب هذا تحقيق التوازن في مرحلة التصميم.

وزن إيجابيات وسلبيات الوينجليت أثناء التعديل التحديثي

الائتمان: شترستوك

وبطبيعة الحال، يجب دراسة التداعيات المحتملة بعناية أكبر عندما تفكر شركات الطيران في تعديل طائراتها لتشمل الجنيحات. وهذا يعني أنهم بحاجة إلى أن يسألوا أنفسهم: هل سيفوق التحسن في الأداء والوفورات الناتجة أي عقوبات على الأداء أو تكاليف مرتبطة بزيادة الصيانة؟

في الوقت الحاضر، تقوم الطائرات الحديثة بدمج الجنيحات أو ميزات مماثلة في تصميمات أجنحتها. بوينغ و ايرباص‘أحدث الطائرات ذات لائحة نظيفة، بوينغ 787 وA350، تأتي مزودة بميزات قياسية، على سبيل المثال. في طائرة 787 دريملاينر، يتم استخدام أطراف الأجنحة المائلة حيث يتحرك الجزء الخارجي من الجناح للخلف بزاوية أكبر من بقية الجناح. بالنسبة لطائرة A350، تم استخدام العديد من أسماك القرش الصغيرة المعدلة التي تتميز بمنحنى مميز كجزء من التصميم الشامل الذي يهدف إلى تقليل التحميل الديناميكي الهوائي.

لذا فالحقيقة هي أن الحل الوسط يمكن إدارته بسهولة أكبر في الطائرات الأحدث، حيث يمكن أن يشتمل التصميم على جنيحات أو سلسلة من ميزات تحسين الأداء الأخرى منذ البداية. هذا لا يعني أن ممارسة التعديل التحديثي للطائرات القديمة لتمييز الجنيحات أو حتى تغييرها لا تحدث اليوم. مجرد إلقاء نظرة على رايان اير و خطوط ساوثويست الجوية.

أنفقت Ryanair 175 مليون دولار على استبدال الجنيحات

الائتمان: شترستوك

بدأت شركة Ryanair في أوائل عام 2023 عملية تركيب جنيحات السيف المقسمة على أسطولها الحالي من طائرات Boeing 737-800، وهي خطوة قامت بها شركة Southwest قبل سنوات. وقيل إن صفقة التحديث مع شركة الطيران بوينج، التي تشمل أكثر من 400 طائرة، تبلغ قيمتها 175 مليون دولار في ذلك الوقت، وفقًا لشركة الطيران الأوروبية. كان من المفترض أن تحل هذه الجنيحات محل الجنيحات المخلوطة الحالية التي تم تركيبها على الطائرة منذ خروجها من خط الإنتاج، بدلاً من أن تكون أول جنيحات يتم تركيبها على الطائرة.

لكن قرار الانتقال من الجنيحات المجهزة في المصنع إلى الجنيحات الجديدة كان من المقرر أن يؤدي إلى تحقيق وفورات هائلة لشركة Ryanair. التصميم، الذي يظهر على شكل جنيحين منفصلين متجهين لأعلى ولأسفل على التوالي، كان من المقرر أن يؤدي إلى تحسين كفاءة استهلاك الوقود بنسبة صغيرة على ما يبدو تبلغ 1.5٪ مقارنة بسابقه.

أسطول طائرات Ryanair Holdings Group Boeing 737، من Planespotters.net

ومع ذلك، عند حساب عدد الطائرات التي يزيد عددها عن 400 طائرة والتي سيتم تحديثها ثم القيام بعدة رحلات يوميًا، تتوقع شركة Ryanair أن ينخفض ​​استهلاكها السنوي من الوقود بمقدار 65 مليون لتر. وسيتم خفض انبعاثات الكربون بمقدار 165 ألف طن سنويًا نتيجة لهذا الاستثمار، وفي الوقت نفسه، سيتم أيضًا تقليل ضوضاء الطائرات. وبحلول نهاية السنة المالية الأخيرة، تم تجهيز ثلثي الطائرات المعنية بالجنيحات الجديدة.

الجنيحات (دائمًا تقريبًا) مفيدة بشكل كبير

الائتمان: شترستوك

في حالة شركة Ryanair، فإن ما كان من الناحية الواقعية استثمارًا بسيطًا عند النظر في مليارات الدولارات التي تديرها شركة الطيران كل عام، سيساهم في نهاية المطاف في تحقيق بعض المدخرات الضخمة في السنوات المقبلة. واستنادًا إلى الأرقام الواردة من موقع الطيران PlaneFYI، يمكن أن تتراوح التكلفة ما بين 200 ألف دولار و300 ألف دولار للطائرة الواحدة على مدار عام. ومن خلال 400 طائرة أو نحو ذلك، ستبلغ قيمة هذه المدخرات عشرات الملايين من الدولارات سنويًا، على الأقل.

أضف إلى ذلك التأثير البيئي للطيران، وستبدأ الفوائد في التزايد بالفعل. وفقًا لموقع سبينوف التابع لوكالة ناسا، تشير التقديرات إلى أن تكنولوجيا الجنيحات الممزوجة، مثل تلك الموجودة سابقًا في نماذج رايان إير وغيرها من طائرات 737، قد وفرت بشكل جماعي 2 مليار جالون (9.1 مليار لتر) من وقود الطائرات على مستوى العالم اعتبارًا من عام 2010. وهذا يعني منع ما يقرب من 43 مليون رطل (21.5 مليون طن أمريكي أو 19.5 مليون كجم) من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتوفير 4 مليارات دولار لشركات الطيران. تم بعد ذلك توجيه برنامج Ryanair التحديثي لجعل كل طائرة من طائراتها التي تعمل باللمس أكثر كفاءة.

ولكن هذا لا يعني أن شركات الطيران يمكنها ببساطة تثبيت أو تحديث الجنيحات على طائراتها مثل رايان إير إذا أرادت ذلك. ال بوينغ 777، على سبيل المثال، يتم طيرانها عالميًا بدون جنيحات، بعد أن تم تصميمها بدلاً من ذلك باستخدام أطراف الأجنحة الممزقة. من بين الأسباب التي تمنع شركات الطيران من إضافة الميزة في حالة طائرات 777-200LR و-300ER، إذا أرادت ذلك من أجل الجدال، هو زيادة طول جناحيها مما قد يترك المتغيرات خارج حدود حجم بوابة المطار. وهذا قبل أي عقوبات محتملة على الأداء أو عقبات هيكلية أيضًا، ولهذا السبب يجب النظر بعناية في التنازلات، على الرغم من الفوائد الواضحة التي توفرها الجنيحات في توفير الوقود.