تصميم طائرة شراعية آلية يمكنها السير على الماء

لقد صمم المهندسون طائرة شراعية آلية يمكنها أن تتنقل على طول سطح الماء، حيث تستطيع الطائرة الطيران مثل طائر القطرس بينما تتصفح الأمواج مثل المراكب الشراعية .

تصميم طائرة شراعية آلية يمكنها السير على الماء
صمم مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طائرة شراعية آلية يمكن أن تنزلق على سطح الماء، ففي مناطق الرياح العاتية تم تصميم الروبوت في الطائرة ليبقيها عالية مثل الطيور، وعندما تكون هناك رياح أكثر هدوءا، يمكن للإنسان الآلي أن يغطس العارضة في الماء لركوبها مثل المراكب الشراعية عالية الكفاءة، ويمكن للنظام الروبوتي الذي يستعير من التصاميم البحرية والبيولوجية، أن يغطي مسافة معينة باستخدام ثلث كمية الرياح مثل طائر القطرس، ويسافر أسرع عشر مرات من المراكب الشراعية التقليدية .

حول الطائرة الجديدة
هذه الطائرة الشراعية تتميز بكونها خفيفة الوزن نسبيا، حيث تزن حوالي 6 باوندات، ويأمل الباحثون أنه في المستقبل القريب، يمكن نشر هذه الكاشطات الآلية السريعة والمدمجة في فرق لمسح مساحات كبيرة من المحيط، ويقول غابرييل بوسكويت وهو زميل لما بعد الدكتوراه في قسم علم الطيران والملاحة الفضائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والذي قاد تصميم الروبوت كجزء من أطروحته العليا : ” لا تزال المحيطات تعاني من نقص كبير في المياه، ومن المهم جدا فهم المحيط الجنوبي وكيف يتفاعل مع تغير المناخ، ولكن من الصعب جدا الوصول إليه، ويمكننا الآن استخدام الطاقة من البيئة بطريقة فعالة للقيام بهذا السفر لمسافات طويلة، مع نظام لا يزال صغيرا ” .

وسيقدم بوسكويت تفاصيل هذا النظام الآلي هذا الأسبوع في مؤتمر IEEE الدولي للروبوتات في بريسبان بأستراليا، أما معاونوه في المشروع فهم : جان جاك سلوتين أستاذ الهندسة الميكانيكية وعلوم المعلومات وعلوم الدماغ، ومايكل تريانتافيلو أستاذ في علوم وهندسة المحيطات .

فيزياء السرعة
في العام الماضي نشر بوسكويت وسلوتين وتريانتافيولو دراسة حول ديناميكية رحلة القطرس، حيث حددوا الميكانيكا التي تمكن المسافر الدؤوب من تغطية مسافات شاسعة بينما يبذل أقل قدر من الطاقة، والمفتاح لرحلات ماراثون الطائر هو قدرته على الركوب داخل وخارج طبقات الهواء العالية والمنخفضة، وعلى وجه التحديد وجد الباحثون أن الطائر قادر على إجراء عملية ميكانيكية تسمى ” نقل الزخم “، حيث يأخذ الزخم من طبقات أعلى وأسرع من الهواء، ومن خلال الغوص في نقل هذا الزخم إلى الأسفل، يدفع نفسه دون الحاجة إلى رفرفة جناحيه باستمرار .

ومن المثير للاهتمام أن بوسكويت لاحظ أن فيزياء طائر القطرس يشبه إلى حد كبير ذلك من السفر بالمراكب الشراعية، وكلا من طائر القطرس والمراكب الشراعية ينقلان الزخم من أجل مواصلة الحركة، ولكن في حالة المراكب الشراعية لا يحدث هذا النقل بين طبقات الهواء بل بين الهواء والماء، ويشرح الباحثون : ” المراكب الشراعية تأخذ زخما من الرياح بشراعها، وتحقنها في الماء عن طريق الضغط على ظهرها، وهذه هي الطريقة التي يتم استخراج الطاقة من أجل المراكب الشراعية ” .

كما أدرك بوسكويت أن السرعة التي يمكن أن يسلكها كل من طائر القطرس والمراكب الشراعية تعتمد على نفس المعادلة العامة، المرتبطة بنقل الزخم، بشكل أساسي يستطيع كل من الطائر والقارب أن يسافران بشكل أسرع إذا كان بإمكانهما البقاء في مكان علوي بسهولة، أو التفاعل مع طبقتين بسرعات مختلفة تماما .

النموذج الذي بناه الباحثون
صاغ الفريق تصميما لمثل هذه السيارة الهجينة، التي تشبه في النهاية طائرة شراعية مستقلة ذات جناح يبلغ طوله 3 أمتار، تشبه سيارة الباتروس العادية، وأضافوا شراعا طويلا مثلثا، بالإضافة إلى عارضة رفيعة تشبه الأجنحة، ثم قاموا بعمل بعض النمذجة الرياضية للتنبؤ بكيفية سير هذا التصميم، ووفقا لحساباتهم فإن المركبة التي تعمل بالرياح ستحتاج فقط إلى هدوء نسبي ورياح تبلغ حوالي 5 عقدة، من أجل المرور عبر المياه بسرعة حوالي 20 عقدة، أو 23 ميل في الساعة .

وقد بنى الفريق نموذجا أوليا لتصميمهم باستخدام هيكل الطائرة الشراعية الذي صممه مارك دريلا، أستاذ علم الطيران والملاحة الفضائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إلى أسفل المنحدر أضافوا عارضة، جنبا إلى جنب مع أدوات مختلفة، مثل نظام تحديد المواقع، وأجهزة الاستشعار بالقياس الذاتي، وأجهزة القياس التلقائي، والموجات فوق الصوتية لتتبع ارتفاع طائرة شراعية فوق الماء، ويقول بوسكويت : ” كان الهدف هنا هو إظهار أننا نستطيع التحكم بدقة في مدى ارتفاعنا عن الماء، وأننا نستطيع أن نحصل على الروبوت فوق الماء، ثم ننزل إلى حيث يمكن للعارضة أن تذهب تحت الماء لتوليد قوة، في حين لا يزال بإمكان الطائرة أن تطير ” .

اختباراتهم بدأت منذ خريف 2016
في خريف عام 2016 وضع الفريق تصميمه في الاختبار، حيث أطلق الروبوت من جناح MIT Sailing Pavilion إلى نهر تشارلز Charles River، ولما كان الروبوت يفتقر إلى الشراع وأي آلية لإطلاقه، علقه الفريق من قضيب صيد ملحق بقارب لصيد الحيتان، وبهذا الإعداد سحب القارب الروبوت على طول النهر حتى وصل إلى حوالي 20 ميلا في الساعة، وعند هذا المستوى انطلق الروبوت بشكل مستقل، وهو يركب الريح بمفرده .

وبمجرد أن كانت الطائرة تطير بشكل مستقل استخدم بوسكويت جهاز تحكم عن بعد لإعطاء الروبوت قيادة ” منخفضة “، مما دفعها إلى الانخفاض بما يكفي لغمر قاعدتها في النهر، بعد ذلك قام بتعديل اتجاه العارضة، ولاحظ أن الروبوت تمكن من الابتعاد عن القارب كما هو متوقع، ثم أعطى أمرا للروبوت بالرجوع للخلف، ورفع العارضة من الماء، يقول بوسكويت : ” كنا نطير قريبا جدا من السطح، وكان هناك هامش ضئيل جدا للخطأ – كل شيء يجب أن يكون في مكانه، لذلك كان الإجهاد مرتفعا جدا ولكنه مثير جدا ” .

ويؤكد بوسكويت أن التجارب أثبتت أن الجهاز المفاهيمي للفريق يمكن أن يسافر بنجاح، مدعوما بالرياح والمياه، وفي نهاية المطاف يتصور أساطيل من هذه المركبات بشكل مستقل وفعال مراقبة مساحات كبيرة من المحيط، ويقول بوسكويت : ” تخيل أنك يمكن أن تطير مثل طائر القطرس عندما تكون هناك عاصفة، وعندما لا تكون هناك طاقة رياح كافية فإن العارضة تسمح لك بالإبحار مثل المراكب الشراعية، هذا يوسع بشكل كبير أنواع المناطق التي يمكنك الذهاب إليها ” .

المصدر : ساينس ديلي