ابزار نوین برای پیشبینی برخورد صاعقه با هواپیما
پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) ابزاری فیزیکی و مبتنی بر شبیهسازی ساختهاند که میتواند نحوهی تعامل صاعقه با طرحهای مختلف هواپیما را پیشبینی کند. هدف از این ابزار، کمک به مهندسان برای طراحی هواپیماهایی است که در برابر صاعقه مقاومتر باشند.
این ابزار نقشههایی موسوم به نقشههای ناحیهبندی صاعقه تولید میکند که نشان میدهد کدام بخشهای هواپیما باید سطوح متفاوتی از حفاظت الکتریکی را داشته باشند، بسته به اینکه احتمال برخورد صاعقه در آن نقاط چقدر است.
این پروژه با حمایت مالی جزئی از سوی شرکت بوئینگ انجام شده است و هدفش آن است که سامانههای حفاظت در برابر صاعقه از همان مراحل اولیه طراحی در مدلهای آینده هواپیما بهینهسازی شوند.
حفاظت هوشمندتر در برابر صاعقه
روزانه بیش از ۷۰ هواپیما در سراسر جهان دچار برخورد صاعقه میشوند، اما مسافران معمولاً متوجه آن نمیشوند؛ زیرا هواپیماهای مدرن طوری طراحی شدهاند که جریانهای بسیار قوی برق را بهصورت ایمن از بدنه عبور داده و از مسافران و تجهیزات دور کنند.
با این حال، در شرایطی که صنعت هوافضا به سمت طراحیهای نوینی مانند بدنههای یکپارچه (blended-body)، بالهای مهاربندیشده (truss-braced wings) و مواد کامپوزیتی سبک حرکت میکند، روشهای سنتی حفاظت ممکن است دیگر کارایی لازم را نداشته باشند.
پروفسور کارمن گوئرا-گارثیا، استادیار گروه هوافضا در MIT میگوید:
«روشهای مبتنی بر فیزیک، جهانشمولاند. آنها وابسته به شکل یا نوع وسیله نیستند. این رویکرد، مسیر آینده ما برای انجام ناحیهبندی صاعقه و حفاظت از هواپیماهای آینده است.»
ترکیب دینامیک سیالات و الکترواستاتیک
برای حل این مسئله، پژوهشگران چارچوبی شبیهسازی طراحی کردهاند که دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) را با الکترواستاتیک محاسباتی ترکیب میکند تا نحوهی اتصال، حرکت و خروج صاعقه از سطح هواپیما را مدلسازی کند.
در هر شبیهسازی، هزاران قوس الکتریکی احتمالی دنبال میشوند تا مسیر حرکت آنها روی سطح بدنه بسته به سرعت، ارتفاع و هندسه پیشبینی شود.
نتیجه، نقشهای رنگی از نواحی هواپیما است که نشان میدهد کدام بخشها بیشترین شدت جریان را تجربه میکنند و نیاز به محافظت سنگینتری دارند.
زونبندی بر اساس فیزیک، نه دادههای تاریخی
در طراحیهای سنتی، هواپیماها معمولاً به سه «زون» اصلی تقسیم میشوند که هرکدام باید سطوح مشخصی از جریان الکتریکی را تحمل کنند؛ این طبقهبندی بر پایهی دههها دادهی تجربی از طرحهای کلاسیک لولهای (tube-and-wing) شکل گرفته است.
اما ابزار جدید MIT این زونبندی را مستقیماً از اصول فیزیکی استخراج میکند، نه دادههای تاریخی؛ بنابراین میتواند برای پیکربندیهای جدید و غیرمعمول که هنوز پرواز نکردهاند نیز بهکار رود.
بهینهسازی وزن و ایمنی
ناتانائل جنکینز، دانشجوی دکتری هوافضا و نویسندهی اصلی پژوهش، توضیح میدهد:
«محافظت در برابر صاعقه سنگین است. استفاده از توری یا فویلهای مسی در سراسر بدنه، جریمهی وزنی ایجاد میکند.»
او افزود:
«اگر همه جای هواپیما را در بالاترین سطح محافظت قرار دهیم، وزن بیش از حد میشود. بنابراین زونبندی راهی است برای بهینهسازی وزن و درعینحال حفظ ایمنی.»
در آزمونهای مقایسهای، نقشههای فیزیکی جدید با دادههای زونبندی هواپیماهای متداول مقایسه شدند و نتایج تطابق بالایی نشان دادند، که نشاندهندهی اعتبار مدل است.
کاربردهای آینده
گام بعدی تیم MIT استفاده از این ابزار برای طراحیهای آینده است؛ از جمله بالهای مهاربندیشده و بدنههای یکپارچه که جریان هوا و هندسهی آنها کاملاً متفاوت است.
همچنین پژوهشگران معتقدند که این مدل میتواند برای فناوریهای دیگر نیز سودمند باشد، مانند توربینهای بادی. توربینهای بادی دریایی که ارتفاع بیشتری دارند و در معرض طوفانهای شدید قرار میگیرند، تا ۶۰ درصد از تیغههای خود را بر اثر صاعقه از دست میدهند. استفاده از این مدل میتواند به افزایش دوام و قابلیت اطمینان آنها کمک کند.
پروفسور گوئرا-گارثیا در پایان گفت:
«این سامانهها نیز در محیطی با جریان گاز در حال حرکت قرار دارند، پس از بسیاری جهات مشابه هواپیما هستند. ما قصد داریم از همین روش برای آنها نیز بهره ببریم.»
این پژوهش در نشریهی IEEE Access منتشر شده است.
جمعبندی
پژوهش جدید MIT راهی نو برای طراحی سامانههای ایمنتر در برابر صاعقه ارائه میدهد. با استفاده از مدلهای فیزیکی دقیق، مهندسان میتوانند زونهای آسیبپذیر هواپیما یا توربین بادی را پیشبینی و تقویت کنند. این دستاورد نهتنها امنیت پرواز را افزایش میدهد، بلکه میتواند عمر تجهیزات انرژی بادی را نیز طولانیتر سازد.
تاریخ ارسال: 1404/08/13 |
تمامی حقوق برای آکادمی مکانیک محفوظ است.