تصميم طائرة شراعية آلية يمكنها السير على الماء

صمم المهندسون طائرة شراعية آلية يمكنها التنقل على طول سطح الماء، حيث تستطيع الطائرة الطيران مثل طائر القطرس والتحرك بين الأمواج مثل المراكب الشراعية .

تصميم طائرة شراعية آلية يمكنها المشي على سطح 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
تتميز هذه الطائرة الشراعية بكونها خفيفة الوزن نسبيا، حيث تبلغ وزنها حوالي 6 باوندات، ويأمل الباحثون في المستقبل القريب أن يتم نشر هذه الكاشطات الآلية السريعة والمدمجة في فرق لمسح مساحات كبيرة من المحيط. يقول غابرييل بوسكويت، زميل ما 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 المراقبة، ومن المهم جدا فهم المحيط الجنوبي وكيف يتفاعل مع تغير المناخ، ولكن من الصعب جدا الوصول إليه، ويمكننا الآن استخدام الطاقة المتاحة في البيئة بطريقة فعالة للقيام برحلات طويلة، مع نظام صغير لا يزال في مرحلة الاختبار .

– سيقدم بوسكويت تفاصيل نظامه الآلي في مؤتمر IEEE الدولي للروبوتات الذي سيُعقَد في بريسبان، أستراليا في هذا الأسبوع. ويتكون فريق المشروع من جان جاك سلوتين، أستاذ هندسة الميكانيكا وعلوم المعلومات وعلوم الدماغ، ومايكل تريانتافيلو، أستاذ في علوم وهندسة المحيطات .

فيزياء السرعة
في العام الماضي، قام فريق البحث بنشر دراسة حول رحلة القطرس، حيث ركزوا على الديناميكية الخاصة بها. وقد حددوا الآليات التي تمكن القطرس من قطع مسافات طويلة بأقل قدر من الطاقة المستهلكة. المفتاح لرحلاتها الماراثونية يكمن في قدرتها على المناورة بين طبقات الهواء العالية والمنخفضة. توصل الباحثون إلى أن القطرس قادر على استغلال ظاهرة تسمى `نقل الزخم`، حيث يستخدم زخم الهواء في الطبقات العليا والأسرع لدفع نفسها باتجاه الأسفل دون الحاجة لتحريك أجنحتها .

من المثير للاهتمام أن بوسكويت لاحظ أن طير القطرس يشبه إلى حد كبير السفر بالمراكب الشراعية، حيث ينقل كلاهما الزخم للمضي قدما. ومثلا للمراكب الشراعية، لا يحدث هذا النقل بين طبقات الهواء، بل بين الهواء والماء. يشرح الباحثون: “المراكب الشراعية تستخدم زخمها من الرياح بواسطة الشراع، وتحفزه في الماء عن طريق الضغط على ظهرها. وهذه هي الطريقة التي يتم استخراج الطاقة لاستخدامها في 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 تم إطلاق الروبوت من جناح MIT Sailing Pavilion إلى نهر تشارلز، ولأن الروبوت لم يكن لديه شراع أو آلية للإطلاق، قام الفريق بتعليقه بواسطة قضيب صيد ملحق بقارب لصيد الحيتان، وبهذه الإعدادات سحب القارب الروبوت على طول النهر حتى وصل إلى حوالي 20 ميلا في الساعة، وعند هذا المستوى انطلق الروبوت بشكل مستقل، وهو يستغل الرياح بمفرده .

فور ارتفاع الطائرة بشكل مستقل، استخدم بوسكويت جهاز تحكم عن بعد لإعطاء الروبوت إشارة “انخفاض” في القيادة. وهذا دفع الروبوت للانخفاض بما يكفي لغمر قاعدته في النهر. بعد ذلك، قام بتعديل اتجاه العارضة ولاحظ أن الروبوت تمكن من الابتعاد عن القارب كما هو متوقع. ثم أمر الروبوت بالرجوع للخلف ورفع العارضة من الماء. يقول بوسكويت: “كنا نحلق قريبا جدا من السطح، وكان هناك هامش ضئيل جدا للخطأ – كل شيء يجب أن يكون في مكانه، لذلك كان الإجهاد مرتفعا جدا ولكنه مثيرا جدا .

يؤكد بوسكويت أن التجارب أثبتت أن الجهاز المفاهيمي للفريق قادر على السفر بنجاح، مع دعم من الرياح والماء، وفي النهاية يمكن تصور أساطيل من هذه المركبات بشكل مستقل وفعال لمراقبة مساحات واسعة من المحيط. يضيف بوسكويت: “تخيل أنك تستطيع الطيران مثل النسر في حالة عاصفة، وعندما لا تتوفر طاقة رياح كافية، يمكنك الإبحار مثل القوارب الشراعية. هذا يوسع بشكل كبير مجالات الأماكن التي يمكنك زيارتها .

المصدر : ساينس ديلي