الملخص:
اقترح الباحثون في جامعة كولورادو بولدر طريقة جديدة تستخدم اهتزازات صغيرة داخل المواد لتنظيم تدفق الهواء. ومن المتوقع مستقبلاً تقليل الاضطراب والسحب دون تغيير شكل الطائرة، وبالتالي تحسين كفاءة استهلاك الوقود.
يمكن لطائرة الركاب أن تطير بسرعة تبلغ حوالي 640 ميلاً في الساعة. يخلق الهواء القريب من سطح الجناح طبقة حدودية مضطربة، مما يزيد من مقاومة الطيران، ويقلل من كفاءة الطيران، ويؤدي إلى زيادة استهلاك الوقود. يمكن للطائرة التجارية أن تستهلك أكثر من 10000 جالون من الوقود في رحلة عبر البلاد، لذا فإن زيادة بسيطة في الكفاءة يمكن أن تؤدي إلى وفورات كبيرة في التكاليف لشركات الطيران.
يستكشف محمود حسين، الأستاذ في قسم علوم هندسة الطيران والفضاء بجامعة كولورادو بولدر، وفريقه طريقًا آخر: فبدلاً من مجرد إعادة تشكيل الخطوط الخارجية للطائرة للتحكم في السحب، يمكنهم وضع مواد صناعية مصممة هندسيًا تحت السطح واستخدام الاهتزازات المجهرية الناتجة عن المواد للتأثير على تدفق الهواء، وبالتالي تقليل الاضطراب وتحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود.
نشر فريق حسين مؤخرًا أبحاثًا في "المراجعة البدنية"
وقال حسين إنه منذ ولادة صناعة الطيران، كانت الفكرة السائدة للتحكم في السحب هي تغيير شكل الطائرة. الآن، اقترح الباحثون مفهومًا جديدًا: استخدام مواد تتفاعل ديناميكيًا مع تدفق الهواء للتأثير على السحب السطحي، مما يحسن أداء الطائرات بطريقة غير مسبوقة. وبالإضافة إلى تعيينه في قسم علوم هندسة الطيران، يحمل حسين تعييناً متزامناً في قسم الفيزياء وهو منتسب لبرنامج علوم وهندسة المواد.
جوهر هذا البحث هو "الفونونات". الفونونات ليست حركات مجهرية للبنية بأكملها، ولكنها اهتزازات صغيرة للغاية تحدث داخل المادة. وعلى الرغم من أن هذه الحركات صغيرة الحجم، إلا أنه إذا أمكن السيطرة عليها، فإنها يمكن أن تغير الطريقة التي يتفاعل بها سطح المادة مع الهواء المتدفق.
يسمى البحث المحيط بهذه الاهتزازات الداخلية علم الصوتيات. وقد شارك حسين في تعزيز تطوير هذا المجال لأكثر من عقدين من الزمن، وساعد في تأسيس سلسلة مؤتمرات "الفونونيكس 20xx" في عام 2011، والتي أصبحت الآن منصة تبادل دولية مهمة للباحثين في هذا المجال.
في عام 2015، اقترح حسين مفهوم "الفونون تحت السطح"، وهو ترتيب هياكل مصممة خصيصًا تحت سطح المواد حتى تتمكن من التحكم بشكل سلبي في الاهتزازات عند السطح البيني بين السطح والسائل. في الماضي، كانت التصاميم التي طورها فريقه وباحثون آخرون تعمل في كثير من الأحيان على تردد واحد فقط.
تظهر أحدث الأبحاث أن تصميم سطح الفونون السفلي في هيكل ملفوف يمكن أن يمتد تأثيره إلى نطاق من الترددات. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "الرنين الفائق"، تحل مشكلة كبيرة في التصميمات السابقة: فهي تمكن البنية من التفاعل مع نطاق أوسع من مكونات التردد الموجودة في الاضطراب الحقيقي.
قال حسين إن الفريق لم يتمكن في البداية من التعامل إلا مع تردد واحد، لكنه أراد لاحقًا تغطية نطاق أوسع من الترددات، لأن هذه هي الطريقة التي يتم بها توليد الاضطرابات في العالم الحقيقي بطريقة النطاق العريض هذه. واليوم تم تحقيق هذا الهدف. يخترق هيكل الفونون الملتف القيود طويلة الأمد لاستراتيجيات التحكم في التدفق الصفحي.
"التداخل الخالي من التشتت" يعالج مشكلة أخرى. بدلًا من مجرد وضع سطح فونون تحت سطح الأرض في مكان واحد، يمكن للباحثين ترتيب هياكل متعددة في شبكة أو شبكة شعرية، وتوسيع تأثيرها أسفل تدفق الهواء على مساحة أكبر، مثل جناح الطائرة أو سطح جسم مركبة تفوق سرعتها سرعة الصوت.
وقال حسين إن هذا النهج يتيح التحكم الفعال في المصب. كان التحكم في المصب والتحكم في النطاق العريض اثنين من القيود الرئيسية للتكنولوجيا منذ طرحها قبل أكثر من عقد من الزمن، وقد قام الفريق الآن بحل هاتين المشكلتين.
يكمل التقدمان بعضهما البعض، كما أشار آدم هاريس، طالب الدكتوراه في علوم وهندسة المواد في مختبر حسين والمؤلف المشارك لكلا الورقتين. يوفر التداخل الخالي من التشتت طريقة لتخفيف السلوك المكاني لحقول التدفق غير المستقرة أسفل سطح الفونون؛ يعمل الرنين الفائق على توسيع نطاق التردد الذي يمكن أن يكون التحكم فيه فعالاً. إن الجمع بين الاثنين يجعل مفهوم الفونون الأصلي تحت السطح أقرب إلى المرونة المطلوبة في بيئات التدفق الحقيقي.
في الوقت الحاضر، تأتي هذه النتائج بشكل أساسي من الدراسات الحسابية، لكن أسطح الفونون لم تعد في المرحلة النظرية تمامًا. قامت فرق البحث في جميع أنحاء العالم بإنشاء نماذج أولية فيزيائية عاملة وتتجه نحو اختبار نفق الرياح.
وقال حسين إن الفريق يأمل في اختراق التفكير التقليدي القائل بأن "التحكم في التدفق لا يمكن أن يعتمد إلا على تغيير شكل السطح المكشوف، أو في السنوات الأخيرة، الاعتماد على المحركات النشطة". باستخدام الأسطح السفلية للفونون، يحتفظ الجناح أو جسم الطائرة بشكله الأصلي واستوائه وخصائصه السلبية، في حين تم تصميم المادة الموجودة أسفله للتفاعل مع تدفق الهواء بطريقة مستهدفة للغاية.
على الرغم من أن الأبحاث الحالية موجهة في المقام الأول نحو مجال الفضاء الجوي، إلا أن الاستخدامات المحتملة للرنين الفائق والتداخل الخالي من التشتت لا تقتصر على الطائرات. ويعتقد حسين أن السفن وخطوط الأنابيب والآلات التوربينية وأي نظام يتأثر بالاضطرابات يمكن أن يستفيد؛ في الواقع، قد يكون لكلتا الفكرتين تطبيقات تتجاوز التحكم في التدفق.
تتضمن الأبحاث ذات الصلة أيضًا مشكلات التدفق فوق الصوتي ويتم دعمها من خلال برنامج بحث جامعي متعدد التخصصات مدته خمس سنوات بقيمة 7.5 مليون دولار أمريكي من مكتب الأبحاث البحرية التابع لوزارة الدفاع الأمريكية.
التعليقات