در سال‌های اخیر صنعت حمل و نقل هوایی برای ارتقاء خدمات ارائه شده، نقاط عطف بسیاری را پشت سر گذاشته است. از تجربه‌ی کابین‌های مجلل که ما را به یاد هتل‌های چند ستاره می‌اندازد تا ارائه خدمات تفریحی در طول پرواز به مشتریان، صنعت هوانوردی با پیاده سازی چندین فناوری پیشرفته …

به طور قطع دنبال کنندگان صنعت هوانوردی تا به حال با اهمیت پرنده‌های عمودپرواز آشنا شده‌اند. بخشی از صنعت حمل و نقل درون شهری در آینده نزدیک از زمین به هوا منتقل می‌شود و پیشتازان این صنعت اکنون در حال دست و پنجه نرم کردن با چالش‌های پیشرو این حوزه هستند. در هر
مقاله سعی می شود با نگاهی متفاوت اما پیوسته به این حوزه از تکنولوژی داشته باشیم و در این قسمت، کمپانیJoby Aviation، یکی از پیشتازان طراحی و ساخت پرنده‌های عمود پرواز که سابقه همکاری با ناسا را در رزومه خود دارد معرفی می‌شود.

معرفی مختصر

کمپانی Joby Aviation به ماننده سایر شرکت‌های فعال در عرصه هوانوردی در تلاش است تا فعالیت‌های اصلی این شرکت در حاله‌ای از ابهام باقی بماند و از طرح های این شرکت اطلاعاتی درز پیدا نکند. با این حال در ماه‌های گذشته با آشکار شدن تصویر پرنده عمودپرواز سرنشین‌دار این شرکت بخشی از فعالیت‌های آن و سرمایه گذاری‌های این شرکت پیشرو آشکار شد. تصویر منتشر شده که در زیر می بینید خبر از طراحی و ساخت یک هواپیمای عمودپرواز درون شهری می دهد که با دارا بودن 6 موتور الکتریکی قابلیت حمل 5 مسافر را دارد. همچنین با پیوستن سرمایه گذارها و مشارکت در این طرح ارزش این کمپانی به بیش از 1 میلیارد دلار رسیده است و این گونه به یک استارتاپ موفق که به صورت مستقل در این حوزه فعالیت می‌کند تبدیل شده است.

نقطه آغاز

برای دانستن نقطه آغاز این موفقیت باید رجوع کرد به صحبت های JoeBen Bevirt مدیرعامل و موسس این شرکت که به تازگی برنده جایزه انجمن عمودپرواز شده است. او در این سخنرانی از سرمایه گذاری بر روی موتورهای الکتریکی از حدود 10 سال پیش سخن گفت. Bevirt بعد از فارغ التحصیلی در دانشگاه استنفورد پژوهش بر روی باتری‌های مناسب برای هواپیمای عمود پرواز را شروع کرد. زمانی که بیشینه ظرفیت باتری ها 40 W-h/Kg بوده ولی امروز این ظرفیت در حال رسیدن به 200 W-h/Kg است و این بدان معناست که تحقق پروازهای درون شهری رنگ و بوی واقعی‌تری به خود گرفته است.

او در سال 2006، یک شرکت به نام Joby که خود ملقب به این نام بود، راه اندازی کرد و به ساخت هولدرهای گوشی موبایل و دوربین عکاسی پرداخت. در سال 2008 با راه اندازی Joby Energy فعالیت‌های خود در صنعت هوانوردی را ادامه داد. در این شرکت به ساخت یک گلایدر سرنشیندار پرداخت و طی یک سال فعالیت این شرکت تجربیات زیادی در زمینه موتور الکتریکی، ملخ و سازه کامپوزیتی سبک بدست آورد. او که همیشه شعار کاهش زمان سفرهای درون شهری را در ذهن داشته، به دنبال حل چالش تقابل هزینه و تکنولوژی بوده است و برای این منظور پرنده های کوچک متعددی ساخت و به مرحله تست رساند.

رشد و توسعه

در سال 2008 کمپانی Joby Aviation به صورت رسمی آغاز به کارکرد و اولین محصول آن Monarch نام داشت یک هواپیمای شخصی فوق سبک که به هواپیماهای امروزی نزدیک بوده اما با این تفاوت که قابلیت نشست و برخاست عمودی دارد. درآن سال‌ها همچنان مشکلات ظرفیت کم باتری وجود داشته بنابراین در این مدل پرنده نیز از سوخت مایع در کنار باتری برای تامین انرژی 8 موتور الکتریکی آن استفاده شده‌است. همانطور که در شکل زیر می‌بینید طول بال این پرنده 11 متر است و با سرعت کروز 160 km/h می تواند 1 ساعت مداومت پروازی داشته باشد.

با تکمیل شدن تیم طراحی و مطرح شدن ایده‌های بروزتر، این مجموعه با طراحی یک پرنده جدیدتر و متفاوت‌تر توانست هزینه هر مسافر به ازای هر مایل را کاهش دهد و امکان مسافرت هوایی درون شهری را در مرحله طراحی فراهم کند. این محصول که در سال 2014 از آن رونمایی شد S2 نام دارد که شکل آن را در زیر می‌بینید. این پرنده برای پروازی آرام اما ایمن در درون شهر طراحی شد. در پرنده S2 از 12 موتور برای نشست و برخاست عمودی استفاده می‌شود که 4 عذذ از آنها که در نوک بال و دم قرار دارند با گردش خود در فاز کروز نیز کمک خواهند کرد. علاوه بر این نیز 4 موتور به صورت ثابت برای فاز کروز طراحی شده‌اند. سیاست گذاری‌های این شرکت در پژوهش بر روی موتورهای الکتریکی و سیستم پیشرانش توزیع یافته همچنان ادامه داشت و منجر به همکاری با ناسا شد.

همکاری با ناسا

به موازات طراحی پرنده‌های عمودپرواز سرنشیندار خود، این کمپانی همکاری‌هایی با ناسا داشته است که منجر به رشد و توسعه بیشتر این شرکت شد. از جمله این پروژه‌ها می‌توان به طراحی پهپاد Joby Lotus، طراحی و ساخت موتور الکتریکی Maxwell X-57 و مشارکت در پروژه LEAPTech Wing اشاره کرد. LEAPTech که کوتاه شده عبارت Leading Edge Asynchronous Propeller Technology تنها یک بال است که با نیروی پیشران الکتریکی نامتوازن توریع شده بر روی آن قابلیت پرواز پیدا میکند. این بال فیبرکربنی 9 متری در سال 2015 ساخته شد و اولین تست پروازی خود را انجام داد. این بال با نصب بر روی یک کامیون و حرکت آن، سرعت اولیه لازم برای برخواست را پیدا می‌کند.

طراحی عمودپرواز S4

شرکت Joby Aviation با تجربیات بدست آمده از در طول فعالیت‌های خود در عرصه هوانوردی، توانست نسخه بهبودیافته‌تری به نام S4 را بسازد. این پرنده 4 نفره نسبت به نسخه قبلی خود دو نفر افزایش ظرفیت داده و تعداد موتورهای آن به 6 عدد کاهش یافته. همچنین پرنده S4 آلودگی صوتی کمتری ایجاد می‌کند و هزینه ساخت آن کمتر شده است که این موفقیتی بزرگ برای این کمپانی است. بعد از منتشر شدن نخستین تصاویر این پرنده تمامی توجهات به آن جلب شد و مدیران این مجموعه با جذب سرمایه بیشتر به توسعه شرکت سرعت بخشیدن. از ویژگی های این پرنده می توان به سرعت کروز 480 km/h و برد 240 کیلومتری آن اشاره کرد همچنین صدای تولید شده از این پرنده 100 برابر کمتر از صدای یک هلیکوپتر می‌باشد.

چشم‌انداز

نقطه اوج فعالیت های این شرکت را می توان امضای قرارداد همکاری با اوبر دانست. این قرارداد که در اوایل پاییز سال گذشته منعقد شد شرکت Joby  را متعهد به ارائه سرویس تاکسی هوایی کرده که باید ایمن، بدون ایجاد آلودگی و سریع باشد همچنین ساخت و بهره‌وری از این سیستم بر عهده این شرکت می‌باشد و در طرف مقابل شرکت اوبر قرار است زیرساخت های لازم را فراهم کند و به سیستم حمل و نقل زمینی خود متصل کند. با توجه به رویکرد این شرکت در سال های اخیر و سرمایه گذاری ها و مشارکت های انجام داده تمرکز این شرکت بر روی ارائه سرویس حمل و نقل هوایی درون شهری است و همچنین بر روی بهینه سازی و بهبود پرنده خود می باشد. و انتظار می رود که در سال های آینده نام این شرکت به مراتب بیش از پیش شنیده شود و سهم بزرگی از صنعت حمل نقل هوایی در آینده ای نه چندان دور داشته باشد.

فضای هوایی امروز در حال تغییر است: مدیریت ترافیک بدون سرنشین می‌تواند یک رویکرد دیجیتالی‌تر، متقابل و مقیاس‌پذیرتر را ارائه دهد.

ظهور وسایل نقلیه هوایی جدید مانند هواپیماهای بدون سرنشین و تاکسی‌­های پرواز و عملیات هواپیماهای جدید در حال تغییر شیوه پیکربندی و مدیریت آسمان ما است. مدیریت ترافیک بدون سرنشین اکنون یک مؤلفه مهم برای فعال کردن این وسایل نقلیه هوایی جدید است تا با خیال راحت وارد فضای هوایی ما شوند. فضای هوایی امروز شلوغ تر از همیشه است. طبق اطلاعات شرکت هواپیمایی Flight Aware ، بیش از 1.2 میلیون نفر در هر لحظه در سراسر جهان به پرواز در می­‌آیند که این بیشتر از جمعیت سانفرانسیسکو یا استکهلم است!

به لطف فناوری­‌های پیشرفته، اکنون انواع جدیدی از وسایل نقلیه هوایی در حال توسعه هستند و با سرعت وارد آسمان ما می‌­شوند. این وسایل نقلیه اشکال و قابلیت‌­های جدیدی دارند و در ارتفاعات بسیار پایین‌­تری کار می­‌کنند که همه فضای هوایی فعلی برای رسیدگی به آن طراحی نشده است. به عنوان مثال، هواپیماهای بدون سرنشین باری در حال حاضر بسته­‌ها را سریعتر و کارآمدتر از کشتی به ساحل منتقل می‌­کنند و وسایل نقلیه عمود برخاست برقی نشان از وعده بزرگی برای انتقال افراد از نقطه A تا B در داخل شهرها به جای ساعت­‌ها در راه بودن دارند. اما چگونه این وسایل نقلیه هوایی جدید که اکثر آنها بدون سرنشین هستند (یعنی بدون خلبان) می‌­توانند با خیال راحت وارد فضای هوایی فعلی شوند؟ و چگونه می‌­توانند با یکدیگر و کاربران فضای هوایی فعلی و همچنین با استفاده­‌های بعدی که هنوز تعریف نشده­‌اند هماهنگ باشند؟ پاسخ به این سؤالات در حال حاضر مورد بررسی قرار می­‌گیرد که دیجیتالی شدن و استقلال نقش مهمی در نوسازی و مدیریت ایمنی فضای هوایی آینده ما دارند.

نوسازی مدیریت ترافیک با مدیریت ترافیک بدون سرنشین

امروزه، هواپیماها با کنترل ایمنی حمل و نقل هوایی با خلبانان از طریق رادیو، سیستمی هدایت می­‌شوند که به سیستم مدیریت هوایی معروف است. این ارتباط مستقیم، از نقطه به نقطه، بینایی بین یک اپراتور و هواپیما، روش استاندارد صنعت است. اما برآوردها نشان می‌­دهد که رشد ترافیک هوایی تجاری در نهایت از ظرفیت یک سیستم انسانی محور فراتر خواهد رفت و این فقط برای پروازهایی که توسط انسان هدایت می‌­شوند، انجام می‌­شود. همانطور که عملیات بدون سرنشین و خلبان همچنان به تکثیر خود ادامه می‌­دهد، سیستم‌­های مدیریت هوایی باید به یک مدل مقیاس پذیرتر تغییر پیدا کنند: یک سیستم دیجیتالی که می‌­تواند بر افزایش فعالیت نظارت و مدیریت کند. به این سیستم مدیریت ترافیک بدون سرنشین یا مجموعه خدمات شبکه‌­ای گفته می‌­شود که براساس قوانین مشترک با یکدیگر ارتباط برقرار می‌­کنند. چارچوب‌­های مدیریت ترافیک بدون سرنشین به جای تکیه بر کنترل متمرکز در سراسر جهان از اصل اختیارات توزیع شده استفاده می‌­کند، که این سیستم برای ارائه دهندگان، خدمات بیشتری می‌­دهد که می‌توانند با تحول بازار سازگار شوند و نیاز به تغییر دارند. خدمات مدیریت ترافیک بدون سرنشین واقعی در حال حاضر شروع به اجرا شده است. سیستمی که امروز و طی چند سال آینده راه‌­اندازی می‌­شود­، یکی از سیستم­‌های موجود برای دهه‌­های آینده خواهد بود. این بر نسل بعدی افرادی که از سیستم کنترل ترافیک هوایی استفاده می‌­کنند نیز تأثیر می‌­گذارد.

در عمل، مدیریت ترافیک بدون سرنشین به این معنی است که هواپیما دیگر نیازی به صحبت با یک موجود واحد مانند یک کنترل کننده ترافیک هوایی اختصاصی ندارد. درعوض، قادر به برقراری ارتباط آزادانه با چندین تأمین کننده خدمات خواهد بود. این تأمین­‌کنندگان مطابق با استانداردهای ایمنی، امنیتی و عملکردی مربوطه برپا می‌­شوند و قادر خواهند بود با بقیه شبکه هماهنگ شوند تا تصمیم‌­گیری­های کارآمد را بر اساس اهداف خاص پرواز انجام دهند. این انتقال به صورت تدریجی انجام خواهد شد­، اما موردی است که برای حیات آتی سیستم جهانی حمل و نقل هوایی مهم است.

نسل بعدی مدیریت ترافیک هوایی

در سراسر جهان، اصول اساسی و رویکردهای مربوط به چارچوب­‌های مدیریت هوایی بدون سرنشین در توسعه بسیار مشابه هستند. در اروپا، سیستمی که توسط U-Space-Sesar تهیه شده است، انتظار می ­رود در سال 2020 از بین رفته و در آمریكا، ناسا در حال توسعه یك مدل خصوصی موسوم به “تهیه‌­كنندگان خدمات سیستم­‌های هواپیمای بدون سرنشین” است كه توسط اداره هواپیمایی فدرال (FAA) تأیید شده­ است. مدیریت هوایی بدون سرنشین ایرباس، مسئول توسعه این زیرساخت­های مدیریت ترافیک دیجیتال، در حال ساخت راه حل­‌هایی برای کمک به چارچوب­‌های مدیریت هوایی بدون سرنشین است. این ارائه دهنده خدمات، مجوز پرواز در ارتفاع کم و قابلیت پیمایش در هوای ایالات متحده را دارا می‌­باشد، به این معنی که مدیریت هوایی بدون سرنشین ایرباس می‌­تواند مجوزهای FAA را برای پروازهای سیستم هواپیمای بدون سرنشین در نیز ارائه دهد.

به گفته جو پولاستر (رئیس مدیریت محصولات هوایی بدون سرنشین ایرباس)، انتقال کامل به یک سیستم مدیریت هوایی بدون سرنشین از طریق مراحل کوچک پیشرفت خواهد کرد. این شامل پیاده­‌سازی برنامه­‌های کاربردی کوچک و گرفتن بازخورد در مورد زنده بودن آنها است که این صنعت را قادر می‌­سازد تا در دراز مدت خدمات را افزایش دهد. در انتها، جو می­‌گوید: “خدمات واقعی مدیریت هوایی بدون سرنشین را از قبل شروع به اجرای آن كرده­‌اند. سيستمي كه امروز و در چند سال آينده راه‌­اندازي كرده­‌ايم، دستگاهي خواهد بود كه براي دهه‌­هاي بعد در دست است. این بر نسل بعدی افرادی که از سیستم کنترل ترافیک هوایی استفاده می‌­کنند نیز تأثیر می­‌گذارد.”

موتور جدید کاتالیستی GE می‌تواند به هواپیماهای هیبریدی کمک کند تا با تولید توان حداکثر 1 مگاوات، پرواز را انجام دهند!

هواپیماهای هیبریدی به حالت برخاستن نزدیک می­شوند:

شركت GE Aviation در نمایش هوایی EAA Air Venture Oshkosh اعلام كرد كه قراردادی با شركت XTI Aircraft امضاء كرده است تا از موتور كاتالیستی GE به عنوان هسته یك سیستم پیشرانه جدید هیبریدی-الکتریکی برای هواپیمای تجاری XTI استفاده كند. در اولین قدم از این قرارداد GE Aviation انتظار دارد، محصولی متفاوت را به بازار تجاری و حمل و نقل هوایی عمومی وارد کند.

کریگ هوور، رهبر موتورهای هیبریدی-الکتریکی GE Aviation برای واحد تجاری و هوانوردی عمومی خود می­‌گوید: توسط هیبریداسیون می‌­توان پیشرانه توزیع شده در جایی که شما دارای یک توربین برای چرخش چند پروانه در هواپیما هستید را فراهم کرد. این برخلاف موتورهای سنتی توربوپراپ است که برای هر پیشرانه به یک توربین جداگانه احتیاج دارد. این نوع توزیع در هواپیماهای هیبریدی امکان دسترسی به نیروی محرکه بیشتری را فراهم می‌­سازد و دست طراحان هواپیما را آزاد می‌­گذارد تا حتی در اصول طراحی هواپیما بتوانند تجدید نظر کنند. هوور توضیح می‌­دهد که فناوری باتری فعلی اجازه نمی‌­دهد چگالی انرژی کافی برای ساخت هواپیمای الکتریکی از راه دور فراهم شود. هواپیماهای هیبریدی مانند اتومبیل‌­های هیبریدی، مزایای یک موتور توربینی، از جمله چگالی پر انرژی سوخت جت، را با موتورهای الکتریکی از قبیل نگهداری و سر و صدای کمتر ترکیب می­‌کنند.

برخی بر این باورند که هواپیماهای هیبریدی-الکتریکی به سرعت عملیاتی می‌­شوند. طبق گفته وال استریت ژورنال، کمپانی سواری توریستی Uber Technologies Inc.  قصد دارد سرویس هوایی را با استفاده از هواپیماهای الکتریکی عمود پرواز به زودی در سال 2023 آغاز کند. این روزنامه می‌­گوید، سایر شرکت‌­ها نیز بیان دارند که هواپیماهای الکتریکی حتی می‌­توانند در سال 2021، از طریق مقاوم‌­سازی گسترده هواپیماهای توربوپراپ موجود با موتورهای الکتریکی جدید، به بازار عرضه شوند. آنچه در مورد TriFan 600 منحصر به فرد است، این است که کاتالیست به هواپیما اجازه می‌­دهد خیلی بالاتر (در ارتفاع 30000پا) حرکت کند و سریع­تر از تمام هواپیماهای الکتریکی که وارد بازار می‌­شوند، باشد. قدرت کاتالیست همچنین امکان حمل بار بسیار بزرگتر را فراهم می­‌کند، در حالی که هنوز قادر به برخاستن و فرود به صورت عمودی است.

کاتالیست اولین موتور توربوپراپ است که در بیش از 50 سال به بازار حمل و نقل هوایی راه پیدا کرده و کاملاً از ابتدا طراحی شده است. GE در سال 2015 از این موتور رونمایی کرد و حدود 400 میلیون دلار برای توسعه آن متعهد شده است. طراحی Clean Sheet کاتالیست بدان معنی است که مهندسان GE توانسته­‌اند از جهش­‌های تکنولوژیکی که این شرکت در سال‌­های اخیر با تولید مواد افزودنی تولید کرده است، به عنوان چاپ سه بعدی نیز استفاده کنند. با چاپ سه بعدی، مهندسین GE توانسته­‌اند فقط به ده‌­ها قسمت چاپ شده یا تقریباً چاپ شده دست یابند، که اگر به روش­‌های معمولی ساخته می­‌شدند، تقریباً 800 جزء را تشکیل می‌­دادند. این روش به آنها این امکان را می‌­دهد که وزن کاتالیزور را 5٪ کاهش دهند و مصرف سوخت را 1٪ بهبود دهند. موتور TriFan حدود 1400 اسب بخار یا 1 مگاوات نیرو تولید می­کند. این موتور همچنین از فناوری بنام موتور دیجیتال و کنترل پروانه کامل (FADEPC) استفاده می‌­کند، که در جت‌­ها رایج است اما در هواپیماهای توربوپراپ تجاری هرگز مورد استفاده قرار نگرفته است. این فناوری به خلبانان اجازه می‌­دهد هواپیما را با یک اهرم تنها به جای سه در طراحی سنتی و چهار اهرم مورد نیاز با یک موتور ترکیبی کنترل کنند که این کار خلبان را ساده می‌­کند. در میان 98 فناوری ثبت شده دیگر کاتالیست پیشرفت­‌هایی وجود دارد که به آن نسبت فشار 1:16 را می‌­دهد تا موتور بتواند قدرت بیشتری را در ارتفاعات استخراج کند.

علاوه بر بهبود عملکرد و عملکرد خلبان، موتورهای هیبریدی، همچنین هواپیماهای هوایی را به طور جدی در مرحله تجدید نظر در طراحی هواپیماها قرار می‌­دهند. در موردTriFan 600 ، XTI این هنر و صنعت را برای برخاستن، شناوری و فرود به صورت عمودی مانند هلیکوپتر از طریق استفاده از سه فن هوادهی طراحی کرده است. سپس این هواپیما قادر خواهد بود تا دو فن بال خود را به جلو بچرخاند تا مانند هواپیما فعالیت کند و به سرعت حرکت می­یابد. طبق گفته XTI ، TriFan 600 پنج مسافر به همراه خلبان خود را حمل خواهد کرد. این هواپیما قبلاً 80 پیش سفارش مشتری دارد. علاوه بر XTI TriFan 600 ، از کاتالیست در هواپیماهای جدید تجاری لوکس Textron Aviation نیز استفاده می‌­شود تا بتواند چهار سرنشین آن را 1600 مایل دریایی با سرعت 285 گره حمل کند.

هوور می­‌گوید: “ما می‌­توانیم کاتالیست را از نظر قدرت و ارتفاع در موقعیت مناسب در جایی که می­‌بینیم بازار توربوپراپ با هواپیماهای ترکیبی رونق دارد، قرار دهیم.”