مصرف سوخت کمتر با الگوبرداری از پرواز پرندگان
ترجمه: محسن مصطفائی
آرزوی پرواز از دیرباز با انسان همراه بوده است و با اقتباس و الگوبرداری از پرندگان، تا به امروز، هواپیماهای متعددی ساخته شده‌اند که مسافت‌های بسیار طولانی میان کشورها یا حتی قاره‌ها را طی می‌کنند. حتی مخترعان اولین هواپیما نیز اذعان کرده‌اند كه از پرواز پرندگان الهام گرفته‌اند. در این زمینه می‌توانید به مقاله «چرا برادران «رایت» موفق شدند و دیگران نه؟» در روزنامه «شرق» مورخ 25/02/1399 مراجعه كنید. یکی از موضوعات بسیار مهم و اساسی درباره هواپیماها، مصرف سوخت زیاد و آلایندگی این وسایل است که روش‌های مختلفی برای رفع این موضوعات مطرح شده است. در این مقاله یکی از جدیدترین طرح‌ها با الگوبرداری از آرایش پرواز گروهی پرندگان مورد بحث قرار می‌گیرد. از دیرباز هواپیماهای جنگنده در نبردهای مختلف و در مأموریت‌های آفندی و پدافندی، آرایش پرواز خاصی را دنبال می‌کنند که مشابه رفتار پرواز پرندگان مهاجر مانند غازهاست. در سال 2012، پروژه‌ای در نیروی هوایی آمریکا کلید خورد که در آن از آرایش Vشکل پرندگان الهام گرفته شده بود و با هدف کاهش مصرف سوخت هواپیماهای ترابری در حین پرواز دنبال می‌شد. محققان پروژه یادشده بر این باور بودند که گردابه‌های ایجادشده به وسیله نوک بال هواپیمای جلویی در حین پرواز آن، می‌تواند نیرویی به هواپیمای پشت‌سری یا کناری وارد کند و هواپیمای پشت‌سری یا کناری می‌تواند از این نیرو استفاده کرده و مصرف سوخت کمتری داشته باشد. پیش‌تر نیز در سال 2003، تست‌های اولیه ناسا بر روی یک F/A-18 و یک DC-8 صورت گرفت و نتایج آن حاکی از صرفه‌جویی نزدیک به 30درصدی مصرف سوخت برای هواپیمای جنگنده بود که بر روی گردابه‌های ایجادشده به وسیله هواپیمای ترابری حرکت می‌کرد. در همین راستا، به‌تازگی شرکت ایرباس نیز پروژه‌ای را با هدف کاهش مصرف سوخت هواپیماهای خود آغاز کرده است که در ادامه به آن می‌پردازیم.
یکی از نکات درخور توجه در پرواز پرندگان، آرایش Vشکل آنها هنگام کوچ‌‌کردن است که دو هدف برای آن مطرح می‌شود. هدف اول ذخیره انرژی آنهاست؛ زیرا در این آرایش هر پرنده در فاصله کمی بالاتر از پرنده دیگر و جلوتر از آن پرواز می‌کند که منجر به کاهش مقاومت باد می‌شود. هدف دیگر وسعت دید بیشتر، دنبال‌کردن راحت‌تر پرندگان دیگر در یک گروه و ارتباط و هماهنگی بهتر بین اعضای گروه عنوان می‌شود. برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی و مقابله با معضل آلودگی، صنعت هوایی با الهام‌گرفتن از پرواز پرندگان به سرنخ‌های آیرودینامیک شگفت‌انگیزی دست یافته است. در همین راستا، سازندگان هواپیماهای غول‌پیکر ایرباس در حال توسعه سیستمی به نام فلوفلای هستند که در آن دو هواپیمای تجاری، آرایش پرواز پرندگان مهاجر را تقلید می‌کنند. پرندگان مهاجر در زمان کوچ از یک نقطه به نقطه‌ای دیگر به صورت دسته‌جمعی پرواز می‌کنند و هریک از آنها در فاصله کمی عقب‌تر از پرندگان دیگر و به شکل V پرواز می‌کنند. این شرکت بر این باور است که این آرایش هواپیماها می‌تواند سبب کاهش مصرف سوخت هواپیمای دنبال‌کننده به میزان بیش از 10 درصد در هر سفر شود. سیستم فلوفلای از آرایش پرواز برخی از پرندگان به‌ویژه غازها به منظور صرفه‌جویی در انرژی الهام گرفته است. مشابه پرندگان، هواپیماهای در حال پرواز نیز با تولید گردابه‌های چرخشی هوا به کمک بال‌های هواپیما، هوای آشفته را پشت سر می‌گذارند. این گردابه‌ها در یک مسیر دوار به سمت بیرون گسترده می‌شوند تا مستهلک شوند. در این حالت، یک جریان هوای رو به بالا در اطراف آنها ایجاد می‌شود. در این صورت، اگر هواپیمای دوم در فاصله مشخص و کمی دورتر از مرکز گردابه‌های هوای هواپیمای پیشرو حرکت کند، نیروهای ناشی از جریان هوای رو به بالا به هواپیمای جدید وارد می‌شود. اعمال چنین نیرویی به هواپیمای دنبال‌کننده اجازه می‌دهد تا قدرت موتورهای خود را کاهش دهد و به دنبال آن مصرف سوخت و آلایندگی کمتری را تجربه کند. اگرچه این روش فواید بسیار زیادی دارد، اما برای بهره‌مندی از این مزایا، هواپیماها باید موقعیت بسیار دقیقی درباره یکدیگر داشته باشند؛ زیرا اگر هواپیمای دنبال‌کننده به مرکز مسیر هواپیمای پیشرو نزدیک شود، جریان‌های گردابی هوا سبب می‌شوند تا به جای نیروی بالابرنده، نیرویی پایین‌برنده به هواپیمای دنبال‌کننده وارد شود. همچنین، هواپیماها مجبور هستند تا فاصله استاندارد را که عموما در بین هواپیماها وجود دارد، کاهش دهند. «نیک مک‌دانلد»، مدیر پروژه و مهندس ارشد ایرباس می‌گوید: «در عملیات فلوفلای فاصله طولی بین دم‌های هواپیماها باید از حدود 55 کیلومتر در فضای اقیانوسی به سه کیلومتر کاهش یابد». شروع آزمایش‌ها این شرکت چندملیتی، در ماه جولای، سیستم یادشده را سه مرتبه آزمایش کرده است. در این آزمایش‌ها، دو هواپیمای ایرباس A350 در فضای اقیانوس آتلانتیک غربی فرانسه به پرواز درآمدند و به مدت چهار ساعت در فاصله سه کیلومتری یکدیگر قرار گرفتند. «مک‌دانلد» می‌گوید: «این آزمایش‌ها نشان داد که پایدار نگه‌داشتن هواپیما با توجه به نیروی بالابرنده ناشی از هواپیمای دیگر در زمانی که هواپیما بر روی خلبان خودکار قرار دارد، امکان‌پذیر است و صرفه‌جویی در سوخت هواپیما در این حالت بسیار چشمگیر است». سازندگان سیستم فلوفلای قصد دارند تا این سیستم را بر روی هواپیماهای سازگار در ایرلاین‌های مختلف که در یک مسیر هوایی و در یک زمان قرار دارند، اجرا کنند. در مرحله بعدی آزمایش که برای ارتقای پروتکل‌های ایمنی طراحی شده است و در سال آینده بر فراز اقیانوس آتلانتیک اتفاق می‌افتد، شرکت ایرباس توافق‌نامه‌ای را با دو ایرلاین فرنچ بی و اسکاندیناوی به امضا رسانده است. سایر شرکت‌‌های خدمات ناوبری هوایی بین‌المللی مانند شرکت خدمات ناوبری هوایی فرانسه (DSNA)، هولدینگ ان‌اِی‌تی‌اس (NATS) انگلستان (یا خدمات ملی ترافیک هوایی سابق) و شرکت یوروکنترل (مستقر در بلژیک) به‌عنوان شرکت‌کنندگان آینده در این طرح برنامه‌ریزی شده‌اند. ایمنی چه می‌شود؟ هواپیماها به دلیل آنکه در فاصله نزدیکی از یکدیگر پرواز می‌کنند، باید هماهنگی بسیار دقیقی داشته باشند تا از تصادفات و تلاطم بیش از حد جلوگیری شود. این هماهنگی باید از زمین آغاز شود. خلبان «دیوید مراک» که در پروژه فلوفلای دخالتی ندارد، می‌گوید که چالش‌های موجود عبارت‌اند از تعیین قوانین برای تعامل بین دو هواپیما، تصمیم‌گیری درباره نقش کنترل‌کننده‌های ترافیک هوایی، حفظ ارتباط بین همه طرف‌های درگیر، ایجاد برنامه‌هایی برای مقابله با شرایط اضطراری یا آب‌وهوای نامناسب و تقسیم منافع اقتصادی. «مراک» می‌گوید: «به‌عنوان مثال، با در‌نظر‌گرفتن دو خط هوایی مختلف در یک مسیر پرواز، این سؤال مطرح می‌شود که کدام هواپیما حق دارد تا در مصرف سوخت خود صرفه‌جویی کند؟ به عبارت دیگر، کدام هواپیما باید پیشرو و کدام‌یک باید دنبال‌کننده باشد؟». در همین راستا، شرکت یوروکنترل در حال همکاری با ایرباس در این پروژه است. این سازمان بر روی تعیین الزامات و رویه‌های لازم قبل از شروع پرواز ازجمله تقویت ارتباط بین هواپیما و کنترل‌کننده‌های ترافیک هوایی متمرکز خواهد شد. «جیووانی لنتی»، رئیس بخش عملیات شرکت یوروکنترل که مربوط به نگهداری داده‌های هوایی، برنامه‌های پرواز و مدیریت جریان است، می‌گوید قوانین سختگیرانه عملیاتی، به همراه نرم‌افزارهای تخصصی، به مقابله با چنین چالش‌هایی مانند انتخاب هواپیماها برای جفت‌شدن کمک می‌کند. همچنین او می‌گوید: «نرم‌افزاری كه به یافتن هواپیماهای مناسب و جفت‌شدن هواپیماها كمك خواهد كرد [با در‌نظر‌گرفتن برنامه‌های پرواز مربوطه] توسط ایرباس در حال تهیه است». یک جفت هواپیما با استفاده از سیستم فلوفلای به صورت جداگانه بلند می‌شوند و خلبانان آنها با تکیه بر یک سیستم داخلی با خیال راحت آرایش مدنظر دو هواپیما را شکل می‌دهند. «لنتی» می‌گوید: «در‌حال‌حاضر، كنترل‌كننده‌های ترافیك هوایی تا حد زیادی وظیفه حفظ فاصله افقی بین دو هواپیما را در یک ارتفاع دارند»؛ اما او معتقد است که «برای كاهش فاصله به حدود 1.5 مایل دریایی (حدود سه كیلومتر) كه برای پرواز ضروری است، باید از فناوری جدید داخلی که از سوی خلبان‌ها در هواپیما جاسازی می‌شود، استفاده شود». اگرچه ممکن است کم‌بودن فاصله میان هواپیماها، خطرناک به نظر برسد؛ اما «مراک» بر این باور است که فاصله نزدیک هواپیماها خطری نخواهد داشت. او می‌گوید: «ما به‌عنوان خلبان آموزش‌های گسترده‌ای را می‌بینیم و پرواز هواپیماها برای ایجاد آرایش مدنظر با آموزش و پروتکل مناسب امکان‌پذیر خواهد بود». «لنتی» می‌گوید که برای ایمنی بیشتر، کنترل‌کننده ترافیک هوایی باید یک مسیر پرواز اختصاصی را در حدود 305 متر زیر هر دو هواپیما خالی نگه دارد. به‌این‌ترتیب اگر هریک از هواپیماها با مشکلی روبه‌رو شود که نیازمند تغییر سطح پرواز خود باشد، بتواند بلافاصله از این آرایش خارج شده و تا ارتفاع مطمئنی پایین بیاید. راحتی مسافران علاوه بر موارد ذکرشده، شرکت ایرباس باید با این واقعیت روبه‌رو شود که پرواز در چنین فاصله نزدیکی می‌تواند منجر به تلاطم بیش از حد و از‌بین‌رفتن آسایش مسافران شود. با‌این‌حال «مک‌دالند» ادعا می‌کند که پیش‌تر در آزمایش‌های فلوفلای به این مسئله پرداخته‌اند. او می‌گوید این آزمایش‌ها نشان داد كه اگر هواپیمای دنبال‌کننده در نقطه مناسبی از هواپیمای پیشرو باقی بماند، فقط تلاطمی مشابه آنچه را هواپیما در حین انجام پرواز عادی با آن روبه‌رو می‌شود، تجربه خواهد كرد. در صورت موفقیت‌آمیز‌بودن این سیستم، «مراک» تخمین می‌زند که: «به طور بالقوه خطوط هوایی باید بتوانند در هر سفر فرامنطقه‌ای هزاران پوند [چندین تن] سوخت را صرفه‌جویی کنند». همچنین طبق محاسبات ایرباس، صرفه‌جویی در هر تن سوخت تقریبا معادل سه تن دی‌اکسید کربن کمتر خواهد بود. ScientificAmerican, Nov. 2020