مركبة جوية صغيرة

المركبة الجوية الصغيرة ( MAV )، أو المركبة الجوية المصغرة ، هي فئة من الطائرات المسيرة المصغرة المحمولة يدويًا ، والتي يُمكّنها حجمها من استخدامها في عمليات الدعم القريبة على ارتفاعات منخفضة. ^{[ 2 ]} يمكن أن يصل حجم المركبات الجوية الصغيرة الحديثة إلى 5 سنتيمترات - قارن بالمركبة الجوية النانوية . ويقود تطويرها منظمات تجارية وبحثية وحكومية وعسكرية؛ ومن المتوقع ظهور طائرات بحجم الحشرات في المستقبل. ^{[ 3 ]} تسمح هذه المركبات الصغيرة بالمراقبة عن بُعد للبيئات الخطرة أو المناطق التي يصعب الوصول إليها بالمركبات الأرضية. وقد صمم هواة الطائرات الجوية الصغيرة ^{[ 4 ]} لتطبيقات مثل مسابقات الروبوتات الجوية والتصوير الجوي . ^{[ 5 ]} ويمكن لهذه المركبات أن توفر أنماط طيران ذاتية. ^{[ 6 ]}

في عام ٢٠٠٨، طورت جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا أصغر طائرة أورنيثوبتر مزودة بكاميرا، وهي DelFly Micro، النسخة الثالثة من مشروع DelFly الذي بدأ عام ٢٠٠٥. يبلغ طول هذه النسخة ١٠ سنتيمترات ووزنها ٣  غرامات، وهي أكبر قليلاً (وأكثر ضجيجًا) من اليعسوب الذي استوحي منها تصميمها. تكمن أهمية الكاميرا في التحكم عن بُعد عندما تكون DelFly بعيدة عن الأنظار. مع ذلك، لم تُختبر هذه النسخة بنجاح في الهواء الطلق حتى الآن، على الرغم من أدائها الجيد في الأماكن المغلقة. يقول الباحث ديفيد لينتينك من جامعة فاغينينغين ، الذي شارك في تطوير النموذجين السابقين، DelFly I وDelFly II، إن محاكاة قدرات الحشرات، باستهلاكها المنخفض للطاقة وكثرة أجهزة الاستشعار لديها - ليس فقط العيون، بل أيضًا الجيروسكوبات وأجهزة استشعار الرياح وغيرها الكثير - سيستغرق الأمر نصف قرن على الأقل. ويضيف أن طائرات الأورنيثوبتر بحجم الذبابة ستكون ممكنة، شريطة تصميم ذيلها بشكل جيد. يشير ريك رويسينك من جامعة دلفت للتكنولوجيا إلى وزن البطارية باعتباره المشكلة الأكبر؛ إذ تشكل بطارية الليثيوم أيون في جهاز DelFly micro، التي تزن غرامًا واحدًا، ثلث الوزن الإجمالي. ولحسن الحظ، لا تزال التطورات في هذا المجال سريعة جدًا، نظرًا للطلب المتزايد عليها في مختلف المجالات التجارية الأخرى.

يقول رويسينك إن الغرض من هذه المركبات هو فهم طيران الحشرات وتوفير استخدامات عملية، مثل الطيران عبر الشقوق في الخرسانة للبحث عن ضحايا الزلازل أو استكشاف المباني الملوثة بالإشعاع. كما ترى وكالات التجسس والجيش إمكانات كبيرة لهذه المركبات الصغيرة كجواسيس وكشافة. ^{[ 7 ]}

طوّر روبرت وود في جامعة هارفارد طائرةً أصغر حجماً، لا يتجاوز طولها 3  سنتيمترات، إلا أنها ليست ذاتية التشغيل، إذ تستمد طاقتها من سلك. وقد حقق الفريق تحليقاً ثابتاً مُتحكماً به في عام 2013 ^{[ 8 ]} ، بالإضافة إلى عمليات هبوط وإقلاع من أسطح بارزة مختلفة في عام 2016 ^{[ 9 ]} (كلاهما ضمن بيئة تتبع الحركة).

طُوّرت طائرة T-Hawk MAV ، وهي طائرة بدون طيار صغيرة الحجم ذات إقلاع وهبوط عمودي مزودة بمروحة أنبوبية، من قِبل شركة هانيويل الأمريكية ، ودخلت الخدمة عام 2007. يستخدم الجيش الأمريكي وقسم الذخائر المتفجرة التابع للبحرية الأمريكية هذه الطائرة للبحث عن القنابل المزروعة على جوانب الطرق وفحص الأهداف. كما نُشرت الطائرة في محطة فوكوشيما دايتشي للطاقة النووية في اليابان لتوفير قراءات فيديو وإشعاعية بعد زلزال وتسونامي توهوكو عام 2011. ^{[ 10 ]}

في أوائل عام 2008، حصلت شركة هانيويل على موافقة إدارة الطيران الفيدرالية الأمريكية لتشغيل طائرتها الصغيرة بدون طيار، والتي تحمل اسم gMAV، في المجال الجوي الوطني على أساس تجريبي. وتُعدّ gMAV رابع طائرة صغيرة بدون طيار تحصل على هذه الموافقة. تستخدم طائرة هانيويل gMAV نظام الدفع الموجه لتوليد قوة الرفع، مما يسمح لها بالإقلاع والهبوط عموديًا والتحليق. كما أنها قادرة على الطيران الأمامي "عالي السرعة"، وفقًا للشركة، ولكن لم يتم نشر أي بيانات عن أدائها. وتؤكد الشركة أيضًا أن الطائرة خفيفة بما يكفي ليحملها رجل. وقد طُوّرت في الأصل كجزء من برنامج تابع لوكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) ، ومن المتوقع أن يكون استخدامها الأولي مع إدارة شرطة مقاطعة ميامي-ديد، فلوريدا . ^{[ 11 ]}

في يناير 2010، نجحت جامعة تامكانغ (TKU) في تايوان في تحقيق التحكم الذاتي في ارتفاع طيران طائرة صغيرة بدون طيار (MAV) ذات جناحين خافقين، يبلغ وزنها 8 غرامات وعرضها 20 سنتيمترًا. وكان مختبر الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) التابع للجامعة يعمل على تطوير طائرات MAV لعدة سنوات، وفي عام 2007 انضم مختبر ديناميكيات الفضاء والطيران (SFD) إلى فريق البحث لتطوير طائرات MAV ذاتية الطيران. وبدلاً من استخدام أجهزة الاستشعار والحوسبة التقليدية، التي تُعدّ ثقيلة جدًا بالنسبة لمعظم طائرات MAV، جمع مختبر ديناميكيات الفضاء والطيران بين نظام رؤية مجسمة ومحطة أرضية للتحكم في ارتفاع الطيران، ^{[ 12 ] [ 13 ]} مما جعلها أول طائرة MAV ذات جناحين خافقين يقل وزنها عن 10  غرامات تحقق الطيران الذاتي.

في عام 2012، نشر الجيش البريطاني طائرة بلاك هورنت نانو بدون طيار التي تزن ستة عشر غراماً في أفغانستان لدعم عمليات المشاة. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

على الرغم من عدم وجود طائرات صغيرة الحجم حقيقية (أي طائرات مصغرة للغاية) في الوقت الراهن، فقد حاولت وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA ) إطلاق برنامج لتطوير طائرات نانوية أصغر حجماً (NAVs) يبلغ طول جناحيها 7.5 سنتيمترات. ^{[ 16 ]} ومع ذلك، لم تظهر أي طائرات نانوية تلبي مواصفات برنامج DARPA الأصلي حتى عام 2009، عندما عرضت شركة AeroVironment تحليقاً متحكماً فيه لطائرة DARPA النانوية ذات الجناح الخافق. ^{[ 17 ]}

إلى جانب صعوبات تطوير الطائرات الصغيرة بدون طيار، فإنّ قلة من التصاميم تعالج قضايا التحكم بشكل كافٍ. فصغر حجم هذه الطائرات يجعل التحكم عن بُعد غير عملي، إذ لا يستطيع الطيار الموجود في المحطة الأرضية رؤيتها لأكثر من 100 متر. وقد تمّ عرض كاميرا مُدمجة تسمح للطيار الأرضي بتثبيت الطائرة وتوجيهها لأول مرة في طائرة "بلاك ويدو" التابعة لشركة "أيروفيرونمنت"، ولكنّ الطائرات الصغيرة جدًا لا تستطيع حمل أجهزة إرسال قوية بما يكفي للتحكم عن بُعد. لهذا السبب، ركّز بعض الباحثين على الطيران الذاتي الكامل للطائرات الصغيرة بدون طيار. ومن هذه الأجهزة، التي صُمّمت منذ البداية كطائرة صغيرة بدون طيار ذاتية التشغيل بالكامل، طائرة " إنتوموبتر" المستوحاة من الطبيعة، والتي طُوّرت في الأصل في معهد جورجيا للتكنولوجيا بموجب عقد مع وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) من قِبل روبرت سي. ميكلسون . ^{[ 18 ]}

بالنظر إلى إمكانية التحكم في المركبات ذاتية القيادة الصغيرة (MAVs) بشكل مستقل، لا تزال هناك تحديات كبيرة في الاختبار والتقييم. ^{[ 19 ] [ 20 ]} ويجري حاليًا معالجة بعض المشكلات التي قد تواجه المركبات الحقيقية من خلال محاكاة هذه النماذج. ^{[ 21 ]}

يُعدّ قصر مدة الطيران أحد القيود التي تواجهها هذه المركبات. وينطبق هذا بشكل خاص على المركبات التي يقل وزنها عن 10 غرامات، والتي تقتصر مدة طيرانها على 10 دقائق. تُشكّل المركبات الجوية الصغيرة التي تعمل بالطاقة الشمسية حلاً محتملاً، لكن سعة الحمولة والتوازن غير المتوازن بين توليد قوة الرفع وكفاءة الطاقة يقللان من جدواها. مع ذلك، توصل شين وزملاؤه (2024) إلى مركبة قادرة على تجاوز هذه القيود، أطلقوا عليها اسم "كولوم فلاي". يبلغ وزن "كولوم فلاي" 4.21 غرامًا، ومع ذلك فهي قادرة على الطيران لمدة ساعة كاملة. ويتحقق ذلك من خلال "نظام دفع كهرساكن يتميز بكفاءة عالية في تحويل قوة الرفع إلى طاقة تبلغ 30.7 غرام/واط، ونظام طاقة فائق الخفة يعمل بالكيلوفولت باستهلاك منخفض للطاقة يبلغ 0.568 واط". ^{[ 22 ]}

يتمثل أحد الاتجاهات الجديدة في مجال الطائرات بدون طيار الصغيرة في استلهام الأفكار من الحشرات الطائرة أو الطيور لتحقيق قدرات طيران غير مسبوقة. لا تقتصر أهمية الأنظمة البيولوجية لمهندسي الطائرات بدون طيار الصغيرة على استخدامها للديناميكا الهوائية غير المستقرة مع الأجنحة الخفاقة فحسب، بل إنها تُشكل مصدر إلهام متزايد للمهندسين في جوانب أخرى مثل الاستشعار والتفاعل الموزعين، ودمج البيانات الحسية ، ومعالجة المعلومات. وقد ركزت الأبحاث الحديثة في سلاح الجو الأمريكي على تطوير آلية وقوف شبيهة بآلية الطيور. وقد طورت شركة فيشوا للروبوتات ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مؤخرًا آلية للحركة الأرضية والوقوف مستوحاة من مخالب الطيور، وذلك برعاية مختبر أبحاث سلاح الجو الأمريكي . ^{[ 23 ]}

عُقدت ندواتٌ عديدةٌ تجمع علماء الأحياء وخبراء الروبوتات الجوية بوتيرةٍ متزايدةٍ منذ عام 2000 ^{[ 24 ] [ 25 ]} ، ونُشرت مؤخرًا بعض الكتب ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} حول هذا الموضوع. كما استُخدمت المحاكاة الحيوية في تصميم طرق تثبيت أنظمة الطائرات المسيّرة الصغيرة المتعددة والتحكم بها. استلهم الباحثون من السلوكيات المرصودة لأسراب الأسماك وأسراب الطيور للتحكم في أسراب الطائرات المسيّرة الصغيرة الاصطناعية ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} ، ومن القواعد المرصودة في مجموعات الطيور المهاجرة لتثبيت تشكيلات الطائرات المسيّرة الصغيرة المدمجة ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] .}

• توماس ج. مولر، محرر (2002). ديناميكا الهواء للأجنحة الثابتة والمتحركة لتطبيقات المركبات الجوية الصغيرة . AIAA . ISBN 978-1-56347-517-7.
• بيتر فوربس، قدم الوزغة: كيف يستلهم العلماء من كتاب الطبيعة ، هاربر بيرنيال، 2006، ص  161-179.
• Guo et al., An Autonomously Hopping-off Micro Raised-flapping-wing Air Vehicle , published in the 31st Chinese Control Conference, 2012.

• Delfly.nl صور مجهرية من Delfly