أحدث الابتكارات في مجال الطيران تمهد الطريق للطيران من الجيل التالي

صناعة الطيران المتطورة بسرعة تستكشف باستمرار طرقًا لتحسين الكفاءة والأداء والسلامة مع تقليل انبعاثات الكربون والحفاظ على الاستدامة. 

في السنوات الأخيرة، وسعت عدة تطورات تكنولوجية قدرات السفر الجوي داخل غلاف الأرض الجوي وخارجه. وهذا يشمل تكنولوجيا الأقمار الصناعية المتقدمة للاتصالات، والتصنيع الإضافي للمكونات الخفيفة الوزن، والدفع الكهربائي لتقليل الانبعاثات والتكاليف، والطيران الفائق الصوت للسرعة الأكبر، والذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة لتحسين الكفاءة التشغيلية.

تركز صناعة الطيران على المواد المتقدمة ذات الخصائص المحددة جدًا. عادةً ما تشمل الأنظمة أنواعًا مختلفة من المواد، تتراوح من السيراميك الحراري إلى ألياف الكربون والتيتانيوم، والتي تُستخدم لأغراض متعددة لتحسين الأداء. 

يهدف البحث في هذا المجال إلى تطوير مواد متعددة الوظائف، أي مواد لا تقتصر على الوظائف الهيكلية فقط بل يمكنها أيضًا تقديم ميزات أخرى مثل التبريد النشط. لجعل مفاهيم الطيران المتقدمة حقيقة، يجب أن تكون المواد أكثر متانة وخفة وزنًا وفعالية من حيث التكلفة أكثر من أي وقت مضى. 

مع استمرار تقدم صناعة الطيران، دعونا نستعرض أحدث الابتكارات الرائدة التي ستدفعها إلى الأمام أكثر.

فتح ‘جينوم المواد’ لتطوير التصميم

في الشهر الماضي، اكتشف باحثون من كلية الهندسة الجوية والميكانيكية والميكاترونية بجامعة سيدني طريقة ميكروسكوبية لفك العلاقات الذرية داخل المواد البلورية مثل الفولاذ المتقدم والسيليكون المخصص.

هذا يعني أن الباحثين يمكنهم اكتشاف حتى أصغر التغييرات في بنية المستوى الذري لهذه المواد، مما يعزز فهمنا للأصول الأساسية لخصائصها وسلوكها. ستمكن هذه المعرفة من تطوير أشباه موصلات متقدمة للإلكترونيات وسبائك أخف وزنًا وأكثر قوة لقطاع الطيران.

لهذا، استخدم الباحثون تقنية تصوير مسح الذرات (APT)، وهي طريقة تُظهر الذرات في ثلاثة أبعاد (3D)، لتفكيك تعقيد الترتيب قصير المدى (SRO). يُعد SRO مقياسًا كميًا للميل النسبي لعناصر المادة المكوّنة للانحراف عن التوزيع العشوائي. فهم البيئات الذرية المحلية أمر أساسي لإنشاء مواد مبتكرة.

من خلال قياس عدم عشوائية علاقات الجوار على المستوى الذري داخل البلورة بالتفصيل، يفتح SRO \”إمكانات هائلة للمواد المصممة حسب الطلب، ذرةً بذرّة، مع ترتيبات جيران محددة لتحقيق خصائص مرغوبة مثل القوة\”، وفقًا لرئيس الدراسة، البروفيسور سيمون رينجر، نائب رئيس الجامعة (البنية التحتية للبحث) في جامعة سيدني.

يُشار إلى SRO أحيانًا باسم \”جينوم المواد\”، وقد كان قياسه وتحديده تحديًا. ذلك لأن الترتيبات الذرية تحدث على مقياس صغير جدًا لا يمكن رؤيته باستخدام تقنيات الميكروسكوب التقليدية.

لذلك، طور فريق الباحثين طريقة جديدة باستخدام APT تتغلب على هذه التحديات، مما يجعلها \”اختراقًا كبيرًا في علم المواد\”، وفقًا لرينجر، مهندس مواد في AMME. 

تركز الدراسة على سبائك عالية الإنتروبيا (HEAs)، وهو مجال يُبحث فيه بشكل مكثف بسبب إمكانيتها للاستخدام في الحالات التي تتطلب قوة عالية في درجات الحرارة، بما في ذلك محركات الطائرات ومرافق الطاقة.

باستخدام تقنيات علم البيانات المتقدمة والاستفادة من بيانات APT، لاحظ الباحثون وقياسوا SRO. ثم تمكنوا من مقارنة كيفية تغير SRO في سبيكة عالية الإنتروبيا من الكوبالت والكروم والنيكل تحت معالجات حرارية مختلفة.

وفقًا للدكتور أندرو برين، زميل ما بعد الدكتوراه الأول:

“(أنتجت الدراسة) تحليل حساسية يحدد النطاق الدقيق للظروف التي تكون فيها هذه القياسات صالحة والتي لا تكون صالحة.”

من خلال قياس وفهم SRO، يمكن لهذه الدراسة أيضًا أن تساعد في تحويل أساليب تصميم المواد وتظهر مدى \”التغييرات الصغيرة في بنية المستوى الذري يمكن أن تؤدي إلى قفزات هائلة في أداء المواد\”، وفقًا للدكتور منغوي هي، زميل بحث ما بعد الدكتوراه في كلية الهندسة الجوية والميكانيكية والميكاترونية.

علاوة على ذلك، من خلال توفير مخطط على المستوى المجهري، تعزز الدراسة قدرات الباحث على محاكاة سلوك المواد حسابيًا، ونمذجتها، ثم التنبؤ به. يمكن أن تكون أيضًا نموذجًا للدراسات المستقبلية التي يتحكم فيها SRO بخصائص المواد الحرجة.

مادة جديدة تجعل الطيران الفائق السرعة ممكنًا

هناك اهتمام كبير بتحقيق طيران مستدام بسرعات فائقة، لكن لا تزال التحديات التقنية قائمة. وتشمل هذه إدارة الحرارة الشديدة، وتطوير مواد يمكنها تحمل الإجهاد والحرارة القصوى والأكسدة دون التأثير على الأداء، وإنشاء أنظمة دفع يمكنها العمل بكفاءة عند سرعات وارتفاعات عالية. 

بينما يسعى الباحثون لإيجاد حلول لهذه المشكلات، أعلن العلماء من كلية علوم وهندسة المواد بجامعة قوانغتشو عن اختراق في دروع الحرارة الفائقة السرعة في وقت سابق من هذا العام.

في ما قد يكون نقطة تحول للطيران الفائق السرعة، طور العلماء مادة جديدة، سيراميك مسامي، يوفر “استقرار حراري استثنائي” و”قوة ضغط فائقة للغاية”. 

تم تحقيق ذلك باستخدام تصميم هيكلي متعدد المقاييس، وهو ما يقول العلماء إنه تم لأول مرة. علاوة على ذلك، يفتح التصنيع السريع لهذه السيراميكات عالية الإنتروبيا الباب أمام استكشاف أوسع في قطاعات الطيران، والهندسة الكيميائية، وإنتاج ونقل الطاقة.

قال الباحثون إن السيراميك تم تصنيعه عبر “تقنية تخليق عالية الحرارة فائقة السرعة يمكن أن تؤدي إلى قدرة استثنائية على تحمل الأحمال الميكانيكية وأداء عزل حراري عالي”.

لمواجهة تحدي المواد القوية والخفيفة ذات التوصيل الحراري المنخفض، استخدم العلماء مواد سيراميك غير قابلة للاشتعال ومقاومة للتآكل، ذات نقاط انصهار عالية، وتتمتع بتوصيل حراري منخفض. بالطبع، لا تزال المواد السيراميك التقليدية غير كافية للتعامل مع درجات الحرارة والضغط الشديدة.

في حين أن المواد الخفيفة والمسامية تتمتع بقدرات منخفضة لنقل الحرارة، إلا أنها تأتي على حساب هشاشة أكبر.

لذلك، بدأ الباحثون العمل على تحسين “القوة الميكانيكية وقدرة العزل الحراري للسيراميك المسامي” في آن واحد. قادهم ذلك إلى مفهوم الإنتروبيا العالية، الذي يركز على عدة عناصر بنسب متساوية لإنشاء مكونات أقوى وأكثر استقرارًا ومقاومة للحرارة.

وجد العلماء المادة السيراميكية الجديدة — المسماة 9-كاتيون سيراميك مسامي عالي الإنتروبيا ديبورايد (9PHEB) — ناجحة في تحقيق توازن جيد بين مقاومة الحرارة والقوة دون القيود المعتادة. كما حققت هذه المادة الجديدة معايير الوزن والعزل المطلوبة للطيران الفضائي.

وفقًا للباحثين:

“الواجهات عالية الجودة، التي تتميز بارتباط قوي دون عيوب أو مراحل غير متبلورة، يمكن أن تعزز نقل القوة بسرعة عبر وحدة البناء وإلى العديد من الوحدات الأخرى من خلال الاتصالات عند التحميل، مما يؤدي إلى تحسين كبير في القوة الميكانيكية.”

أشارت الدراسة أيضًا إلى أن المادة الجديدة 9PHEB استثنائية من حيث القوة والاستقرار الحراري. 

مواد ذاتية الشفاء لهياكل الطيران

البوليمرات والنانومركبات ذاتية الشفاء هي مواد مبتكرة قد طورت بشكل كبير صناعة الطيران. كما أنها كانت موضوعًا لبحوث هامة لتطبيقاتها في الإلكترونيات، والبطاريات، والطب الحيوي، ومجالات تقنية أخرى. 

على الرغم من وجود مواد ذاتية الشفاء لقرون عديدة، شهدت السنوات القليلة الماضية طفرة كبيرة في الابتكار في هذا المجال، مما أدى إلى تطوير مواد صناعية ذاتية الشفاء.

يمكن العثور على هذه المواد بأشكال مختلفة، حسب كيميائتها الفريدة، بما في ذلك البوليمرات الحرارية القابلة للانصهار، والبوليمرات الصلبة، والإلاستومرات، وبوليمرات الذاكرة الشكلية، والمركبات البوليمرية، والنانومركبات.

اعتمادًا على قدراتها، غالبًا ما يُشار إلى هذه المواد بأنها مواد ذاتية الشفاء داخلية، التي تعتمد على الروابط الكيميائية أو حركة الجزيئات داخل المادة نفسها، أو مواد ذاتية الشفاء خارجية، حيث تنشط عوامل الشفاء الخارجية عند حدوث الضرر.

تُعتبر البوليمرات مهمة بشكل خاص في الاستخدام الهيكلي بسبب قدرتها المذهلة على إصلاح الضرر الهيكلي. يتم ذلك من خلال تحريك سلاسل البوليمر والربط المتقاطع.

في صناعة الطيران، تُعد النانومركبات ذاتية الشفاء مفيدة بشكل خاص للهياكل الهندسية، والمواد اللاصقة، والمحركات، وهياكل الطائرات، والطلاءات. تُصنع النانومركبات ذاتية الشفاء عن طريق دمج الجسيمات النانوية في البوليمرات. ولقدرتها على شفاء الضرر بشكل عكسي، يتم تعزيز البوليمرات الصلبة والبوليمرات الحرارية القابلة للانصهار بجسيمات نانوية من الكربون.

تزيد الحشوات النانوية من تأثير الشفاء الذاتي للنانومركبات. نوع ومحتوى الحشوة النانوية عوامل أساسية في بدء تأثير الشفاء الذاتي.

تقليديًا، كانت المواد السيراميكية والمعدنية تُستخدم لتطوير المحركات. ومع ذلك، في الآونة الأخيرة، تم الاعتماد بشكل متزايد على المواد البوليمرية والمركبات في محركات الطائرات المقاومة للحرارة العالية. هذا التحول له سبب وجيه، حيث أن المواد المركبة تقاوم الضرر الهيكلي الناتج عن الصدمات أو الفشل بشكل أفضل.

مع ألياف سيراميك قادرة على تحمل درجات حرارة عالية جدًا، تم استخدام النانومركبات ذاتية الشفاء لإنتاج مكونات محركات الطائرات الثابتة والمتحركة. وقد وُجد أن هذه المواد النانوية مقاومة للضغط والضرر والتآكل، مما يساهم في تحسين كفاءة المحرك.

تظهر الأبحاث المستمرة في البوليمرات ذاتية الشفاء إمكانات لمواد يمكنها تحمل ضغوط ودرجات حرارة وتأثيرات عالية لتحسين متانة الهياكل الفضائية بشكل كبير. قد نرى حتى تطوير نانومركبات نانوية من الكربون في المستقبل التي تكشف عن الضرر في هياكل الطيران، لكن ذلك سيتطلب عوامل شفاء جديدة ذات كفاءة شفاء ذاتية متفوقة.

من المثير للاهتمام، في عالم المواد ذاتية الشفاء، طور الدكتور كونال ماسانيا، أستاذ مشارك في هياكل ومواد الطيران بجامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا، “مواد حية” للاستخدام في قطاع الطيران. تحتوي هذه المواد الحية على كائنات دقيقة مثل البكتيريا والفطريات، مما يمنحها القدرة على الشفاء الذاتي. طور “مواد حية” للاستخدام في قطاع الطيران. هذه المواد الحية تحتوي على كائنات دقيقة مثل البكتيريا والفطريات، مما يمنحها القدرة على الشفاء الذاتي. 

اختار الفريق الفطريات لقدرتها على تحمل الظروف القاسية وسهولة زراعتها نسبيًا. يمكن لخلايا الفطريات أيضًا الاتصال، مما يعني أنه من خلال توزيع عدد قليل من الخلايا في جميع أنحاء المادة، يمكنها إعادة الاتصال وتشكيل شبكة استشعار. تُنتج هذه المواد الحية فعليًا عبر طريقة طباعة ثلاثية الأبعاد خاصة وحبر طباعة ثلاثية الأبعاد جديد.

تم تنفيذ هذا التطور كجزء من مشروع مدته خمس سنوات، AM-IMITE، الذي حصل على منحة من الاتحاد الأوروبي. وفقًا لماسانيا:

“(هدف المشروع هو) إنشاء هياكل هندسية يمكنها التصرف ككائنات حية، قادرة على الإحساس والتكيف مع الضغوط الميكانيكية.”

باستخدام المواد البيولوجية ذاتية الشفاء، لا يمكن تحسين متانة وأداء الهياكل الحرجة المستخدمة في الطيران فحسب، بل يمكن أيضًا جعلها مستدامة. يستكشف فريق AM-IMITE بالفعل استخدام المركبات كمادة أساسية لداخلية الطائرات.

“موادنا خفيفة الوزن جدًا وأكثر استدامة من المواد المستخدمة حاليًا،” قال ماسانيا، مضيفًا أن استبدال البلاستيك والمعادن يعني أننا لن نحتاج إلى الاعتماد على الوقود الأحفوري. أيضًا، “يمكن تفكيك مكونات الطائرة وإعادتها إلى الطبيعة،” أضاف.

لكن هذا ليس كل شيء. يرى الفريق أن موادهم الحية قد تشكل أساسًا لمساكن جديدة “على كواكب أخرى” باستخدام المواد المحلية وربطها معًا بالفطريات.

الشركات الرائدة في تكنولوجيا الطيران

إذا نظرنا إلى الشركات العاملة في صناعة الطيران، فإن عدة لاعبين رئيسيين يدفعون التكنولوجيا قدمًا، بما في ذلك شركة جنرال داينامكس (GD)، سبيس إكس، فيرجن غالاكتيك، وشركة سييرا نيفادا.

شركة لوكهيد مارتن (LMT)، واحدة من أكبر مقاولات الدفاع في العالم، هي أيضًا لاعب بارز في هذا المجال. معروفة بطائراتها المقاتلة وأنظمة الصواريخ وتكنولوجيات استكشاف الفضاء، طورت لوكهيد مارتن برنامج اتصالات قائم على الذكاء الاصطناعي يُدعى كاليستو بالتعاون مع أمازون وسيسكو لتحسين الكفاءة والوعي بالموقف على متن المركبات الفضائية. مؤخرًا، استحوذت على مزود حلول الأقمار الصناعية تيران أوربيتال في صفقة بقيمة 450 مليون دولار.

بوينغ هي لاعب رئيسي آخر في الطيران التجاري والعسكري. الشركة تخضع حاليًا لتدقيق مكثف بسبب مشكلات مراقبة الجودة، والمشكلات المستمرة مع طائرة 737 ماكس، ومخاوف السلامة، والمنافسة من إيرباص.

إيرباص تشارك أساسًا في تصميم وتصنيع الطائرات التجارية. لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لمنتجاتها، الشركة تطور مواد مستمدة من الكائنات الحية لإنتاج الطائرات. لهذا، تبحث الشركة عن بدائل لألياف الكربون المستخرجة من الوقود الأحفوري التي تُستخدم في بناء مكونات مثل الأجنحة أو هياكل الهيكل.

الآن، دعونا نلقي نظرة أعمق على بعض الأسماء البارزة:

#1. ريثيون تكنولوجيز

تركز على الإلكترونيات الجوية، والإلكترونيات الدفاعية، وأنظمة الصواريخ، في عام 2020، أكملت ريثيون دمجها مع يونايتد تكنولوجيز لتشكيل مزود أنظمة الطيران والدفاع الأكثر تقدمًا في العالم.

مع استمرار الشركة في تقديم منتجاتها وخبراتها عالميًا، تشمل بعض التطورات البارزة هذا العام:

• اختيارها من قبل داربا لتقنيات الاستشعار البصري الكمومي المستخدمة في تطبيقات التصوير.
• إطلاق MAYA كالمستقبل لسفر الجو الفاخر.
• استثمار 200 مليون دولار في سبوكان لتعزيز نمو التصنيع.
• إكمال اختبار تقييم قدرة الطاقم لبدلة الفضاء الجيلية الجديدة للمحطة الفضائية الدولية.
• منحها عقد بقيمة 344 مليون دولار لتحديث وحدة الإلكترونيات لبرنامج تطوير الصواريخ.

في وقت كتابة هذا، تُتداول أسهم ريثيون (RTX:NYSE) عند 118.35 دولار، بارتفاع 40.66٪ منذ بداية العام. القيمة السوقية للشركة هي 157.43 مليار دولار، وعائد توزيعات الأرباح هو 2.13٪.

بالنسبة للربع الثاني من 2024، الشركة أعلنت عن مبيعات بقيمة 19.7 مليار دولار، بزيادة 8٪ عن العام السابق، بينما كان التدفق النقدي التشغيلي 2.7 مليار دولار. أشارت ريثيون إلى وجود طلبية مؤجلة بقيمة 206 مليار دولار، بما في ذلك 129 مليار دولار تجاريًا و77 مليار دولار دفاعيًا. كان ربح السهم المعدل 1.41 دولار، بارتفاع 9٪ مقارنة بالعام السابق.

“قدمت ريثيون أداءً تشغيليًا قويًا في الربع الثاني، مع نمو مبيعات عضوي بنسبة 10٪، وتوسيع هامش معدّل عبر جميع القطاعات الثلاثة، وتدفق نقدي حر بقيمة 2.2 مليار دولار.”

– الرئيس التنفيذي والرئيس ريثيون كريس كالو

كما أشار إلى أنه مع الطلبية المتأخرة و”الطلب غير المسبوق عبر محفظتنا”، يركزون على الاستثمار في التقنيات والقدرات المبتكرة.

#2. نورثروب غرومان

متخصصة في الدفاع والطيران، تُعرف نورثروب غرومان بعملها في الأنظمة غير المأهولة، والأمن السيبراني، وأنظمة الفضاء المتقدمة، بما في ذلك تلسكوب جيمس ويب الفضائي. تطور الشركة أيضًا قاذفة B-12 وبرنامج سينتينيل. بالإضافة إلى ذلك، تتعاون نورثروب غرومان مع سبيس إكس التابعة لإيلون ماسك على نظام أقمار صناعية تجسسية أمريكي، وتشارك مع إبي سي في قدرات الاستقلالية المتقدمة، وتدعم خطة النرويج الدفاعية طويلة الأجل من خلال عملها مع أندوييا سبيس.

في وقت كتابة هذا، تُتداول أسهم نورثروب عند 504.87 دولار، بارتفاع 7.85٪ منذ بداية العام، مما يجعل القيمة السوقية للشركة 73.83 مليار دولار. تدفع عائد توزيعات بنسبة 1.63٪. بالنسبة للربع الثاني من 2024، أعلنت الشركة عن زيادة بنسبة 6.7٪ في الإيرادات لتصل إلى 10.22 مليار دولار. شهد الربع أكثر من 1.11 مليار دولار من التدفق النقدي الحر، بينما شملت النفقات حوالي 3 مليارات دولار في البحث والتطوير و1.8 مليار دولار في النفقات الرأسمالية. تفوق ربح السهم لشركة نورثروب التقديرات بنسبة 7.6٪ ليصل إلى 6.36 دولار.

تتوقع الشركة نموًا قويًا عبر أقسامها، خاصة في مجال الطيران، وأنظمة الأسلحة، والإلكترونيات المتقدمة. من المتوقع انخفاض طفيف في قطاع الفضاء العام المقبل بسبب إلغاء برنامج، لكن من المتوقع استئناف النمو بعد ذلك. بينما تعترف بقيود سلسلة التوريد، خاصة في الحصول على بيركلورات الأمونيوم لمحركات الصواريخ الصلبة، أشارت الرئيسة التنفيذية كاثي واردم إلى أنهم يعملون مع القوات الجوية لتقليل التكاليف.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل 10 أسهم في مجال الطيران والدفاع.

الخلاصة

سوق الطيران حاليًا يقدر بحوالي 300 مليار دولار. بينما شهد انخفاضًا طفيفًا خلال جائحة كوفيد-19، فإنه متوقع أن يتجاوز 460 مليار دولار بحلول عام 2028. في الوقت نفسه، إيرادات سوق تصنيع قطع الطيران متوقع أن تتجاوز 1,230 مليار دولار بنهاية هذا العقد. (GD ) (SPCX ) (SPCE )

نظرًا للنمو الذي تشهده الصناعة، يحدث الابتكار التكنولوجي بوتيرة سريعة. من الطائرات الأكثر كفاءة عبر أنظمة الدفع الكهربائي، إلى إنشاء مواد مركبة متقدمة، وتقدم في الذكاء الاصطناعي وتكنولوجيا المستشعرات لتحقيق طائرات ذاتية التحكم بالكامل إلى البحث وتبني الوقود المستدام للطيران (SAFs)، المستمد من مصادر متجددة، يحدث الكثير، ومعًا يمكن لهذه الابتكارات إحداث تغييرات جادة لتشكيل مستقبل الطيران.

(LMT ) (AMZN )

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل خمس صناديق تداول (ETF) في مجال الطيران للاستثمار فيها.