ناسا تجري اختبارات جديدة لتعزيز فهم مخاطر التجمد الناتج عن قطرات الماء الكبيرة فائقة التبريد

بين الغيوم العادية والأمطار، يوجد خطر واجه مهندسو الطيران صعوبة في احتسابه بالكامل منذ حادث تحطم طائرة ركاب عام 1994. ويجري مركز جلين للأبحاث التابع لإدارة الطيران والفضاء الأمريكية (ناسا) سلسلة من الاختبارات الجديدة لتحسين فهم الصناعة لهذا الخطر والأدوات اللازمة لتصميم طائرات قادرة على الصمود أمامه. يُعرف هذا التهديد باسم "التجمد الناتج عن قطرات الماء الكبيرة فائقة التبريد"، ويحدث عندما تحلق طائرة عبر غيوم تحتوي على قطرات ماء كبيرة بشكل غير طبيعي. وتكون درجة حرارة هذه القطرات أقل بكثير من 32 درجة فهرنهايت، لكنها لا تتجمد بسبب افتقارها إلى الغبار أو الجسيمات الدقيقة الأخرى اللازمة للتبلور.

بمجرد اصطدام هذه القطرات بسطح الطائرة، تتجمد بسرعة.

خطورة القطرات الكبيرة فائقة التبريد

تكمن أهمية الحجم في أن معظم الطائرات مصممة ومعتمدة لظروف التجمد القياسية في الغيوم، حيث يتراوح قطر القطرات بين 2 و100 ميكرومتر. للمقارنة، يبلغ عرض شعرة الإنسان حوالي 70 ميكرومتر. وهذه الظروف مفهومة جيداً، ويملك مهندسو الطيران أدوات ناضجة لنمذجتها. أما القطرات الكبيرة فائقة التبريد فتنتمي إلى فئة مختلفة، إذ يصل قطرها إلى 2,000 ميكرومتر، وهو حجم يرتبط عادةً بالمطر المتجمد على سطح الأرض. وتسمح كتلتها وزخمها باختراق الحواف الأمامية للأجنحة والمثبتات، والوصول إلى مناطق أبعد على جسم الطائرة حيث لا تعمل أنظمة منع التجمد التقليدية.

هذا يعني أن إجراءات الحماية المصممة لظروف التجمد القياسية قد تترك أجزاء من الطائرة مكشوفة للخطر عند وجود قطرات كبيرة.

اختبار المجسات الجديدة وتطبيقها

تجري ناسا الاختبارات الجارية ضمن حملة اختبارات في نفق أبحاث التجمد بمركز جلين للأبحاث في كليفلاند. ويستخدم باحثو ناسا مجسات جديدة تهدف إلى توفير قياسات أفضل لحجم القطرات في الوقت الفعلي داخل الغيوم المولدة اصطناعياً في النفق. وتستطيع هذه المجسات الجديدة رصد قطرات يزيد قطرها عن 45 ميكرومتر، وتحليل أحجامها في الوقت الفعلي. وسيربط الباحثون هذه القياسات بنتائج مجس آخر يقيس القطرات الأصغر من 45 ميكرومتر، لإنتاج صورة كاملة لمدى أحجام القطرات بالكامل في غيوم التجمد الحقيقية.

تصف ناسا عملية التحقق المتبادل بين المجسات الجديدة وتقنية قديمة كثيفة العمالة، تتضمن المعالجة اللاحقة لبيانات صور أحجام القطرات بعد كل تجربة اختبار. وستتيح هذه المقارنة للوكالة التحقق من دقة المجسات الجديدة في التقاط الطرف الأكبر من مدى أحجام القطرات، وهو بالضبط الموضع الذي تواجه فيه الأدوات الهندسية المستخدمة في الصناعة أكبر قدر من عدم اليقين.

تمثل حملة الاختبارات هذه معلمًا في مشروع عروض الطيران تحت الصوتي، الذي يندرج ضمن برنامج أنظمة الطيران المتكاملة التابع لناسا، تحت مظلة مديرية مهام البحث والتكنولوجيا. وتقول ناسا إن التحليل التفصيلي للبيانات المجمعة جارٍ، وسيتم مشاركته مع مجتمع الطيران والفضاء عند اكتماله. وتكمن المشكلة الأساسية في أن النماذج الهندسية المستخدمة في تصميم الطائرات قد خضعت للتحقق الكافي في ظروف التجمد التقليدية، لكنها تواجه تساؤلات في التقاط الخصائص الفيزيائية للقطرات الكبيرة فائقة التبريد. وتعني أنظمة القياس الأفضل معايرة في النفق نماذج حاسوبية أفضل معايرة، مما يوفر أدوات تصميم أكثر موثوقية للمصنعين الذين يطورون الجيل القادم من الطائرات التجارية، ويدعم الهيئات التنظيمية التي تحدد معايير الاعتماد التي يجب أن تستوفيها هذه الطائرات.

اختبارات محورية لتعزيز سلامة الطيران

يشكل ظاهرة التجمد الناتج عن القطرات الكبيرة فائقة التبريد تهديداً كبيراً لسلامة الطيران، خاصة عندما تحلق الطائرات في غيوم تحتوي على قطرات كبيرة بشكل غير طبيعي. ولا تقتصر اختبارات ناسا الجديدة على تحسين فهم هذا الخطر، بل تمتد لتعزيز فعالية أنظمة منع التجمد الحالية. ومن خلال القياسات الفورية للمجسات الجديدة، يستطيع الباحثون التقاط أحجام القطرات بدقة أكبر، وهو أمر حيوي لتصميم طائرات قادرة على الصمود أمام مثل هذه المخاطر. وستسهم نتائج هذا البحث في تمكين صناعة الطيران من تطوير طائرات أكثر أماناً في المستقبل، وتوفير البيانات اللازمة للهيئات التنظيمية، مما يرفع معايير سلامة الطيران بشكل عام.