◄ پهپادهای بزرگ و هواپیماهای برقی

بخش چهاردهم از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل‌ و‌ نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش پانزدهم آن در ادامه می آید.

پهپادهای بزرگ و هواپیماهای برقی

شاید فعالیت پهپادهای بزرگ بدون خلبان (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) یکی از حوزه‌ اصلی رقابت برای توسعه‌ هوانوردی آینده باشد. پهپادهای کوچکتر اولاً از نوع کنترل رادیویی (radio controlled , RC) هستند، ثانیاً  از نوع چهار ملخه (quadcopter) و هشت ملخه (octocopter) بوده و به طور روز افزونی در اندازه‌ های بزرگتر و فناوری های پیشرفته‌ تر ساخته می‌شوند.

 مهمترین شرکت های بزرگ تاکسی هوایی جهان که عموماً خصوصی می‌باشند، به شرح زیر هستند:

Lilium GmbH, (Founded 2015). Joby Aviation (Founded 2009) Volocopter. (Founded 2012). Via. (Founded 2012) BAE SYSTEMS PLC. (Founded 1999) SpaceRyde. Ascendance Flight Technologies.Wisk.

 یکی از بزرگترین پهپادهای غیرنظامی فعلی جهان (Matice 600) است که طول بال هایش 13.5 متر، سقف پرواز 8200 پا، سرعت پرواز 64 کیلومتر در ساعت، برد مخابراتی 5 کیلومتر، قدرت بارگیری 6 کیلوگرم و مدت پرواز 16 دقیقه است. وزن بار عمدتاً مربوط به دوربین های بزرگ، نورافکن های قوی، دستگاه های مخابراتی و ویدیوئی سنگین است. قیمت آن قریب 4000 دلار می‌باشد.

شرکت بوئینگ نیز یک پهپاد عظیم باربری از نوع کنترل رادیویی را طراحی و ساخته که 4.5 متر طول و 5.4 متر عرض دارد و 230 کیلوگرم بار را با سرعتی معادل 112 کیلومتر در ساعت حمل می‌کند. شرکت بوئینگ با خریدن یک شرکت فعال در سیستم پروازهای خودران به نام (Auora Flight) فناوری آن را در یک پهپاد با توان حمل 318 کیلوگرم بار پیاده نموده است. بوئینگ در نظر دارد که این نوع پهپادها را برای رساندن کالا از انبارهای حومه به فروشگاه های شهری مورد استفاده قرار دهد. ضمن اینکه این پهپادهای بدون خلبان می‌ توانند تجهیزات فنی و کالاهای مورد نیاز سکوهای وسط دریا را هم منتقل کنند.     

اولین هلیکوپتر برقی آمریکا به نام FireFly که توسط شرکت سیکورسکی ساخته شده است، توانایی حمل فقط خلبان به مدت 15 دقیقه را دارد. این بالگرد در اصل یک مدل قدیمی اصلاح شده و بسیار موفق S-300C  با موتور احتراق داخلی است که توسط یک موتور برقی با بازدهی بالا جایگزین شده است. موتور برقی و سیستم کنترل مربوطه 82 کیلوگرم وزن دارند.

در این بالگرد 2 مجموعه باتری لیتیوم- یونی 300 سلولی، هر یک به وزن 265 کیلوگرم، با مشخصات Ah 45 و 370 ولت در 2 سوی خلبان کار گذاشته شده‌ اند. کل مجموعه توسط جریان باد، خنک می‌ گردد. حداکثر سرعت آن 150 کیلومتر بر ساعت است. ولی سیستم های انتقال، کنترل روتور و غیره تغییر نیافته‌ اند. اگر بالگرد حین پرواز قدرت خود را کاملاً از دست بدهد، با مکانیزم چرخش خودکار، عملیات فرود به طور ایمن انجام می‌ پذیرد. البته قبل از اتمام قدرت باتری ها، خلبان همواره انواع اخطارهای هشدار دهنده را دریافت می‌ کند.  

Volocopter یک تاکسی برقی هوایی است که در سال 2016 توسط یک شرکت استارت‌ آپی آلمانی طراحی و در کشورهای آلمان، فنلاند و سنگاپور آزمایش و ساخته شده است تا گردشگران را به یک تور هوایی 15 دقیقه‌ ای به قیمت 355 دلار ببرد. هنوز جواز نهایی برای پرواز جمعی صادر نشده و قرار است که در سال آینده تورهای گردشگری آن شروع شود.  

شرکت تسلا نیز در حال طراحی و ساخت یک بالگرد برقی سریع و با بازدهی بالاست که می‌ بایست فرایندهای سخت اخذ مجوزهای ایمنی پرواز را طی کند.

با این وجود ورود باتری و موتورهای برقی به حوزه‌ هواپیما با چالش های بزرگ روبروست. یکی دیگر از کاربری های موتورهای الکتریکی در گلایدرهاست. استفاده از آنها در 2 مقطع کوتاه مدت شروع پرواز (بدون لزوم استفاده از یک خودرو یا پرواز از ارتفاعات خطرناک) و پایان پرواز (برای افزایش دقت در محل فرود) است. در واقع با بهره برداری از موتورهای برقی، کاربری گلایدرها توسعه یافته است. اولین هواپیمای دارای مجوز پرواز در سال 2003، یک گلایدر 20 متری با موتور 428 کیلوواتی، باتری های لیتیوم – یونی و سقف پرواز 9800 پا بود. اولین هواپیمای دونفره با موتور برقی 40 کیلووات با سقف پرواز 6600 پا در سال 2011 تحقق یافت که پس از رسیدن به اوج به صورت خاموش (گلاید) فرود می‌ آمده است. این هواپیما به دلیل بدون لرزش و صدا بودن، برای آموزش خلبانی کاربری زیادی داشته است.  

در سال 2020 اولین هواپیمایی که به نوع برند آن گواهینامه پرواز داده شد «Vellis Electro» بوده است که دارای موتور 58 کیلوواتی، قدرت حمل 170 کیلوگرم، سرعت 170 کیلومتر بر ساعت و توان پرواز 50 دقیقه بوده که اینک برای آموزش خلبانی استفاده می‌ شود. در سال 2021 شرکت Diamond Aircraft اعلام کرد با تبدیل هواپیمای چهار نفره‌ موتور احتراق داخلی به موتورهای الکتریکی، توانسته ضمن پرواز 90 دقیقه‌ ای، هزینه‌ های عملیاتی را به میزان 40 درصد تنزل دهد. قرار است که در سال 2022 پروازهای آزمایشی آن شروع شده و در سال 2023 مجوز پرواز دریافت کند.

شرکت استارت آپی رایت الکتریک  (Wright Electric) به جای موتور جت هواپیمای 100 نفره (Bae146)، موتورهای برقی کار گذاشته تا به کمک باتریهایش بتواند یک پرواز یک ساعته به مسافت 736 کیلومتر را به انجام برساند. پیش بینی می‌شود که این نوع هواپیماها طی 6 سال آینده به صورت تجاری راه اندازی شوند. علاوه بر آن شرکت (EasyJet) با همکاری رایت الکتریک در حال ساخت یک هواپیمای 186 نفره است تا در سال 2023 پرواز آزمایشی و در سال 2030 پروازهای تجاری را شروع کند. این هواپیماها برای پروازهای یک ساعته (نظیر لندن – آمستردام) مناسب هستند. کم بودن صدا و آلاینده ها از مزایای این نوع هواپیماها برای جوامع ساکن در مبادی و مقاصد سفرهاست.

بسیاری از سازندگان بر روی هواپیماهای پرواز کوتاه (نظیر تاکسی‌های هوایی) کار می‌ کنند. به عنوان یک نمونه‌ کاربردی برای انواع تاکسی‌ های هوایی و پهپادهای تحویل دهی خودکار باری، شرکت (Urban Air Port) در حال ساخت اولین «هاب» جهان در کاونتری انگلیس برای فعالیت هواپیماهای عمودپرواز  (eVTOL) است. این نوع زیر ساخت خطوط هوایی، برای خدمات رسانی در حوزه‌ شهری طراحی می‌ شود. زیرا هواپیماهای عمودپرواز به فرودگاه های شهری نیاز دارند تا ارتباط بین شهرها را برقرار سازند و میزان بهره‌ وری حمل را بالا ببرند. در واقع Urban Air Port یک سایت مدولار نشست و برخاست هواپیماهای عمود پرواز است که همزمان با سوار و پیاده کردن مسافران، در آن عملیات شارژ باتری ها و نگهداری هم انجام می‌ شود. زیرساخت های مزبور به عنوان یک هاب مسافری و واسطی با دیگر حمل و نقل های پایدار عمل می‌ کند. این شرکت دارای یک اپلیکیشن با پلتفرم دیجیتال است که آن را قادر می‌ سازد تا حمل درب به درب را بدون هرگونه اشکال انجام دهد. پیش‌بینی می‌ شود که از این سایت در اوایل 2022 بهره‌ برداری گردد.   

شرکت هیوندایی موتورز با همکاری شورای شهر کاونتری و دولت بریتانیا در این طرح عظیم با شرکت (Urban Air Port) شراکت کرده است. شرکت (Urban Air Port) در تلاش است تا ظرف مدت پنج سال حدود 200 سایت فرودگاهی با انتشار آلایندگی صفر را در سراسر جهان برپا کند. کشور بریتانیا در نظر دارد در زمینه‌ فناوری حمل هوایی شهری پیشتاز جهان شود. ناسا پیش بینی کرده که در میان مدت، شرکت (Urban Air Port) فقط با سرمایه گذاری و رفع مشکلات زیرساخت های ایالات مختلف آمریکا، به ارزشی بالغ بر 500 میلیارد دلار نایل می‌شود. 

شرکت هیوندایی علاوه بر همکاری در این زمینه، خود در حال ساخت هواپیماهای عمود پرواز تا سال 2028 است تا بتواند آن را تجاری‌سازی کند.  

شرکت هارت اِروسپیس (Heart Aerospace) اولین خط هوایی تجاری دارای مجوز پرواز خود را در سال 2026 به راه خواهد انداخت. از نظر کارشناسان این شرکت در حال حاضر سفرهای هوایی عامل فقط 2 درصد از انتشار گازهای کربنیک جهان است. ولی اگر اقدام اصلاحی لازم صورت نپذیرد، در سال 2050 این سهم به 12 تا 27 درصد ارتقا خواهد یافت. 40 درصد از این آلودگی ها هم مربوط به پروازهای کوتاه است. برای این نوع خطوط هوایی، هواپیماهای برقی راه حل مناسبی است. 

از منظری دیگر فرودگاه های خطوط هوایی نباید از جوامع شهری بسیار دور باشند. هواپیماهای برقی می‌توانند در فرودگاه هایی با باند 75 متری نیز عملیات نشست و برخاست را انجام دهند. بنابراین ایجاد شبکه‌ ای از فرودگاه های کوچک اطراف شهرها به نیاز دسترسی سریع، ارزان و آسان پاسخ می‌ دهد. از طرف دیگر برقی کردن خطوط هوایی، معادله را به نفع مسافرت های منطقه‌ ای تغییر می‌دهد. هواپیماهای برقی به لحاظ بهای خرید، انجام عملیات پرواز و نگهداری هواپیما ساده تر و ارزان تر است. موتورهای برقی ساده و قابل اعتماد هستند و هزینه‌ های نگهداری را نسبت به هواپیماهای ملخ دار موتور احتراق داخلی تا 90 درصد کاهش می‌دهند. در این باره می توان به مانیتورینگ هوشمند اشاره کرد که نیازهای بازدید را تنزل می‌ بخشد. ضمن اینکه بهره گیری از هواپیماهای برقی، مبلغ هزینه‌ های سوخت را بین 50 تا 75 درصد می‌ کاهد. در کل راه اندازی خطوط هوایی برقی بُرد کوتاه، به سبب قدرت رقابتی آن، زنگ خطری برای حمل و نقل های ریلی و جاده‌ایست. 

  در سال 2021 شرکت رولزرویس غول صنعت ساخت انواع توربین های هواپیما، ادعا کرده که هواپیمای تمام برقی خود را در یک آزمایش به سرعت 623 کیلومتر در ساعت به پرواز در آورده و ظرف 202 ثانیه به ارتفاع 3000 متری رسانده است. داده‌ های این رکوردشکنی به فدراسیون هواپیماهای اسپورتی جهان (FAI) ارائه شده تا درستی دعوی مزبور مورد راستی آزمایی علمی قرار گیرد. در این برنامه، باتری های 6480 سلولی و فناوری پیش‌ران 400 کیلوواتی با انرژی زیاد خود، 7500 آتمسفر ایجاد کردند و سرعت ملخ هواپیما را به 2200 دور در دقیقه رساندند. البته سیستم های این هواپیما برای سرعت گرفتن تنظیم شده بودند. باتری ها در پروازی 7 تا 8 دقیقه‌ای دشارژ گردیدند و فقط انرژی لازم برای فرود باقی مانده بود. اما در پروازهای آتی، در نظر است که به دوام باتریها و افزایش برد هواپیما توجه بیشتری مبذول گردد.     

بر اساس نظر کارشناسان شرکت رولزرویس، در خودروهای برقی، وزن باتری و بسته بندی آن تقریباً برابرند و در هواپیماهای برقی برای باتری های 450 کیلوگرمی، وزن سلول های آن بالغ بر300 کیلوگرم می‌شود. اما در هواپیمای رولزرویس، 90 درصد قدرت باتری ها به موتور منتقل شد و فقط 10 درصد صرف گرما و صدا گردید. حرارت زیاد باتری ها و سرمایش آنها در هواپیماهای برقی یک معضل فنی است. در این هواپیما، باتری ها در جعبه‌ های ضد آتش قرار داده شده‌ اند. این جعبه‌ها برای جلوگیری از تبادل حرارت با چوب پنبه‌ پرتغالی پوشیده شده‌ اند. تعداد زیادی حسگر حدود 20 هزار داده‌ی نقطه‌ ای در ثانیه را ارائه داده و پایش مرتب میزان شارژ، دما و ولتاژ باتری ها را برقرار کرده‌ اند.

رولز رویس در نظر دارد از این پرواز آزمایشی، اطلاعات مربوط به سیستم پیش‌ران برقی عمود پرواز (eVTOL) برای تاکسی های هوایی و ساخت هواپیماهای بزرگتر برقی رفت و برگشتی (commuter) بهره گیری کند. یکی از مشکلات اصلی باتری ها، فرسایش آنها پس از 500 تا 1500 بار شارژ شدن است. به لحاظ ملاحظات ایمنی باید قبل از رسیدن به مرحله‌ فرسودگی، از چرخه‌ کار در هواپیما خارج شوند. این موضوع برای هواپیماهای عمود پرواز که حداکثر قدرت را در اوج گیری و فرود مصرف می‌کنند، یک معضل اساسی است. زیرا این عملیات چرخه‌ شارژ و دشارژ و به تبع آن عمر مفید باتری ها را به مراتب کوتاه می‌ کند.       

میزان تحولات فناورانه‌ برقی در صنعت هوانوردی به ویژه در حوزه‌ نظامی حیرت آور است. پهپادهای بدون خلبان (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) در آینده در قالب انبوه ربات های پرنده و ربات های خفاش برای مقاصد نظامی عرضه می‌ شوند. علاوه بر آن پیش بینی می‌ شود پهپادهای بزرگ بدون خلبان به زودی جایگزین مناسبی برای امور مخابراتی و مکان یابی ماهواره‌ ای در حوزه‌ نظامی شود.   

به جز 2 بازیگر استثنایی اسرائیل و ترکیه، سه کشور اصلی رقابت کننده در تولید پهپادهای نظامی بدون خلبان، چین، روسیه و آمریکا هستند تا در رقابتی تنگاتنگ برتری خود را در این حوزه‌ راهبردی بر دیگران تحمیل کنند. این پهپادها در سه زمینه‌ سلاح های تهاجمی، شناسایی هوشمند و ماشین های انتحاری ساخته می‌شوند. هزینه‌ های این پهپادهای پیشرفته نسبتاً سنگین است به گونه‌ ای که مثلاً  هر ساعت پرواز (GlobalHawk) آمریکایی 18.5 هزار دلار هزینه در بر دارد. مهمترین پهپاد شکاری- کُشنده‌ ارتش آمریکا، ساخت جنرال اتمیکز (General Atomics) است. این پهپاد توسط نیروهای هوایی و دریایی و سازمان های ناسا و سیا برای مقاصد جداگانه مورد بهره برداری قرار می‌ گیرد. پهپاد شکاری دارای  8.2 متر طول و 14.9 متر طول بال است. سقف پرواز 25 هزار پا و برد آن 40 ساعت پرواز یا 741 کیلومتر مسافت است.

پهپاد غول آسای نظامی کشور چین به نام (Devine Eagle) دارای بال هایی به طول 50 متر، سرعت باورنکردنی 0.8 ماخ و سقف پرواز 79000 پا است. این پهپاد برای "«ردگیری» هواپیماهای جنگنده و بمب افکن های رادارگریز طراحی شده است. سقف پرواز بهترین پهپاد بدون خلبان آمریکایی 57000 پا است، ولی برای «شناسایی و حمله» به نقاط حساس نظامی طراحی گردیده است. 

سیستم خودکار LARS (launch and recovery system) همراه با نسل جدید نرم افزار فرمان و کنترل، برای جنگ های مین گذاری دریایی و خنثی سازی آنها آماده شده‌ است. این سیستم به راحتی قابل حمل و نصب در همه‌ دنیاست و عملیات مین یابی را از ساحل یا ناو فرماندهی انجام می‌ دهد. گروه عملیاتی در منطقه‌ ای امن، کنترل موقعیت را با کمک ارتباطات رادیویی از راه دور در اختیار می‌گیرند و اطلاعات دریافتی و داده‌های جمع آوری شده را به وسیله‌ شناورهای سطحی بدون سرنشین USV(unmanned surface vehicle) ، شناورهای زیر سطحی خودکار  AUV(autonomous underwater vehicle) و شناورهای زیرسطحی کنترل از راه دور   ROV(remotely operated underwater vehicle) به دست می‌آورند. این پهپادها بسته به نوع منطقه‌ نبرد، قابلیت دوگانه‌ کنترل از راه دور یا خودکار را دارند. 

اما برخی کارشناسان حوزه‌ هوانوردی از معایب هواپیماهای برقی نیز سخن می گویند تا تحلیلی درست انجام پذیرد. بنا بر نظر آنان، هواپیماهای برقی تا دهه‌ های متمادی توان ورود به حوزه‌  مسافرهای انبوه و طولانی را نخواهند داشت. زیرا باتری ها نمی توانند هواپیماهای پهن پیکر را هزاران کیلومتر به پیش برانند. در سال 2017 شرکت های بوئینگ و جت بلو شرکتی مشترک را تأسیس کردند تا در سال 2022 مسافرت های کوتاه را با هواپیمای برقی 12 نفره به انجام برسانند. 2 سال بعد شرکت بوئینگ از ادامه‌ سرمایه گذاری انصراف داد. اولین هواپیمای برقی که گواهینامه‌ پرواز را از اتحادیه‌ اروپا دریافت کرده، تنها قادر به پرواز یک ساعته‌ دونفره است.

با این وجود هواپیماهای برقی توان تسخیر حوزه‌ منطقه‌ ای و حمل تجاری میلیون ها مردم محلی ساکن در شهرهای کوچک را دارند. ولی این گونه فعالیت ها فقط بخش کوچکی از صنعت بزرگ هوانوردی را به خود اختصاص می‌ دهد. ترافیک هوایی از 28 میلیارد نفر- کیلومتر در سال 1950 به 2.8 تریلیون نفر- کیلومتر در سال 2000 (قریب 100 برابر) و 9 تریلیون نفر- کیلومتر در قبل از همه گیری کرونا رسیده است. به واسطه‌ طراحی و ساخت هواپیماهای پهن پیکر نوین با ظرفیت 300 تا 500 مسافر، حمل تریلیون ها سفر- کیلومتر بین قاره‌ ای به سرعت قابل افزوده شدن است. خاطر نشان می‌ سازد که فواصل اروپا- آمریکای شمالی 6000 کیلومتر، اروپا- شرق آسیا 8000 کیلومتر و آمریکای شمالی- شرق آسیا 11000 کیلومتر است. ارقام مزبور با پروازهای محلی بین شهرهای کوچک قابل مقایسه نیست.

سوخت نفت در موتورهای بزرگ توربوفن هواپیماهای پهن پیکر، قدرتی برابر با 12000وات ساعت به ازای هر کیلوگرم ایجاد می‌ کند. در حالی که باتری لیتیوم- یونی فعلی به طور میانگین 300 وات ساعت به ازای هر کیلوگرم یا یک چهلم چگالی انرژی نفت را تولید می‌کند. حتی با احتساب بازدهی بیشتر موتورهای برقی، چگالی انرژی به یک بیستم می‌رسد. گذر از این شکاف بزرگ تا یک یا 2 دهه‌ آینده قابل تحقق نیست. از طرف دیگر حین 30 سال گذشته، میانگین چگالی انرژی باتری ها تقریبا 3 برابر شده است. اگر صنعت مزبور با همین سرعت پیش برود، در سال 2050 چگالی انرژی باتری ها به 100 وات ساعت به ازای هر کیلوگرم می‌ رسد. این مقدار انرژی به هیچ وجه پاسخگوی نیاز پرواز بدون توقف هواپیماهای پهن پیکر دور برد (مثلاً بوئینگ 777 از نیویورک به توکیو) نخواهد بود. ضمن اینکه بر اثر مصرف سوخت تا رسیدن به مقصد، مرتباً از وزن هواپیماها کاسته می‌شود. ولی در مورد هواپیماهای برقی این موضوع صدق نمی کند.   

 از طرف دیگر صنعت هواپیمایی به سرمایه گذاری های هنگفت نیاز دارد. طبق برآوردهای قبل از همه‌ گیری کرونا، در فاصله‌ 2 دهه (2018-2038) حجم بازار خرید هواپیماهای جدید به اضافه‌ تعمیر و نگهداری و خدمات آموزشی قریب 16 تریلیون دلار می‌ باشد. صَرف این منابع عظیم، مستلزم افق برنامه‌ ریزی بلند مدت برای طراحی و سفارش خرید هواپیماست. بدین معنی که تصمیم گیری برای چند دهه‌ آینده از قبل گرفته شده است. ضمن اینکه عمر هواپیماهای متوسط (با یک ردیف صندلی) تا پهن پیکر نزدیک 20 سال است و با این فرضیات همچنان خطوط هوایی تجاری بر توربوفن های سوخت نفتی متکی خواهند بود.  

اما کارشناسان دیگر معتقدند که اولاً ورود هواپیماهای عمودپرواز مسافری و پهپادهای حمل بار به فضاهای شهری، در واقع تسخیر بازار کاملاً جدیدی است که قبلاً در انحصار کامل حمل و نقل های جاده‌ ای و ریلی بوده است. پروازهای یک ساعته و متعاقباً 2 (و حتی سه) ساعته، در آینده‌ ای نه چندان دور سهم بازار بزرگی از هوانوردی خواهند داشت. ضمن اینکه برای سیستم های هوایی دارای 2 پیش‌ران پیل سوختی و باتری، آینده ای چند تریلیون دلاری پیش بینی می شود.

(این نوشتار ادامه دارد)

* مشاور انجمن صنفی شرکت‌های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته