صُممت المراوح لامتصاص السوائل (عادةً الهواء أو الماء) واستخدام حركة دورانية لدفعها. بمعنى ما، تُعدّ هذه المراوح تطورًا لمروحة أرخميدس، التي يُرجّح أنها استُخدمت في مصر القديمة لآلاف السنين قبل أن يصفها أرخميدس عام ٢٣٤ قبل الميلاد.

المراوح الحلقية: تصميم أكثر هدوءًا وكفاءة يمكنه تقليل استهلاك الوقود بنسبة تصل إلى 20% عند تركيبها على محركات بحرية

مع ذلك، لم تُطرأ تغييرات جذرية على تصميم المعدات المصممة للدوران لفترة طويلة. لا تزال الطائرات التي تعمل بالمراوح تستخدم مراوح ذات شفرات جناح ملتوية، تُشبه في تصميمها حشرات اليعسوب المصنوعة من الخيزران التي كان الأطفال الصينيون يفضلونها قبل 2400 عام، مع زيادة طفيفة في الكفاءة مقارنةً بالمراوح الخشبية التي طورها الأخوان رايت في نفق هوائي عام 1903. أما أنواع السفن التي لا تزال تستخدم مراوح لولبية، فتعود إلى القرن الثامن عشر.

ونتيجة لذلك، وجدنا مجموعات تدعي أنها أظهرت مزايا كبيرة في الهواء والماء باستخدام مراوح ذات أشكال مختلفة إلى حد كبير - على وجه التحديد، حلقات ملتوية غريبة تبدو أنها ليست أكثر هدوءًا من التصاميم التقليدية فحسب، بل وأكثر كفاءة أيضًا، وخاصة في المحيط.

مروحة حلقية فائقة الصمت مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مثبتة على طائرة بدون طيار تجارية للاختبار

عامل محتمل لتغيير اللعبة في الهواء

من المشكلات الرئيسية التي تُعاني منها مراوح الطائرات متعددة الدوارات ضجيجها المزعج، والذي يُوصف غالبًا بأنه "أنين" لأن معظمه يقع في نفس نطاق تردد بكاء الطفل. يميل البشر إلى أن يكونوا أكثر حساسية للأصوات التي تتراوح بين 100 هرتز و5 كيلوهرتز تقريبًا. هنا نسمع حروف العلة الأساسية للتواصل اللفظي. لكن الضوضاء ستُشكل مشكلة رئيسية إذا ما أُريد للطائرات متعددة الدوارات أن تحقق إمكاناتها الكاملة وتملأ سمائنا بخدمات توصيل هواء نقي وسريع واقتصادي.

قال الدكتور توماس سيباستيان، أحد كبار أعضاء فريق هندسة الموائع الهيكلية والحرارية في مختبر لينكولن: "كما نعلم، تُصدر المراوح صوتًا عاليًا جدًا. يمكننا النظر إلى الجناح لنرى كيف يعمل. في أوائل القرن العشرين وخلال الحرب العالمية الثانية، عندما كانت أفكار الطائرات تطرح، كانت هناك العديد من التصاميم التي تعتمد بشكل أساسي على هذه الأجنحة الدائرية. لذلك تساءلتُ كيف سيبدو شكلها إذا أخذنا جناحًا دائريًا وحولنا شيئًا مشابهًا إلى مروحة."

تابع سيباستيان: "توصلنا إلى الفكرة الأولية لاستخدام شكل جناح حلقي الشكل، أملاً في ابتكار مروحة أكثر هدوءًا. ثم استخدمنا هذا المفهوم وصممنا سلسلة من النماذج باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد."

يتم تحقيق الحد الأقصى من تقليل الضوضاء حيثما يكون ذلك ضروريًا: في نطاق التردد 1-5 كيلو هرتز

وفي محاولات عديدة، تمكن الفريق من التوصل إلى تصميم لا يعمل فقط على تقليل مستوى الضوضاء الإجمالي لمستوى دفع معين، بل يعمل أيضًا على تقليل الضوضاء في نطاق 1-5 كيلو هرتز.

في الواقع، بدت أصواتها أقرب إلى نسيم عليل منها إلى مروحة، إذ كانت تصدر صوتًا أقل إزعاجًا. ووفقًا للفريق، فإن طائرة بدون طيار تعمل بهذه المراوح تُصدر ضوضاء تُضاهي تقريبًا صوت طائرة بدون طيار عادية على مسافة ضعف المسافة.

قال سيباستيان: "نعتقد أن مفتاح هدوء المروحة يكمن في توزيع الدوامة التي تولّدها على كامل شكلها، وليس فقط عند طرفها". وأضاف: "هذا يجعلها تتبدد أسرع بكثير في الغلاف الجوي. ولأن الدوامة لا تقطع مسافة كبيرة، فمن غير المرجح سماعها".

يمكن معالجة ضوضاء المروحة بوضع حلقات معالجة صوتية حول مسارها، والتي تعمل أيضًا كحماية لها من منظور السلامة. إلا أن هذه الحلقات تُسبب كتلة طفيلية وتُقلل من عمر البطارية، كما أنها قد تتأثر بالرياح في الأماكن الخارجية، مما يُجبر الطائرة المسيرة على بذل جهد أكبر للحفاظ على استقرارها.

قام الفريق بتحليل هذه الدعامات الحلقية غريبة الشكل لمعرفة ما إذا كانت ستُقلل من كفاءة الدفع. على ما يبدو، لم يكن تصميم B160 الأفضل أداءً الذي صممه الفريق أكثر هدوءًا عند مستوى دفع مُحدد من أفضل مروحة قياسية اختبروها فحسب، بل أنتج أيضًا قوة دفع أكبر عند مستوى طاقة مُحدد - وهو أمرٌ مُلفت، نظرًا لأن عمر المراوح القياسية يزيد عن قرن من الزمان، وأن تطويرها، بالإضافة إلى هذه الملفات الحلقية، لا يزال في مراحله الأولى، ولا يزال بحاجة إلى الكثير من التحسين.

ورغم أن فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لم يقض الكثير من الوقت في تحسين كفاءة هذه المراوح ذات الشكل الغريب، إلا أنها ولدت قوة دفع أكبر من المراوح القياسية لمستوى طاقة معين.

والأمر الأكثر أهمية هو أن الشكل الحلقي لا يزيد من الاستقرار الهيكلي فحسب، بل يقلل أيضًا من احتمالية القطع أو الضغط أو التشويش بواسطة الدعامة.

من ناحية أخرى، نظرًا لتعقيد أشكالها، يصعب تصنيعها مقارنةً بالمراوح التقليدية التي تستخدم تقنية حقن بسيطة ورخيصة. قد يتطلب تصنيعها الطباعة ثلاثية الأبعاد. ولكن حتى لو كانت تكلفتها أعلى بمرتين أو ثلاث مرات من المراوح العادية، فإنها تُعدّ مكونًا منخفض التكلفة للطائرات المسيرة.

ليس من الواضح ما إذا كان هذا التصميم مناسبًا على نطاق أوسع، ليحل محل المراوح التقليدية في الطائرات ذات الأجنحة الثابتة أو الكبائن الهوائية الكهربائية. تبدو الأخيرة بالفعل أكثر هدوءًا من المروحيات، ولكن إذا انتهى بها الأمر إلى إغراق المجال الجوي الحضري بمركبات جوية سريعة واقتصادية وصديقة للبيئة، فإن كل ديسيبل إضافي من الضوضاء سيكون ذا أهمية خاصة فيما يتعلق بمعارضة الجمهور والتنظيم. في الواقع، يكمن السؤال هنا في الترددات التي ستشغلها هذه المراوح الأكبر حجمًا في الطيف الصوتي، وما إذا كانت مراوح الحلقات تُحرك الصوت في اتجاه يُسهّل على البشر.

وقد قدم الفريق براءة اختراع للتصميم، وفي حين أنه من غير الواضح ما إذا كانت هناك خطط لتسويقه تجاريا، يبدو أن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مستعد لترخيصه للمصنعين المهتمين.

مروحة حلقية من شركة Sharrow لمجموعة من المحركات الخارجية: باهظة الثمن، ولكن بفوائد غير عادية

مزايا أكبر في الماء

إن الطائرات بدون طيار والطيران شيء واحد، ولكن الديناميكا الهوائية والديناميكا المائية ترتبطان ارتباطًا وثيقًا، وقد تبين أن هناك بالفعل منتجًا قريبًا من الإنتاج في المجال البحري يتخذ نهجًا مشابهًا للغاية.

حققت شركة شارو مارين نتائج مبهرة في مروحة قارب تستخدم حلقات بدلاً من الشفرات القياسية. بعد سنوات من التطوير، اختبرت الشركة مراوحها مع مئات المراوح القياسية، والاختلافات مذهلة. لا تُصدر مراوح شارو دوامات طرفية على الإطلاق، وهو ما يُمثل مصدرًا رئيسيًا لفقدان الطاقة ويُشكل جزءًا كبيرًا من الضوضاء الإجمالية للمحركات الخارجية.

في التيارات متوسطة السرعة، تكون مكاسب الكفاءة سخيفة، حيث تملأ فجوة واضحة في منحنى تسارع القارب وتوفر قدرًا كبيرًا من الطاقة

تُقلل المراوح الحلقية بشكل كبير كمية السوائل التي "تنزلق" من جوانب المروحة بدلًا من دفعها للداخل، مما يسحب المزيد من الماء ويدفع القارب للأمام. غالبًا ما تُضاعف هذه المراوح سرعة القارب عند السرعات المنخفضة والمتوسطة، مما يُوسّع نطاق السرعة الفعالة للمحرك بشكل كبير. في الوقت نفسه، تُقلل استهلاك الوقود بنحو 20% - وهي نسبة كبيرة جدًا بالنظر إلى الطلب الهائل على الطاقة للقوارب ذات المراوح وحجم الصناعة.

يقول شارو إنها تقلل بشكل كبير من ميل القارب للخلف أثناء التسارع؛ بل يرتفع القارب بأكمله فوق الماء مع الحفاظ على مستوى أداء أعلى. والأهم من ذلك، أن تأثيرها على التحكم في الضوضاء واسع النطاق أيضًا.

في الواقع، تقول الشركة إن هذه المروحة، التي يمكن تركيبها على أي محرك خارجي تقريبًا ثم دفعها بهدوء بسرعة 30 ميلاً في الساعة (48 كم/ساعة)، تسمح للأشخاص بالتحدث على متن القارب دون رفع مستوى الصوت.

تبيع شركة "شارو" بالفعل مراوحها الحلقية، المُصنّعة باستخدام الحاسب الآلي (CNC) لتتناسب مع مجموعة متنوعة من محركات القوارب الخارجية الشائعة من معظم الشركات المصنعة الكبرى. يكمن عيب هذا المنتج في سعره، إذ يبلغ سعر أيٍّ من الطرازين 4999 دولارًا أمريكيًا، بينما قد يصل سعر المروحة العادية إلى ما يقارب 500 دولار أمريكي. ولكن، مرة أخرى، يُعد هذا جزءًا صغيرًا من التكلفة الإجمالية للعديد من القوارب، ونظرًا لاستهلاكها الكبير للوقود، فقد تُغطي هذه التكلفة تكاليفها على المدى القصير، مع جعل الرحلة أكثر راحةً للركاب.