رفع الجسم

الجسم الرافِع هو تصميم طائرة أو مركبة فضائية ثابتة الجناحين، حيث يُولّد الجسم نفسه قوة الرفع . وعلى عكس الجناح الطائر ، وهو جناح ذو هيكل تقليدي صغير أو معدوم ، يُمكن اعتبار الجسم الرافِع هيكلاً ذا جناح تقليدي صغير أو معدوم . وبينما يسعى الجناح الطائر إلى تحقيق أقصى كفاءة طيران عند السرعات دون الصوتية عن طريق إزالة الأسطح غير الرافِعة، فإن الأجسام الرافِعة تُقلل عمومًا من مقاومة الهواء وهيكل الجناح للطيران دون الصوتي، وفوق الصوتي، وفوق الصوتي الفائق ، أو عند عودة المركبة الفضائية إلى الغلاف الجوي . وتُشكّل جميع هذه الأنظمة الجوية تحدياتٍ لسلامة الطيران.

شكّلت الأجسام الرافعة مجالًا بحثيًا رئيسيًا في ستينيات وسبعينيات القرن الماضي كوسيلة لبناء مركبة فضائية مأهولة صغيرة وخفيفة الوزن. وقد قامت الولايات المتحدة ببناء عدد من الطائرات الصاروخية ذات الأجسام الرافعة لاختبار هذا المفهوم، بالإضافة إلى العديد من مركبات العودة الصاروخية التي تم اختبارها فوق المحيط الهادئ. تضاءل الاهتمام بهذا المجال مع فقدان القوات الجوية الأمريكية اهتمامها بالمهمة المأهولة، وتوقف التطوير الرئيسي خلال عملية تصميم مكوك الفضاء عندما اتضح أن هياكل الطائرات ذات الشكل المعقد تجعل من الصعب تركيب خزانات الوقود.

استخدمت مفاهيم المركبات الفضائية المتقدمة في تسعينيات القرن الماضي والعقد الأول من الألفية الجديدة تصاميم الأجسام الرافعة. ومن الأمثلة على ذلك نظام إطلاق الأفراد HL-20 (1990) ومركبة بروميثيوس الفضائية (2010). وقد اقتُرحت مركبة دريم تشيسر الفضائية ذات الجسم الرافعة، وهي امتداد لتقنية HL-20، كإحدى ثلاث مركبات لنقل رواد الفضاء الأمريكيين من وإلى محطة الفضاء الدولية ، ولكن تم اختيارها في نهاية المطاف كمركبة لإعادة التموين. وفي عام 2015، نفّذت المركبة التجريبية المتوسطة التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية أول عملية دخول ناجحة لمركبة فضائية ذات جسم رافع. ^{[ 1 ]}

تم تصور الجسم الرافِع بحلول عام 1917، حيث وصف روي سكروغز في براءة اختراع طائرة ذات شكل يشبه الجناح المثلثي مع جسم سميك مدمج . ^{[ 2 ]} ومع ذلك، فإن الجسم الرافِع غير فعال عند السرعات الجوية المنخفضة ولم يدخل في تصميم الطائرات السائد.

نشأت أبحاث الأجسام الرافعة في مجال الطيران والفضاء من فكرة دخول المركبات الفضائية الغلاف الجوي للأرض وهبوطها كما تهبط الطائرات العادية . بعد دخول الغلاف الجوي، لم تكن المركبات الفضائية الكبسولية من سلسلة ميركوري وجيميني وأبولو تتمتع بقدرة كبيرة على التحكم في مكان هبوطها. يمكن لمركبة فضائية قابلة للتوجيه مزودة بأجنحة أن توسع نطاق هبوطها بشكل ملحوظ. مع ذلك، كان لا بد من تصميم أجنحة المركبة لتحمل الإجهادات الديناميكية والحرارية الناتجة عن كل من دخول الغلاف الجوي والطيران بسرعة تفوق سرعة الصوت. اقترح أحد الحلول الاستغناء عن الأجنحة تمامًا: تصميم جسم المركبة لتوليد قوة الرفع ذاتيًا.

بدأت ناسا تطوير مفهوم الجسم الرافِع عام ١٩٦٢ على يد آر. ديل ريد من مركز أرمسترونغ لأبحاث الطيران التابع لناسا . [ ^{٣ ] كان} أول نموذج بالحجم الطبيعي يخرج من برنامج ريد هو ناسا M2-F1 ، وهي مركبة خشبية غير مزودة بمحرك. أُجريت الاختبارات الأولية بسحب M2-F1 على طول قاع بحيرة جافة في قاعدة إدواردز الجوية بكاليفورنيا، خلف سيارة بونتياك كاتالينا معدلة . ^{[ ٤ ]} لاحقًا، سُحبت المركبة خلف طائرة C-47 ثم أُطلقت. ولأن M2-F1 كانت طائرة شراعية ، أُضيف إليها محرك صاروخي صغير لتوسيع نطاق الهبوط. وسرعان ما لُقّبت M2-F1 بـ"حوض الاستحمام الطائر".

في عام 1963، بدأت وكالة ناسا برامجها لتطوير مركبات أثقل وزنًا تعمل بالصواريخ، تُطلق جوًا من أسفل الجناح الأيمن لطائرة NB-52B، وهي نسخة مشتقة من قاذفة القنابل النفاثة B-52 . بدأت الرحلات الأولى في عام 1966. من بين مركبات درايدن، استخدمت جميعها، باستثناء مركبة ناسا M2-F1 غير المزودة بمحرك، محرك صاروخي XLR11، وهو نفس المحرك المستخدم في طائرة بيل X-1 . ^{[ 5 ]} طُوّر تصميم لاحق، أُطلق عليه اسم نورثروب HL-10، في مركز لانغلي للأبحاث التابع لناسا . تسبب انفصال تدفق الهواء في تحطم مركبة نورثروب M2-F2 . حاولت مركبة HL-10 حل جزء من هذه المشكلة عن طريق توجيه المثبتات الرأسية الجانبية (الأيمن والأيسر ) نحو الخارج، وتكبير المثبت المركزي.

ابتداءً من عام 1965، تم تطوير طائرة ميكويان-غوريفيتش ميغ-105 الروسية ذات الجسم الرافعة، أو ما يُعرف اختصاراً بـ EPOS (اختصار روسي لـ Experimental Passenger Orbiter Aircraft)، وأُجريت عليها عدة رحلات تجريبية. توقف العمل عليها عام 1978 عندما تحولت الجهود إلى برنامج بوران ، بينما استمر العمل جزئياً على مركبة فضائية صغيرة أخرى ضمن برنامج بور .

المركبة IXV هي مركبة تجريبية لإعادة الدخول إلى الغلاف الجوي تابعة لوكالة الفضاء الأوروبية، مصممة للتحقق من صحة الصواريخ الأوروبية القابلة لإعادة الاستخدام والتي يمكن تقييمها في إطار برنامج FLPP . أجرت المركبة IXV رحلتها الأولى في فبراير 2015، حيث أُطلقت بواسطة صاروخ فيغا . ^{[ 6 ]}

اقترحت شركة أوربيتال ساينسز طائرة فضائية تجارية ذات جسم رافع في عام 2010. [7] تم وصف بروميثيوس ^{بشكل أكثر تفصيلاً} أدناه .

تُشكّل الأجسام الرافعة تحديات معقدة في التحكم، والهيكل، والتكوين الداخلي. وفي نهاية المطاف، تمّ رفض هذه الأجسام لصالح تصميم الجناح المثلثي لمكوك الفضاء. وقد استُخدمت البيانات المُستقاة من اختبارات الطيران باستخدام عمليات هبوط عالية السرعة بزوايا هبوط حادة للغاية ومعدلات هبوط عالية لنمذجة مسارات طيران وهبوط المكوك.

عند التخطيط لإعادة دخول الغلاف الجوي، يتم اختيار موقع الهبوط مسبقًا. بالنسبة للمركبات القابلة لإعادة الاستخدام، يُفضل عادةً موقع أساسي قريب من موقع الإطلاق لتقليل التكاليف وتحسين وقت تجهيز المركبة. مع ذلك، يُعدّ الطقس بالقرب من موقع الهبوط عاملًا رئيسيًا في سلامة الرحلة. في بعض المواسم، قد يتغير الطقس في مواقع الهبوط بسرعة مقارنةً بالوقت اللازم لبدء عملية إعادة الدخول والهبوط الآمن. نتيجةً للطقس، قد تضطر المركبة للهبوط في موقع بديل. علاوةً على ذلك، لا تمتلك معظم المطارات مدارج طويلة بما يكفي لدعم سرعة الهبوط ومسافة الدوران المطلوبة للمركبات الفضائية. يوجد عدد قليل من المطارات في العالم التي يمكنها تلبية هذا النوع من المتطلبات أو تعديلها لتلبيته. لذلك، تتباعد مواقع الهبوط البديلة على نطاق واسع في الولايات المتحدة وحول العالم. وقد تأثر تصميم الجناح المثلثي للمكوك الفضائي بهذه المشكلات. وتفاقمت هذه المتطلبات بسبب متطلبات أخرى وسّعت نطاق هبوط المكوك.

مع ذلك، تم تطبيق مفهوم الجسم الرافِع في عدد من برامج الفضاء الأخرى، مثل برنامج ناسا X-38 المذكور سابقًا ، وبرنامج لوكهيد مارتن X-33 ، وجهاز النقل والاستعادة الفضائي متعدد الوحدات التابع لشركة BAC ، وبرنامج EADS Phoenix الأوروبي ، ومركبة كليبر الفضائية المشتركة بين روسيا وأوروبا . ومن بين الأشكال التصميمية الأساسية الثلاثة التي تُحلل عادةً لمثل هذه البرامج (الكبسولة، والجسم الرافِع، والطائرة)، قد يُوفر الجسم الرافِع أفضل توازن بين القدرة على المناورة والديناميكا الحرارية، مع تلبية متطلبات مهمة العميل.

دريم تشيسر هي مركبة فضائية شبه مدارية ومدارية ^{[ 8 ]} ذات إقلاع عمودي وهبوط أفقي، وهي قيد التطوير من قبل شركة سييرا نيفادا (SNC). من المخطط أن تحمل دريم تشيسر في نهاية المطاف ما يصل إلى سبعة أشخاص من وإلى مدار أرضي منخفض ، ومن المقرر حاليًا استخدامها لنقل البضائع إلى محطة الفضاء الدولية ضمن برنامج خدمات التموين التجاري . ستُطلق المركبة عموديًا على متن صاروخ فولكان سنتور وتهبط أفقيًا على مدارات تقليدية. ^{[ 9 ]}

تستخدم بعض الطائرات ذات الأجنحة هياكل تولد قوة الرفع. بعض تصاميم الطائرات أحادية السطح ذات الجناح العالي من أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، التي أنتجتها شركة بيلانكا للطائرات ، مثل طائرة بيلانكا إيركروزر ، كانت تتميز بهياكل ذات شكل انسيابي تقريبًا قادرة على توليد بعض قوة الرفع، حتى أن دعامات الأجنحة في بعض الإصدارات زُوّدت بأغطية عريضة لزيادة قدرتها على توليد قوة الرفع. وبالمثل، أظهرت دراسات ديناميكية هوائية حديثة أن طائرة السباق جي بي آر-1 سوبر سبورتستر من ثلاثينيات القرن العشرين كانت تتمتع بقدرة كبيرة على توليد قوة الرفع من خلال تصميم هيكلها، وهو أمر بالغ الأهمية لدور آر-1 المقصود في السباقات، خاصةً عند الانعطافات الحادة حول الأبراج أثناء السباق. ^{[ 10 ]} وقد طوّر فينسنت بورنيلي العديد من الطائرات بين عشرينيات وخمسينيات القرن العشرين التي استخدمت قوة الرفع من هيكلها. مثل طائرات بيلانكا أحادية السطح السابقة، تنتج طائرة شورت إس سي 7 سكاي فان كمية كبيرة من الرفع من شكل جسمها، تقارب تقريبًا نسبة الـ 35% التي ينتجها كل جناح.

تُنتج طائرات مقاتلة مثل إف-15 إيجل قوة رفع كبيرة من جسمها العريض بين الجناحين. وبفضل كفاءة جسمها العريض في توليد قوة الرفع، تستطيع طائرة إف-15 الهبوط بنجاح بجناح واحد فقط، وإن كان ذلك بكامل طاقتها تقريبًا، حيث يُساهم الدفع بشكل كبير في قوة الرفع. في صيف عام 1983، أجرت طائرة إف-15 إسرائيلية مناورة جوية وهمية مع طائرات سكاي هوك لأغراض التدريب، بالقرب من وادي تسين في صحراء النقب. خلال المناورة، أخطأت إحدى طائرات سكاي هوك في حساباتها واصطدمت بقوة بجذر جناح طائرة إف-15 . كان قائد طائرة إف-15 على دراية بأن الجناح قد تضرر بشدة، لكنه قرر محاولة الهبوط في قاعدة جوية قريبة، دون أن يعلم مدى الضرر الذي لحق بجناحه. لم يدرك الطيار ما حدث إلا بعد هبوطه، حين خرج من قمرة القيادة ونظر إلى الخلف: فقد تمزق الجناح تمامًا، وهبط بالطائرة بجناح واحد فقط. بعد بضعة أشهر، زُوّدت طائرة إف-15 المتضررة بجناح جديد، وعادت إلى الخدمة العملياتية في السرب. لم يصدق مهندسو شركة ماكدونيل دوغلاس قصة الهبوط بجناح واحد، إذ كان هذا الأمر مستحيلاً وفقًا لنماذجهم التخطيطية. ^{[ 11 ]}

في عام 2010، اقترحت شركة أوربيتال ساينسز مركبة بروميثيوس الفضائية ذات الجسم الرافعة المدمج ، والتي يبلغ حجمها ربع حجم مكوك الفضاء تقريبًا ، كخيار تجاري لنقل رواد الفضاء إلى مدار أرضي منخفض ضمن برنامج الطاقم التجاري . ^{[ 7 ]} كان من المقرر إطلاق المركبة ذات الإقلاع العمودي والهبوط الأفقي (VTHL) على متن صاروخ أطلس 5 المأهول، على أن تهبط على مدرج. ^{[ 12 ]} كان التصميم الأولي للمركبة يحمل طاقمًا من 4 أفراد، ولكن يمكنها حمل ما يصل إلى 6 أفراد، أو مزيج من الطاقم والشحنة. بالإضافة إلى أوربيتال ساينسز، ضمّ التحالف الذي يقف وراء هذا الاقتراح شركة نورثروب غرومان ، التي كانت ستتولى بناء المركبة الفضائية، وتحالف الإطلاق الموحد ، الذي كان سيوفر مركبة الإطلاق. ^{[ 13 ]} بعد فشل أوربيتال في الحصول على جائزة المرحلة الثانية من برنامج تطوير الطاقم التجاري (CCDev) من وكالة ناسا، أعلنت في أبريل 2011 أنها ستنهي على الأرجح جهودها لتطوير مركبة طاقم تجارية. ^{[ 14 ]}

تُستخدم مبادئ تصميم الأجسام الرافعة أيضًا في بناء المناطيد الهجينة .

طورت الحكومة الأمريكية مجموعة متنوعة من تصاميم المركبات ذات الأجسام الرافعة لإثبات المفهوم واختبار الطيران في مركز أرمسترونغ لأبحاث الطيران ، وذلك من أوائل الستينيات وحتى منتصف السبعينيات . ^{[ 3 ]} وشملت هذه التصاميم ما يلي:

• M2-F1
• M2-F2
• M2-F3
• HL-10
• إكس-24أ
• إكس-24 بي

ظهرت الأجسام الرافعة في بعض أعمال الخيال العلمي ، بما في ذلك فيلم "مارونيد" ، ومركبة "فارسكيپ-1" الفضائية لجون كرايتون في مسلسل "فارسكيپ" . وتكهّن مسلسل "كوكب فضائي" على قناة ديسكفري باستخدام الأجسام الرافعة لإيصال مسبار إلى كوكب بعيد شبيه بالأرض . وفي فيلم " دوبلغانغر " لجيري أندرسون عام 1969 ، استُخدمت مركبة هبوط/صعود عمودية الإقلاع والهبوط ذات جسم رافع لزيارة كوكب شبيه بالأرض، لكنها تحطمت في كلتا المحاولتين. كما عرض مسلسله "يو إف أو" مركبة ذات جسم رافع تشبه بصريًا المركبة M2-F2 للعمليات المدارية ("الرجل الذي عاد"). وفي لعبة الكمبيوتر "سباق باز ألدرين إلى الفضاء "، تصبح المركبة X-24A المعدلة مركبة فضائية بديلة قادرة على الهبوط على سطح القمر، يمكن للاعب اختيارها بدلًا من كبسولة جيميني أو أبولو .

استخدم برنامج "الرجل ذو الستة ملايين دولار" التلفزيوني ، الذي عُرض في سبعينيات القرن الماضي، لقطات حقيقية لطائرة ذات جسم رافع، مأخوذة من تدريبات فعلية لوكالة ناسا، في مقدمة البرنامج . تضمنت المشاهد انفصال طائرة HL-10 عن طائرتها الحاملة - وهي طائرة B-52 معدلة - وطائرة M2-F2 يقودها بروس بيترسون ، والتي تحطمت وانقلبت بعنف على مدرج بحيرة إدواردز الجافة. وعُزي سبب التحطم إلى بدء حركة التدحرج الهولندية الناتجة عن عدم استقرار التحكم بسبب انفصال التدفق.

تتضمن حلقة "الإعادة القاتلة" (الموسم الثاني، الحلقة الثامنة، بُثت في 22/9/1974) جهاز HL-10 كأداة مساعدة في القصة. ^{[ 16 ]}

• جسم جناح مدمج
• الجناح الطائر

• أيرون 26 – ( الولايات المتحدة )
• Arup S-2 – ( الولايات المتحدة ) 1932، سنايدر "Arup" (يطمس الحدود بين "الجناح الطائر" والجسم الرافع)
• BOR-4 – ( الاتحاد السوفيتي )
• بيرنيللي آر بي-1 – ( الولايات المتحدة )
• دريم تشيسر – ( الولايات المتحدة )
• فيست موبايل - ( الولايات المتحدة )
• هورتون 1953 "بدون أجنحة" http://aerospacelegacyfoundation.com/aviation-history-flying-wings/ مؤرشف بتاريخ 14 يناير 2018 في أرشيف الإنترنت
• نظام إطلاق الأفراد HL-20 – ( الولايات المتحدة )
• كليبر – ( روسيا )
• لوكهيد مارتن إكس-33 – ( الولايات المتحدة )
• لوكهيد ستار كليبر – ( الولايات المتحدة )
• مارتن إكس-23 برايم – ( الولايات المتحدة )
• الخردل – ( المملكة المتحدة )
• بروميثيوس (مركبة فضائية) – ( الولايات المتحدة )
• مركبة فضائية (سبيس رايدر)

• صحيفة حقائق حول رفع الأجسام (وكالة ناسا) مؤرشفة بتاريخ 28 فبراير 2014 على موقع Wayback Machine
• ورقة ناسا التقنية رقم 3101: التحليل العددي ومحاكاة مجال تدفق مركبة عودة الطاقم المضمونة (رياضيات تدفق الهواء فوق جسم رافع)
• مجموعات صور ناسا من مركز درايدن لأبحاث الطيران
  • HL-10
  • M2-F1
  • M2-F2
  • M2-F3
  • X-24A و X24B
  • تاريخ موجز لـ M2-F1
  • بعض تاريخ الطيران باستخدام الأجسام الرافعة
  • الطيران بلا أجنحة: قصة الجسم الرافِع. سلسلة تاريخ ناسا SP-4220، 1997، ملف PDF