الطيران المستدام

وقود أنظف وطائرات أكفأ وانبعاثات أقل: محاسبة CO₂، ومقاييس الكفاءة، وأجنحة ومحركات تستهلك وقودًا أقل، ووقود الطيران المستدام، وآثار التكاثف، والبطاريات والهيدروجين، وعمليات أنظف، ومسارات نحو صافي الصفر، مع ستة مختبرات. مجاني وبالسرعة التي تناسبك ومرتبط بـ Sustainable Flight National Partnership لدى NASA وأبحاث NASA-DLR حول آثار التكاثف وبيانات SAF لدى DOE ومعاملات الانبعاث لدى EIA.

NASA Blue MarbleNASA (ISS066-E-080762, Nov. 8, 2021)NASA (ISS074-E-0046371, Jan. 3, 2026)NASA/Ben Smegelsky (KSC-20240124-PH-JBS01_0071)

الدورات › AERO 470

تنزيل دليل الدراسة بصيغة PDF (بالإنجليزية)

عن هذه الدورة

هذا مخطط دورة مجانية للتعلّم الذاتي كتبته Saving Planets. وهو ليس مقررًا جامعيًا، ولا يمنح ساعات معتمدة، ولا تشارك فيه أي مؤسسة تعليمية.

يتبع نطاقه مقررًا اختياريًا للسنة الأخيرة عن الطيران والبيئة. ويستند إلى محاضرة العوامل البيئية في MIT 16.885J Aircraft Systems Engineering (مجانًا على MIT OpenCourseWare) وإلى مواد عامة من NASA وDOE وEIA وEPA نربطها حيث تفيد. لا يؤيد أي منها هذه الصفحة.

ما نضيفه: كل وحدة مرتبطة بعمل حقيقي مع مصدر عام موثق، وكل رقم في الصفحة يعاد حسابه بنص تحقق قبل النشر، وكل مختبر يعمل في جدول بيانات أو محاكاة مجانية.

تابعها بالترتيب. في كل وحدة أهداف وأفكار أساسية ومعادلات وأمثلة خطوة بخطوة وتمارين بإجابات كاملة وأخطاء شائعة وبطاقات تعليمية واختبار قصير. يُحفظ تقدّمك في هذا المتصفح فقط.

كيف تساعد هذه الدورة في إنقاذ الكوكب

هذا المقرر بأكمله قسم عن الكوكب: يذكر Alternative Fuels Data Center لدى DOE أن الطيران ينتج نحو 2% من كل CO₂ في العالم و12% من CO₂ النقل، وتضيف آثار التكاثف احترارًا يتجاوز CO₂.

يعمل Sustainable Flight National Partnership لدى NASA نحو هدف قطاع الطيران بالوصول إلى صافي انبعاثات كربونية صفري بحلول 2050. تنتهي كل وحدة بقسم قصير موثق. القيم غير المأخوذة من مصدر موسومة بأنها قيم مثال أو قيم مرجعية.

العودة إلى الأعلى

قبل أن تبدأ

المتطلبات السابقة

  • الدفع: الدفع والكفاءة وTSFC.
  • أداء الطائرات: الرفع والسحب ومعادلة مدى بريغيه.
  • الديناميكا الحرارية: الطاقة والقيم الحرارية وكفاءة الدورة.
  • Capstone Design أو Avionics & Systems Engineering: المتطلبات والمفاضلات.

كيف تذاكر

  • حافظ على اتساق الوحدات: kg والغالونات واللترات وMJ وWh.
  • اسأل دائمًا «لكل ماذا؟»: لكل رحلة، لكل راكب-كم، لكل kg من الوقود.
  • افصل CO₂ الاحتراق عن CO₂ دورة الحياة.
  • تحقق من كل توفير مزعوم مقارنة بخط أساس.
  • تذكر التأثيرات غير المتعلقة بـ CO₂ مثل آثار التكاثف.
  • حل كل تمرين على الورق قبل فتح الإجابة، وأعد الاختبارات القصيرة بعد بضعة أيام.

معدات المختبر (للمختبرات العملية)

  • برنامج جداول بيانات (أي برنامج مجاني يفي بالغرض)، أو Python.
  • حاسوب أو جهاز لوحي لمحاكاة PhET Greenhouse Effect المجانية.
  • ملاحظات محاضرات MIT 16.885J المجانية في متصفح ويب.
  • آلة حاسبة.

العودة إلى الأعلى

جدول مقترح من 15 أسبوعًا

نحو 6 إلى 9 ساعات أسبوعيًا: قراءة وتمارين، وفي أسابيع المختبر، المختبر.

الأسبوعالوحدةالموضوعاتالقراءة
1الطيران والمناخ: حساب CO₂حساب CO₂؛ المختبر AEIA
2مقاييس الكفاءةمقاييس الكفاءةNASA SFNP
3الكفاءة الديناميكية الهوائيةL/D والسحب المستحثMIT 16.885J
4الكفاءة الديناميكية الهوائيةاستهلاك الوقود وفق بريغيه؛ المختبر BNASA SFNP
5كفاءة المحركاتكفاءة المحركات؛ المختبر CMIT 16.885J
6وقود الطيران المستدامأساسيات SAFDOE AFDC
7وقود الطيران المستدامدورة حياة SAF؛ المختبر D؛ تدريب منتصف الفصلDOE AFDC
8آثار التكاثف والتأثيرات غير المتعلقة بـ CO₂آثار التكاثفNASA-DLR
9الدفع الكهربائي والهجينالبطاريات والمدى الكهربائيNASA SFNP
10الدفع الكهربائي والهجينالأنظمة الهجينة؛ المختبر ENASA SFNP
11طائرات الهيدروجينطائرات الهيدروجينMIT 16.885J
12العمليات والضوضاء وجودة الهواءالعملياتNASA SFNP
13العمليات والضوضاء وجودة الهواءالضوضاء وجودة الهواءEPA
14مسارات نحو صافي الصفرالسيناريوهات؛ المختبر FDOE AFDC
15مسارات نحو صافي الصفرالمراجعة؛ تدريب للامتحان النهائيMIT 16.885J

العودة إلى الأعلى

تقدّمك

ضع علامة على الوحدات والمختبرات عند إنهائها، وخض الاختبارات. يُحفظ التقدم ونتائج الاختبارات في هذا المتصفح فقط، ولا تُرسل إلينا أبدًا.

فعّل JavaScript لتتبّع تقدّمك.

العودة إلى الأعلى

الوحدة 1 · الأسبوع 1

الطيران والمناخ: حساب CO₂

مصادر انبعاثات الطيران، ومعاملات الانبعاث، وCO₂ الاحتراق مقابل دورة الحياة، وحصة الطيران من الإجمالي.

أهداف التعلّم

في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:

  • استخدام معامل انبعاث لحساب CO₂.
  • التحويل بين الغالونات واللترات والكيلوغرامات.
  • شرح CO₂ الاحتراق مقابل CO₂ دورة الحياة.
  • ذكر حصة الطيران من CO₂ العالمي.

المفاهيم الأساسية

  • يحوّل حرق وقود الطائرات الكربون إلى CO₂؛ وكتلة CO₂ نحو ثلاثة أضعاف كتلة الوقود لأن كل ذرة كربون تكتسب ذرتي أكسجين.
  • تعطي EIA الأمريكية 21.50 lb (9.75 kg) من CO₂ لكل غالون من وقود الطائرات المحروق.
  • يضيف CO₂ دورة الحياة إنتاج الوقود ونقله؛ وفي الوقود المستدام يمكن لزراعة المادة الأولية امتصاص CO₂.
  • يذكر Alternative Fuels Data Center لدى DOE أن الطيران مسؤول عن 2% من كل CO₂ و12% من CO₂ النقل عالميًا.
  • يسهم الطيران أيضًا في احترار المناخ عبر تأثيرات غير متعلقة بـ CO₂ مثل آثار التكاثف وNOx.

المعادلات الأساسية

mCO2=EF×Vfuelm_{CO_2}=EF\times V_{fuel}
الانبعاثات من حجم الوقود
EF=9.75 kg/galEF=9.75\ \text{kg/gal}
معامل EIA لوقود الطائرات
1 gal=3.785 L1\ \text{gal}=3.785\ \text{L}
تحويل الحجم
4412≈3.67\frac{44}{12}\approx3.67
نسبة كتلة CO₂ إلى الكربون

أمثلة محلولة خطوة بخطوة

مثال 1.1 رحلة تحرق 5000 غالون من وقود الطائرات. كم CO₂؟

اعرض الخطوات
  1. 5000 × 9.75.

الإجابة: 48,750 kg (48.75 t).

مثال 1.2 تحقق من قيم EIA بالرطل والكيلوغرام.

اعرض الخطوات
  1. 21.50 × 0.45359237.

الإجابة: 9.75 kg، متسقة.

مثال 1.3 كم لترًا في 5000 غالون؟

اعرض الخطوات
  1. 5000 × 3.785.

الإجابة: 18,927 L.

تمارين

حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.

  1. CO₂ من 1000 غالون؟

    اعرض الإجابة

    9750 kg.

  2. نسبة كتلة CO₂ إلى الكربون؟

    اعرض الإجابة

    44/12 = 3.67.

  3. حصة الطيران من CO₂ النقل (DOE)؟

    اعرض الإجابة

    12%.

  4. ماذا تضيف دورة الحياة؟

    اعرض الإجابة

    تأثيرات الإنتاج والنقل والمادة الأولية.

مفاهيم خاطئة شائعة

  • خرافة: يزن CO₂ أقل من الوقود.

    في الحقيقة: يزن نحو ثلاثة أضعاف.

  • خرافة: الطيران لا يبعث إلا CO₂.

    في الحقيقة: آثار التكاثف وNOx مهمة أيضًا.

  • خرافة: CO₂ دورة الحياة يساوي CO₂ الاحتراق.

    في الحقيقة: يختلفان، لا سيما في SAF.

بطاقات تعليمية

  • معامل الانبعاث

    CO₂ لكل وحدة وقود.

  • CO₂ الاحتراق

    الناتج عن الحرق.

  • CO₂ دورة الحياة

    الإجمالي من البئر إلى الأثر.

  • تأثيرات غير CO₂

    آثار التكاثف وNOx والسخام.

  • Jet A

    وقود الطائرات القياسي.

  • t CO₂

    طن من CO₂.

اختبار ذاتي

1. CO₂ من 5000 gal…

اعرض الإجابة

48,750 kg. × 9.75.

2. معامل EIA…

اعرض الإجابة

9.75 kg/gal. EIA.

3. حصة الطيران من كل CO₂…

اعرض الإجابة

2%. DOE.

4. اللترات في 5000 gal…

اعرض الإجابة

18,927. × 3.785.

كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب

تذكر EIA الأمريكية 21.50 lb (9.75 kg) من CO₂ لكل غالون من وقود الطائرات.

يذكر Alternative Fuels Data Center لدى DOE أن الطيران مسؤول عن 2% من كل CO₂ في العالم و12% من كل CO₂ النقل.

على Saving Planets: الحلول · رصد الأرض

المصادر: U.S. EIA: Carbon dioxide emissions coefficients · U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

مصادر تعلّم مجانية

العودة إلى الأعلى

الوحدة 2 · الأسبوع 2

مقاييس الكفاءة

الوقود وCO₂ لكل راكب-كيلومتر، وكثافة الطاقة، وكيفية مقارنة الطائرات بإنصاف.

أهداف التعلّم

في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:

  • حساب الوقود لكل راكب-كم.
  • حساب CO₂ لكل راكب-كم.
  • تطبيق مكسب كفاءة بنسبة مئوية.
  • المقارنة بين الطائرات بإنصاف.

المفاهيم الأساسية

  • الانبعاثات الإجمالية مضللة؛ طبّعها حسب الركاب والمسافة.
  • معامل الإشغال مهم: المقاعد الفارغة ترفع الانبعاثات لكل راكب.
  • كثافة الطاقة (MJ لكل راكب-كم) تقارن أنواع الوقود المختلفة على مقياس واحد.
  • مكسب الكفاءة يخفض الوقود لكل وحدة نقل، وليس بالضرورة إجمالي الوقود إذا نمت الحركة.
  • يستهدف Sustainable Flight National Partnership لدى NASA تحسينات في كفاءة الطاقة بنسبة 25–30% في طائرات النقل من الجيل التالي.

المعادلات الأساسية

Vfuelnpaxd\frac{V_{fuel}}{n_{pax}d}
الوقود لكل راكب-كم
mCO2npaxd\frac{m_{CO_2}}{n_{pax}d}
CO₂ لكل راكب-كم
m′=m(1−g)m^\prime=m(1-g)
بعد مكسب كسري g
LF=npaxnseatsLF=\frac{n_{pax}}{n_{seats}}
معامل الحمل

أمثلة محلولة خطوة بخطوة

مثال 2.1 تنقل 5000 غالون 180 راكبًا مسافة 2000 km (قيم مثال). كم لترًا لكل راكب-كم؟

اعرض الخطوات
  1. 18,927/(180 × 2000).

الإجابة: 0.0526 L.

مثال 2.2 CO₂ لكل راكب-كم؟

اعرض الخطوات
  1. 48,750/360,000.

الإجابة: 0.135 kg (135 g).

مثال 2.3 مكسب كفاءة 25% في الرحلة نفسها. ما CO₂ الجديد؟

اعرض الخطوات
  1. 48,750 × 0.75.

الإجابة: 36,563 kg.

تمارين

حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.

  1. الرحلة نفسها مع 150 راكبًا: كم g من CO₂ لكل pkm؟

    اعرض الإجابة

    162.5 g.

  2. معامل الإشغال، 180 من 200 مقعد؟

    اعرض الإجابة

    0.9.

  3. مكسب 30% على 48750 kg؟

    اعرض الإجابة

    34,125 kg.

  4. لماذا التطبيع؟

    اعرض الإجابة

    لمقارنة الرحلات والطائرات المختلفة بإنصاف.

مفاهيم خاطئة شائعة

  • خرافة: الطائرات الأكبر تبعث دائمًا أكثر لكل راكب.

    في الحقيقة: غالبًا أقل لكل راكب.

  • خرافة: الكفاءة تخفض إجمالي الانبعاثات.

    في الحقيقة: فقط إذا لم تنمُ الحركة أسرع.

  • خرافة: المقاعد تساوي الركاب.

    في الحقيقة: استخدم معامل الإشغال.

بطاقات تعليمية

  • راكب-كم

    راكب واحد يُنقل كيلومترًا واحدًا.

  • معامل الحمل

    الركاب مقسومًا على المقاعد.

  • كثافة الطاقة

    MJ لكل pkm.

  • الارتداد

    نمو يعوّض الكفاءة.

  • خط الأساس

    الحالة المرجعية.

  • التطبيع

    مقارنة لكل وحدة.

اختبار ذاتي

1. L لكل pkm…

اعرض الإجابة

0.0526. 18,927/360,000.

2. g من CO₂ لكل pkm…

اعرض الإجابة

135. 48,750/360,000.

3. بعد مكسب 25%…

اعرض الإجابة

36,563 kg. × 0.75.

4. هدف SFNP…

اعرض الإجابة

25–30%. NASA.

كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب

تذكر NASA أن Sustainable Flight National Partnership يهدف إلى تمكين تحسينات في كفاءة الطاقة بنسبة 25–30% في طائرات النقل من الجيل التالي القادرة على استخدام وقود طيران مستدام بنسبة 100% والطيران في مسارات مثلى.

مقاييس هذه الوحدة لكل راكب هي الطريقة التي تُقاس بها هذه المكاسب.

على Saving Planets: أداء الطائرات · الحلول

المصادر: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

مصادر تعلّم مجانية

العودة إلى الأعلى

الوحدة 3 · الأسابيع 3–4

الكفاءة الديناميكية الهوائية

L/D والسحب المستحث ونسبة الباع، والأجنحة عالية نسبة الباع والأجنحة المدعمة بالدعامات، واستهلاك الوقود من معادلة بريغيه.

أهداف التعلّم

في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:

  • حساب كسر الوقود من بريغيه.
  • إظهار كيف يخفض L/D الوقود.
  • حساب معامل السحب المستحث.
  • شرح لماذا توفر الأجنحة الطويلة النحيلة الوقود.

المفاهيم الأساسية

  • وفق بريغيه، كسر الوقود هو 1 − exp(−Rc/(V·L/D)).
  • L/D أعلى يعني وقودًا أقل للمدى نفسه.
  • السحب المستحث C_Di = C_L²/(πeAR) ينخفض مع ارتفاع نسبة الباع.
  • تحتاج الأجنحة النحيلة جدًا إلى دعامات (تصاميم مدعمة) لتبقى خفيفة وصلبة.
  • محور شراكة NASA هو طائرة X-plane إيضاحية بالحجم الكامل تختبر تصميمًا ديناميكيًا هوائيًا فائق الكفاءة.

المعادلات الأساسية

WfWi=1−e−Rc/(V L/D)\frac{W_f}{W_i}=1-e^{-Rc/(V\,L/D)}
كسر الوقود
CDi=CL2πeARC_{D_i}=\frac{C_L^2}{\pi eAR}
السحب المستحث
AR=b2/SAR=b^2/S
نسبة الباع
L/D=CL/CDL/D=C_L/C_D
نسبة الرفع إلى السحب

أمثلة محلولة خطوة بخطوة

مثال 3.1 3000 km عند 230 m/s، وc = 0.6 /h، وL/D = 17 (قيم مرجعية). كسر الوقود؟

اعرض الخطوات
  1. Rc/(V L/D) = 3 × 10⁶ × 1.667 × 10⁻⁴/(230 × 17) = 0.1279.
  2. 1 − e^(−0.1279).

الإجابة: 0.120.

مثال 3.2 الشيء نفسه مع L/D = 20.

اعرض الخطوات
  1. 1 − e^(−0.1087).

الإجابة: 0.103: وقود أقل بنسبة 14.2%.

مثال 3.3 C_Di عند C_L = 0.5، وe = 0.85، وAR = 9؟

اعرض الخطوات
  1. 0.25/(π × 0.85 × 9).

الإجابة: 0.0104.

تمارين

حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.

  1. C_Di عند AR = 12؟

    اعرض الإجابة

    0.0078.

  2. عند AR = 19 (فئة الأجنحة المدعمة)؟

    اعرض الإجابة

    0.0049.

  3. نسبة الباع لـ b = 36 m وS = 120 m²؟

    اعرض الإجابة

    10.8.

  4. لماذا ندعم جناحًا نحيلًا؟

    اعرض الإجابة

    لإبقائه خفيفًا وصلبًا.

مفاهيم خاطئة شائعة

  • خرافة: السحب كله احتكاك.

    في الحقيقة: السحب المستحث كبير في التطواف.

  • خرافة: الأجنحة الأطول مجانية.

    في الحقيقة: قيود الوزن وبوابات الصعود.

  • خرافة: يتناسب الوقود خطيًا مع L/D.

    في الحقيقة: يتبع الدالة الأسية.

بطاقات تعليمية

  • L/D

    نسبة الرفع إلى السحب.

  • السحب المستحث

    السحب الناتج عن الرفع.

  • نسبة الباع

    b²/S.

  • معامل أوزوالد

    كفاءة الباع e.

  • جناح مدعم بالدعامات

    جناح نحيل بدعامات.

  • كسر الوقود

    الوقود على وزن الإقلاع.

اختبار ذاتي

1. كسر الوقود، L/D 17…

اعرض الإجابة

0.120. بريغيه.

2. الوقود الموفَّر عند L/D 20…

اعرض الإجابة

14.2%. قارن الكسور.

3. C_Di AR 9…

اعرض الإجابة

0.0104. C_L²/(πeAR).

4. AR أعلى…

اعرض الإجابة

يخفض السحب المستحث. صيغة.

كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب

تذكر NASA أن محور Sustainable Flight National Partnership سيكون طائرة X-plane إيضاحية بالحجم الكامل صُممت لاختبار تصميم ديناميكي هوائي فائق الكفاءة، لتوجيه الجيل التالي من الطائرات ذات الممر الواحد.

تحدد NASA أول طيران للطائرة الإيضاحية في موعد لا يسبق أواخر 2026.

على Saving Planets: الديناميكا الهوائية 1 · أداء الطائرات

المصادر: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

مصادر تعلّم مجانية

العودة إلى الأعلى

الوحدة 4 · الأسبوع 5

كفاءة المحركات

الكفاءة الحرارية والدفعية والإجمالية، ونسبة الالتفاف، ونوى المحركات المتقدمة.

أهداف التعلّم

في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:

  • حساب كفاءة الدفع.
  • اجمع بين الكفاءة الحرارية والكفاءة الدفعية.
  • اشرح لماذا توفر نسبة الالتفاف العالية الوقود.
  • ربط الكفاءة بـ TSFC.

المفاهيم الأساسية

  • الكفاءة الإجمالية هي الكفاءة الحرارية مضروبة في الكفاءة الدفعية.
  • الكفاءة الدفعية 2/(1 + V_e/V₀) ترتفع كلما اقتربت سرعة العادم من سرعة الطيران.
  • المحركات التوربينية المروحية عالية الالتفاف تحرك هواءً أكثر بسرعة أقل، فترفع الكفاءة الدفعية.
  • النوى الأسخن والأعلى ضغطًا والأصغر حجمًا ترفع الكفاءة الحرارية.
  • يطور عمل Hybrid Thermally Efficient Core لدى NASA نوى توربينية عالية كثافة القدرة لطائرات النقل من الجيل التالي.

المعادلات الأساسية

ηp=21+Ve/V0\eta_p=\frac{2}{1+V_e/V_0}
كفاءة الدفع
ηo=ηthηp\eta_o=\eta_{th}\eta_p
الكفاءة الكلية
TSFC∝V0ηoTSFC\propto\frac{V_0}{\eta_o}
استهلاك الوقود لكل دفع
BPR=m˙bypass/m˙coreBPR=\dot m_{bypass}/\dot m_{core}
نسبة التجاوز

أمثلة محلولة خطوة بخطوة

مثال 4.1 V₀ = 230 m/s, V_e = 400 m/s. η_p?

اعرض الخطوات
  1. 2/(1 + 400/230).

الإجابة: 0.730.

مثال 4.2 اخفض V_e إلى 300 m/s (التفاف أعلى).

اعرض الخطوات
  1. 2/(1 + 300/230).

الإجابة: 0.868.

مثال 4.3 مع η_th = 0.5، ما الكفاءة الإجمالية عند V_e = 300؟

اعرض الخطوات
  1. 0.5 × 0.868.

الإجابة: 0.434.

تمارين

حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.

  1. η_p عند V_e = 350 m/s؟

    اعرض الإجابة

    0.793.

  2. الإجمالية عند V_e = 400 وη_th = 0.5؟

    اعرض الإجابة

    0.365.

  3. توفير الوقود من 0.365 إلى 0.434 إجمالية؟

    اعرض الإجابة

    وقود أقل بنسبة 15.9% للعمل نفسه.

  4. ما نسبة الالتفاف؟

    اعرض الإجابة

    تدفق الالتفاف الكتلي على تدفق النواة.

مفاهيم خاطئة شائعة

  • خرافة: العادم الأسرع أكفأ.

    في الحقيقة: يخفض الكفاءة الدفعية.

  • خرافة: الكفاءة الحرارية هي كل شيء.

    في الحقيقة: الدفعية مهمة بالقدر نفسه.

  • خرافة: الالتفاف مجاني.

    في الحقيقة: المراوح الأكبر تضيف وزنًا وسحبًا.

بطاقات تعليمية

  • كفاءة الدفع

    الجزء المفيد من قدرة الدفع.

  • الكفاءة الحرارية

    كفاءة الدورة.

  • الكفاءة الكلية

    حاصل ضرب الاثنتين.

  • نسبة التجاوز

    هواء المروحة على هواء النواة.

  • TSFC

    الوقود لكل دفع لكل زمن.

  • نواة المحرك

    الضاغط وغرفة الاحتراق والتوربين.

اختبار ذاتي

1. η_p عند 400…

اعرض الإجابة

0.730. 2/(1 + 1.739).

2. η_p عند 300…

اعرض الإجابة

0.868. 2/(1 + 1.304).

3. الإجمالية…

اعرض الإجابة

0.434. 0.5 × 0.868.

4. الالتفاف العالي…

اعرض الإجابة

يرفع η_p. نفاث أبطأ.

كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب

تذكر NASA أن عمل Hybrid Thermally Efficient Core يسرّع تطوير وإيضاح تقنيات محركات توربينية متقدمة في نواة عالية كثافة القدرة لطائرات النقل التجارية من الجيل التالي.

كلتا الكفاءتين في هذه الوحدة تؤثران مباشرة في الوقود المحروق لكل راكب.

على Saving Planets: الدفع · الديناميكا الحرارية

المصادر: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

مصادر تعلّم مجانية

العودة إلى الأعلى

الوحدة 5 · الأسبوعان 6–7

وقود الطيران المستدام

ما هو SAF، ومسارات الإنتاج، وحدود الخلط، والتخفيضات على دورة الحياة، والأهداف الوطنية.

أهداف التعلّم

في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:

  • تعريف SAF.
  • حساب توفير دورة الحياة للخليط.
  • تقدير التوفير على مستوى الأهداف.
  • شرح حدود الخلط.

المفاهيم الأساسية

  • يعرّف DOE وقود SAF بأنه وقود بديل يُصنع من مواد أولية غير نفطية ويقلل تلوث الهواء الناتج عن النقل الجوي.
  • يمكن خلط SAF بنسب بين 10% و50% حسب المادة الأولية ومسار الإنتاج (ASTM D7566).
  • يعمل SAF المخلوط في الطائرات والبنية التحتية القائمة.
  • يتناسب توفير دورة الحياة مع كسر الخلط مضروبًا في تخفيض SAF نفسه.
  • يهدف SAF Grand Challenge إلى 3 مليارات غالون في 2030 و35 مليارًا في 2050 مع تخفيض لا يقل عن 50% على دورة الحياة.

المعادلات الأساسية

s=b×rs=b\times r
توفير الخليط = الخليط × تخفيض SAF
msaved=V×EF×rm_{saved}=V\times EF\times r
CO₂ الموفَّر حسب حجم SAF
b≤0.5b\le0.5
أقصى خلط (حسب المسار)
EF=9.75 kg/galEF=9.75\ \text{kg/gal}
معامل EIA

أمثلة محلولة خطوة بخطوة

مثال 5.1 خليط 50% من SAF بتخفيض 50% على دورة الحياة. التوفير الإجمالي؟

اعرض الخطوات
  1. 0.5 × 0.5.

الإجابة: 25%.

مثال 5.2 3 مليارات غالون بتخفيض 50%، باستخدام معامل EIA خطَّ أساس (تبسيط).

اعرض الخطوات
  1. 3 × 10⁹ × 9.75 × 0.5.

الإجابة: نحو 14.6 مليون طن من CO₂ سنويًا.

مثال 5.3 الشيء نفسه لـ 35 مليار غالون.

اعرض الخطوات
  1. 35 × 10⁹ × 9.75 × 0.5.

الإجابة: نحو 171 مليون طن.

تمارين

حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.

  1. خليط 10% بتخفيض 80%؟

    اعرض الإجابة

    8%.

  2. الرحلات التي استخدمت SAF وفق ICAO عبر DOE؟

    اعرض الإجابة

    أكثر من 360000 في 46 مطارًا.

  3. لماذا حد الخلط؟

    اعرض الإجابة

    يجب أن تستوفي خصائص الوقود مواصفات Jet A.

  4. هل يحتاج SAF إلى محركات جديدة؟

    اعرض الإجابة

    تعمل الخلائط في الطائرات القائمة.

مفاهيم خاطئة شائعة

  • خرافة: SAF عديم الانبعاثات.

    في الحقيقة: يحترق إلى CO₂؛ والتوفير على دورة الحياة.

  • خرافة: أي خليط يصلح.

    في الحقيقة: الحدود تعتمد على المسار.

  • خرافة: يؤثر SAF في CO₂ فقط.

    في الحقيقة: وجدت NASA وDLR بلورات جليد أقل في آثار التكاثف.

بطاقات تعليمية

  • SAF

    وقود الطيران المستدام.

  • HEFA

    مسار الإسترات والأحماض الدهنية المعالجة بالهيدروجين.

  • حد الخلط

    أقصى حصة لـ SAF.

  • ASTM D7566

    مواصفة وقود الطائرات الاصطناعي.

  • التخفيض على دورة الحياة

    الخفض مقارنة بالوقود الأحفوري.

  • وقود بديل مباشر

    يعمل في الأنظمة القائمة.

اختبار ذاتي

1. توفير الخليط…

اعرض الإجابة

25%. 0.5 × 0.5.

2. توفير 2030…

اعرض الإجابة

≈ 14.6 Mt. × 9.75 × 0.5.

3. نطاق الخلط…

اعرض الإجابة

10–50%. DOE.

4. هدف 2050…

اعرض الإجابة

35 مليار gal. DOE.

كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب

يذكر Alternative Fuels Data Center لدى DOE أن أكثر من 360000 رحلة تجارية استخدمت SAF في 46 مطارًا (وفق ICAO)، ويهدف SAF Grand Challenge إلى 3 مليارات غالون في 2030 و35 مليار غالون في 2050 مع تخفيض لا يقل عن 50% على دورة الحياة.

يشير DOE إلى أن المصانع الأمريكية الثلاثة القائمة كلها تستخدم مسار HEFA، مع توقع مصانع لتحويل الكحول إلى وقود طائرات.

على Saving Planets: الحلول · الكيمياء العامة I

المصادر: U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

مصادر تعلّم مجانية

العودة إلى الأعلى

الوحدة 6 · الأسبوع 8

آثار التكاثف والتأثيرات غير المتعلقة بـ CO₂

كيف تتكون آثار التكاثف، ولماذا تسبب الاحترار، والسخام وبلورات الجليد، وكيف يقللها الوقود وتوجيه المسارات.

أهداف التعلّم

في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:

  • شرح تكوّن آثار التكاثف.
  • حساب تخفيضات بلورات الجليد.
  • وصف الاحترار غير المتعلق بـ CO₂.
  • ذكر خيارات التخفيف.

المفاهيم الأساسية

  • تتكون آثار التكاثف عندما يختلط العادم الساخن الرطب بالهواء البارد فيتكثف الماء ويتجمد على جسيمات السخام.
  • يمكن أن تنتشر آثار التكاثف المستمرة في سحب سمحاقية تحبس الحرارة الصادرة.
  • جسيمات سخام أقل تعني بلورات جليد أقل عددًا وأكبر حجمًا تختفي أسرع.
  • وجدت NASA وDLR أن أنواع الوقود المستدام الأنظف احتراقًا أنتجت بلورات جليد أقل بنسبة 50%–70% في التطواف.
  • يمكن تجنب آثار التكاثف المستمرة بتوجيه المسار حول الهواء فوق المشبع بالجليد.

المعادلات الأساسية

N=EI×mfN=EI\times m_f
بلورات الجليد من مؤشر الانبعاث والوقود
N′=N(1−r)N^\prime=N(1-r)
بعد تخفيض r
r∈[0.5,0.7]r\in[0.5,0.7]
نطاق NASA-DLR
ΔT∝F\Delta T\propto F
يتناسب الاحترار مع التأثير الإشعاعي

أمثلة محلولة خطوة بخطوة

مثال 6.1 مؤشر انبعاث مثالي قدره 10¹⁵ بلورة جليد لكل kg من الوقود. مع تخفيض 50%؟

اعرض الخطوات
  1. 10¹⁵ × 0.5.

الإجابة: 5 × 10¹⁴ لكل kg.

مثال 6.2 مع تخفيض 70%؟

اعرض الخطوات
  1. 10¹⁵ × 0.3.

الإجابة: 3 × 10¹⁴ لكل kg.

مثال 6.3 رحلة تحرق 15000 kg من الوقود في التطواف (مثال). البلورات عند تخفيض 70%؟

اعرض الخطوات
  1. 3 × 10¹⁴ × 15,000.

الإجابة: 4.5 × 10¹⁸.

تمارين

حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.

  1. لماذا تسبب آثار التكاثف احترارًا ليلًا؟

    اعرض الإجابة

    تحبس الأشعة تحت الحمراء الصادرة دون ضوء شمس تعكسه.

  2. ما الذي يبذر جليد آثار التكاثف؟

    اعرض الإجابة

    السخام وجسيمات أخرى.

  3. التخفيض من 5 × 10¹⁴ إلى 3 × 10¹⁴؟

    اعرض الإجابة

    40%.

  4. حل تشغيلي واحد؟

    اعرض الإجابة

    توجيه المسار حول الهواء فوق المشبع بالجليد.

مفاهيم خاطئة شائعة

  • خرافة: آثار التكاثف مجرد ماء، لذا فهي غير ضارة.

    في الحقيقة: يمكن أن تضيف احترارًا.

  • خرافة: كل آثار التكاثف تستمر.

    في الحقيقة: فقط في الهواء فوق المشبع بالجليد.

  • خرافة: CO₂ وحده هو المهم.

    في الحقيقة: التأثيرات غير المتعلقة بـ CO₂ كبيرة.

بطاقات تعليمية

  • أثر التكاثف

    خط تكاثف.

  • سحب سمحاقية من آثار التكاثف

    آثار تكاثف مستمرة منتشرة.

  • فوق التشبع بالجليد

    هواء قادر على تنمية الجليد.

  • السخام

    جسيمات كربونية.

  • مؤشر الانبعاث

    الكمية لكل kg من الوقود.

  • التأثير الإشعاعي غير CO₂

    احترار بخلاف CO₂.

اختبار ذاتي

1. تخفيض 50%…

اعرض الإجابة

5 × 10¹⁴. × 0.5.

2. نطاق NASA-DLR…

اعرض الإجابة

50%–70%. NASA.

3. البلورات لكل رحلة…

اعرض الإجابة

4.5 × 10¹⁸. × 15,000.

4. يتكون جليد آثار التكاثف على…

اعرض الإجابة

جسيمات السخام. التنوّي.

كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب

تفيد NASA بأن وقود الطائرات الأنظف احتراقًا المصنوع من مصادر مستدامة يمكن أن ينتج آثار تكاثف من بلورات الجليد أقل بنسبة 50%–70% على ارتفاع التطواف، وفق أبحاث مشتركة بين NASA وDLR (المركز الألماني للطيران والفضاء).

تشير NASA إلى أن آثار تكاثف بلورات الجليد قد تبقى ساعات في الغلاف الجوي العلوي وتؤثر في طريقة تسخين الأرض وتبريدها.

على Saving Planets: رصد الأرض · انتقال الحرارة

المصادر: NASA: NASA-DLR study finds sustainable aviation fuel can reduce contrails (2021)

مصادر تعلّم مجانية

العودة إلى الأعلى

الوحدة 7 · الأسبوعان 9–10

الدفع الكهربائي والهجين

كثافة طاقة البطاريات، وكفاءة مجموعة نقل الحركة، والمدى الكهربائي، وأين تفيد الأنظمة الهجينة.

أهداف التعلّم

في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:

  • مقارنة كثافة طاقة البطاريات والوقود.
  • مراعاة كفاءة مجموعة نقل الحركة.
  • حساب مدى الطائرة الكهربائية.
  • تحديد المهمات المناسبة.

المفاهيم الأساسية

  • يخزن وقود الطائرات نحو 43 MJ/kg (11944 Wh/kg)؛ وتخزن البطاريات الحالية بضع مئات من Wh/kg (قيم مرجعية).
  • تحوّل مجموعات نقل الحركة الكهربائية الطاقة بكفاءة أعلى بكثير (نحو 90%) من التوربينات (نحو 35%)، مما يقلص الفجوة (قيم مرجعية).
  • مدى الطائرة الكهربائية بالبطارية هو R = (e η/g)(L/D)(m_b/m).
  • لا تخف البطاريات عند تفريغها، بخلاف الوقود.
  • تذكر NASA أن الدفع المكهرب يتيح إمكانات جديدة لخفض استهلاك الوقود والطاقة، من طائرات الركاب الصغيرة إلى الطائرات ذات الممر الواحد.

المعادلات الأساسية

R=eηgLDmbmR=\frac{e\eta}{g}\frac{L}{D}\frac{m_b}{m}
مدى الطائرة بالبطاريات
efuelebatt\frac{e_{fuel}}{e_{batt}}
نسبة كثافة الطاقة
e=250 Wh/kg=9×105 J/kge=250\ \text{Wh/kg}=9\times10^5\ \text{J/kg}
بطارية مثال
1 Wh=3600 J1\ \text{Wh}=3600\ \text{J}
التحويل

أمثلة محلولة خطوة بخطوة

مثال 7.1 وقود الطائرات عند 43 MJ/kg بوحدة Wh/kg، ونسبته إلى بطارية 250 Wh/kg؟

اعرض الخطوات
  1. 43 × 10⁶/3600 = 11,944 Wh/kg.
  2. 11,944/250.

الإجابة: 47.8 مرة.

مثال 7.2 عدّل حسب الكفاءة: التوربين 0.35، والكهربائي 0.9.

اعرض الخطوات
  1. 47.8 × 0.35/0.9.

الإجابة: نحو 18.6 مرة.

مثال 7.3 المدى مع e = 250 Wh/kg، وη = 0.8، وL/D = 15، وكسر بطارية 0.3.

اعرض الخطوات
  1. 9 × 10⁵ × 0.8/9.80665 × 15 × 0.3.

الإجابة: نحو 330 km.

تمارين

حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.

  1. المدى إذا تضاعفت طاقة البطارية إلى 500 Wh/kg؟

    اعرض الإجابة

    نحو 661 km.

  2. 250 Wh/kg بوحدة J/kg؟

    اعرض الإجابة

    9 × 10⁵.

  3. لماذا تفيد الأنظمة الهجينة؟

    اعرض الإجابة

    تعزز القدرة الكهربائية الإقلاع والصعود بينما يوفر الوقود المدى.

  4. أفضل المهمات الأولى؟

    اعرض الإجابة

    الرحلات الإقليمية القصيرة ورحلات التدريب.

مفاهيم خاطئة شائعة

  • خرافة: ستعادل البطاريات وقود الطائرات قريبًا.

    في الحقيقة: الفجوة كبيرة حتى بعد احتساب الكفاءة.

  • خرافة: الكهربائي يعني انعدام الانبعاثات.

    في الحقيقة: يعتمد ذلك على الشبكة الكهربائية.

  • خرافة: ينخفض وزن البطارية أثناء الطيران.

    في الحقيقة: يبقى ثابتًا.

بطاقات تعليمية

  • الطاقة النوعية

    الطاقة لكل كتلة.

  • كفاءة مجموعة نقل الحركة

    الكفاءة من البطارية إلى العمود.

  • هجين كهربائي

    وقود مع قدرة كهربائية.

  • كسر البطارية

    كتلة البطارية على كتلة الطائرة.

  • Wh/kg

    وحدة الطاقة النوعية للبطاريات.

  • كثافة الشبكة الكربونية

    CO₂ لكل kWh.

اختبار ذاتي

1. نسبة الطاقة…

اعرض الإجابة

47.8. 11,944/250.

2. معدلة حسب الكفاءة…

اعرض الإجابة

18.6. × 0.35/0.9.

3. المدى الكهربائي…

اعرض الإجابة

≈ 330 km. صيغة.

4. المدى بطاقة مضاعفة…

اعرض الإجابة

≈ 661 km. خطي.

كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب

تذكر NASA أن الدفع المكهرب يتيح إمكانات جديدة لخفض استهلاك الوقود والطاقة في الطيران، من طائرات الركاب الصغيرة إلى الطائرات ذات الممر الواحد، باستخدام تقنيات ومفاهيم وطائرات اختبار ومرافق أرضية جديدة.

تُظهر معادلة المدى في هذه الوحدة لماذا تطير الطائرات الكهربائية الأولى في مسارات قصيرة. كثافات الطاقة هنا قيم مرجعية.

على Saving Planets: الدوائر الكهربائية · الحلول

المصادر: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

مصادر تعلّم مجانية

العودة إلى الأعلى

الوحدة 8 · الأسبوع 11

طائرات الهيدروجين

طاقة الهيدروجين لكل كتلة وحجم، وتحديد حجم الخزانات، وانبعاثات الماء، ومفاضلات التصميم.

أهداف التعلّم

في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:

  • مقارنة الهيدروجين بوقود الطائرات حسب الكتلة والحجم.
  • تحديد حجم خزان الهيدروجين.
  • حساب الماء الناتج.
  • شرح مفاضلات التصميم.

المفاهيم الأساسية

  • يحمل الهيدروجين نحو 120 MJ/kg، أي 2.8 ضعف وقود الطائرات، لكن كثافة الهيدروجين السائل نحو 70.8 kg/m³ فقط (قيم مرجعية).
  • لكل لتر، يحمل الهيدروجين السائل نحو 8.5 MJ مقابل نحو 34.4 MJ لوقود الطائرات، لذا تكون الخزانات أكبر بنحو أربعة أضعاف.
  • حرق الهيدروجين أو استخدامه في خلية وقود ينتج ماءً، نحو 8.9 kg لكل kg من الهيدروجين، دون CO₂ عند الطائرة.
  • الخزانات المبردة ضخمة وثقيلة، وتشكّل الطائرة بأكملها.
  • يعتمد الهيدروجين الأخضر على كهرباء نظيفة للتحليل الكهربائي.

المعادلات الأساسية

ev=ρ eme_v=\rho\,e_m
الطاقة لكل حجم
V=EevV=\frac{E}{e_v}
حجم الخزان
mH2O=8.94 mH2m_{H_2O}=8.94\,m_{H_2}
الماء من الهيدروجين
eH2ejet=12043\frac{e_{H_2}}{e_{jet}}=\frac{120}{43}
نسبة الكتلة

أمثلة محلولة خطوة بخطوة

مثال 8.1 الهيدروجين مقابل وقود الطائرات حسب الكتلة؟

اعرض الخطوات
  1. 120/43.

الإجابة: أكثر بـ 2.79 ضعف لكل kg.

مثال 8.2 الطاقة الحجمية للهيدروجين السائل؟

اعرض الخطوات
  1. 70.8 × 120/1000.

الإجابة: 8.50 MJ/L.

مثال 8.3 نسبة حجم الخزان مقارنة بوقود الطائرات (0.8 kg/L، قيمة مرجعية)؟

اعرض الخطوات
  1. 34.4/8.50.

الإجابة: أكبر بنحو 4.05 ضعف.

تمارين

حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.

  1. الماء من 100 kg من الهيدروجين؟

    اعرض الإجابة

    نحو 894 kg.

  2. الطاقة الحجمية لوقود الطائرات؟

    اعرض الإجابة

    0.8 × 43 = 34.4 MJ/L.

  3. لماذا خزانات الهيدروجين ثقيلة؟

    اعرض الإجابة

    جدران مبردة معزولة.

  4. متى يكون الهيدروجين منخفض الكربون؟

    اعرض الإجابة

    عندما يُنتج بطاقة نظيفة.

مفاهيم خاطئة شائعة

  • خرافة: الهيدروجين خفيف، لذا الخزانات صغيرة.

    في الحقيقة: الكثافة المنخفضة تعني خزانات كبيرة.

  • خرافة: طائرات الهيدروجين لا تبعث شيئًا.

    في الحقيقة: تبعث بخار ماء قد يكوّن آثار تكاثف.

  • خرافة: كل الهيدروجين أخضر.

    في الحقيقة: معظمه اليوم يُنتج من الغاز الأحفوري.

بطاقات تعليمية

  • LH₂

    الهيدروجين السائل.

  • مبرد بالتبريد العميق

    تخزين شديد البرودة.

  • خلية الوقود

    مصدر قدرة كهروكيميائي.

  • التحليل الكهربائي

    تفكيك الماء بالكهرباء.

  • الطاقة الحجمية

    الطاقة لكل حجم.

  • الهيدروجين الأخضر

    يُنتج بقدرة نظيفة.

اختبار ذاتي

1. نسبة الكتلة…

اعرض الإجابة

2.79. 120/43.

2. MJ/L من LH₂…

اعرض الإجابة

8.50. 70.8 × 0.12.

3. نسبة الخزانات…

اعرض الإجابة

≈ 4. 34.4/8.5.

4. الماء لكل kg من H₂…

اعرض الإجابة

≈ 8.9 kg. 18.015/2.016.

كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب

يعمل Sustainable Flight National Partnership لدى NASA على تقنيات المركبات المتقدمة والعمليات الكفؤة ووقود الطيران المستدام؛ وتضيف هذه الوحدة الهيدروجين خيارًا إضافيًا، حيث يمثل حجم الخزان التحدي التصميمي الرئيسي.

قيم الهيدروجين في هذه الوحدة قيم مرجعية، وليست أرقامًا من NASA.

على Saving Planets: الكيمياء العامة I · الديناميكا الحرارية

المصادر: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

مصادر تعلّم مجانية

العودة إلى الأعلى

الوحدة 9 · الأسابيع 12–13

العمليات والضوضاء وجودة الهواء

الدرج والمسارات الكفؤة، وحساب الديسيبل، وضوضاء المطارات، وجودة الهواء المحلية، والبنزين الطيراني المحتوي على الرصاص.

أهداف التعلّم

في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:

  • تقدير توفير الوقود أثناء الدرج.
  • جمع مستويات الصوت بالديسيبل.
  • تطبيق قانون التربيع العكسي.
  • شرح مشكلة الوقود المحتوي على الرصاص.

المفاهيم الأساسية

  • العمليات مهمة: الدرج بمحرك واحد والهبوط المتواصل والمسارات المثلى تخفض الوقود مع طائرات اليوم.
  • تُجمع الديسيبلات لوغاريتميًا: مصدران متساويان أعلى بـ 3 dB، لا ضعف الرقم.
  • في الهواء الطلق، ينخفض مستوى الصوت نحو 6 dB مع كل مضاعفة للمسافة.
  • تؤثر NOx والجسيمات وCO من المحركات في جودة الهواء قرب المطارات.
  • تذكر EPA أن معظم الطائرات التي تستخدم وقودًا محتويًا على الرصاص طائرات بمحركات مكبسية تحمل 2–10 ركاب؛ ولا تستخدم الطائرات النفاثة التجارية هذا الوقود.

المعادلات الأساسية

L=10log⁡10∑10Li/10L=10\log_{10}\sum10^{L_i/10}
جمع مستويات الصوت
ΔL=20log⁡10(r2/r1)\Delta L=20\log_{10}(r_2/r_1)
الانتشار الكروي
mf=m˙ftm_f=\dot m_ft
الوقود المستخدم
mCO2=3.16 mfm_{CO_2}=3.16\,m_f
CO₂ لكل kg من الوقود (قيمة مرجعية)

أمثلة محلولة خطوة بخطوة

مثال 9.1 مصدران بـ 80 dB معًا؟

اعرض الخطوات
  1. 10 log₁₀(2 × 10⁸).

الإجابة: 83.0 dB.

مثال 9.2 انخفاض المستوى عند مضاعفة المسافة؟

اعرض الخطوات
  1. 20 log₁₀ 2.

الإجابة: 6.02 dB.

مثال 9.3 الدرج 10 دقائق بمحرك واحد بدل اثنين بمعدل 0.1 kg/s لكل منهما (مثال). الوقود وCO₂ الموفَّران؟

اعرض الخطوات
  1. 0.1 × 600 = 60 kg.
  2. 60 × 3.16.

الإجابة: 60 kg من الوقود، ونحو 190 kg من CO₂.

تمارين

حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.

  1. عشرة مصادر متساوية بـ 70 dB؟

    اعرض الإجابة

    80 dB.

  2. الانخفاض عندما تتضاعف المسافة أربع مرات؟

    اعرض الإجابة

    12.0 dB.

  3. وقود محركين على مدى 10 دقائق؟

    اعرض الإجابة

    120 kg.

  4. أي الطائرات تستخدم الوقود المحتوي على الرصاص (EPA)؟

    اعرض الإجابة

    الطائرات ذات المحركات المكبسية أساسًا.

مفاهيم خاطئة شائعة

  • خرافة: تُجمع الديسيبلات خطيًا.

    في الحقيقة: تُجمع لوغاريتميًا.

  • خرافة: لا يمكن للعمليات خفض الانبعاثات.

    في الحقيقة: إنها تخفض الوقود اليوم.

  • خرافة: تحرق طائرات الركاب وقودًا محتويًا على الرصاص.

    في الحقيقة: تقول EPA إن النفاثات التجارية لا تفعل.

بطاقات تعليمية

  • الديسيبل

    مقياس لوغاريتمي للصوت.

  • قانون التربيع العكسي

    تنخفض الشدة مع r².

  • الدرج بمحرك واحد

    الدرج على محرك واحد.

  • الهبوط المتواصل

    هبوط بالخمول دون مراحل استواء.

  • NOx

    أكاسيد النيتروجين.

  • Avgas

    بنزين الطيران.

اختبار ذاتي

1. Two 80 dB…

اعرض الإجابة

83.0 dB. +3 dB.

2. مضاعفة المسافة…

اعرض الإجابة

−6.02 dB. 20 log 2.

3. CO₂ الموفَّر أثناء الدرج…

اعرض الإجابة

≈ 190 kg. 60 × 3.16.

4. مستخدمو الوقود المحتوي على الرصاص…

اعرض الإجابة

الطائرات المكبسية. EPA.

كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب

تذكر EPA أن غالبية الطائرات العاملة بالوقود المحتوي على الرصاص طائرات بمحركات مكبسية تحمل عادة 2–10 ركاب، وأن النفاثات المستخدمة في النقل التجاري لا تستخدم هذا الوقود.

أصدرت EPA قرارًا نهائيًا بأن انبعاثات الرصاص من بعض محركات الطائرات تعرّض الصحة العامة والرفاه للخطر، مما يُلزم EPA وFAA بوضع معايير.

على Saving Planets: الحلول · أداء الطائرات

المصادر: U.S. EPA: Regulations for lead emissions from aircraft

مصادر تعلّم مجانية

العودة إلى الأعلى

الوحدة 10 · الأسبوعان 14–15

مسارات نحو صافي الصفر

نمو الحركة والكفاءة وSAF والطائرات الجديدة والتعويضات مجتمعة في سيناريوهات حتى 2050.

أهداف التعلّم

في نهاية هذه الوحدة ستستطيع أن:

  • إسقاط نمو الحركة.
  • دمج التخفيضات ضربيًا.
  • بناء سيناريو أسافين بسيط.
  • مناقشة أدوات السياسات.

المفاهيم الأساسية

  • الانبعاثات = الحركة × الطاقة لكل وحدة حركة × الكربون لكل وحدة طاقة.
  • النمو مركّب: 3% سنويًا تضاعف الحركة في نحو 24 عامًا (معدل مثال).
  • التخفيضات تتضاعف ضربيًا: (1 − مكسب الكفاءة) × (1 − توفير SAF على دورة الحياة).
  • الانبعاثات المتبقية تتطلب طائرات جديدة أو مزيدًا من SAF أو إزالة الكربون.
  • يشير DOE إلى أن مخطط CORSIA التابع لـ ICAO يحدّ صافي CO₂ من الطيران الدولي عند مستويات 2020 حتى 2035.

المعادلات الأساسية

E=T×MJT×CO2MJE=T\times\frac{MJ}{T}\times\frac{CO_2}{MJ}
متطابقة الانبعاثات
Tn=T0(1+g)nT_n=T_0(1+g)^n
نمو الحركة
E′=E(1−a)(1−b)E^\prime=E(1-a)(1-b)
التخفيضات المجمّعة
n2=ln⁡2ln⁡(1+g)n_2=\frac{\ln2}{\ln(1+g)}
زمن التضاعف

أمثلة محلولة خطوة بخطوة

مثال 10.1 تنمو الحركة 3% سنويًا من 2026 إلى 2050 (مثال). معامل النمو؟

اعرض الخطوات
  1. 1.03²⁴.

الإجابة: 2.03.

مثال 10.2 مع مكسب كفاءة 25%، ما الانبعاثات مقارنة باليوم؟

اعرض الخطوات
  1. 2.033 × 0.75.

الإجابة: 1.52.

مثال 10.3 أضف SAF بتوفير 50% على دورة الحياة على مستوى الأسطول.

اعرض الخطوات
  1. 1.525 × 0.5.

الإجابة: 0.762، أي لا يزال 76% من مستوى اليوم.

تمارين

حلّ كلًّا منها على الورق أولًا، ثم تحقق.

  1. زمن التضاعف عند 3%؟

    اعرض الإجابة

    23.4 عامًا.

  2. التوفير اللازم للوصول من 0.762 إلى 0؟

    اعرض الإجابة

    الباقي كله: طائرات جديدة ومزيد من SAF وإزالة الكربون.

  3. عدد السنوات من 2026 إلى 2050؟

    اعرض الإجابة

    24.

  4. ماذا يحدّ CORSIA؟

    اعرض الإجابة

    صافي CO₂ من الطيران الدولي عند مستويات 2020 حتى 2035.

مفاهيم خاطئة شائعة

  • خرافة: التخفيضات تُجمع.

    في الحقيقة: تتضاعف ضربيًا.

  • خرافة: الكفاءة وحدها تبلغ صافي الصفر.

    في الحقيقة: النمو يتجاوزها.

  • خرافة: التعويضات تخفض الانبعاثات عند المحرك.

    في الحقيقة: تعوّض في مكان آخر.

بطاقات تعليمية

  • صافي الصفر

    انبعاثات تقابلها عمليات إزالة.

  • إسفين

    شريحة من خطة تخفيض.

  • CORSIA

    مخطط التعويض التابع لـ ICAO.

  • نمو الحركة

    ارتفاع الراكب-كم.

  • الإزالة

    سحب CO₂ من الهواء.

  • السيناريو

    مجموعة متسقة من الافتراضات.

اختبار ذاتي

1. معامل النمو…

اعرض الإجابة

2.03. 1.03²⁴.

2. مع الكفاءة…

اعرض الإجابة

1.52. × 0.75.

3. مع SAF أيضًا…

اعرض الإجابة

0.762. × 0.5.

4. سنة هدف صافي الصفر…

اعرض الإجابة

2050. NASA.

كيف يساعد هذا في إنقاذ الكوكب

تذكر NASA أن Sustainable Flight National Partnership يعمل مع الصناعة والأوساط الأكاديمية والوكالات الأخرى نحو هدف قطاع الطيران بالوصول إلى صافي انبعاثات كربونية صفري بحلول 2050.

يشير DOE إلى أن مخطط CORSIA التابع لـ ICAO يحدّ صافي CO₂ من الطيران الدولي عند مستويات 2020 حتى 2035.

على Saving Planets: الحلول · Capstone Design

المصادر: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership · U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

مصادر تعلّم مجانية

العودة إلى الأعلى

المختبر (Sustainable aviation lab)

المختبر هو الجزء العملي من المقرر. وهو هنا مجاني وللتدريب فقط، دون ساعات معتمدة.

يُجرى كل مختبر في جدول بيانات أو محاكاة مجانية، فلا توجد مخاطر من الوقود أو البطاريات أو الهيدروجين. لا تتعامل مع الوقود أو البطاريات أو الغازات المضغوطة في هذا المقرر. خذ فترات راحة من الشاشة، واجلس بوضعية سليمة، وأبعد الكابلات عن الممرات.

مرجع السلامة: OSHA: Walking-working surfaces (slip, trip and fall hazards)

المختبر A: حاسبة CO₂ للرحلة

الأسبوع 1

الهدف: ابنِ جدول بيانات يحوّل الوقود المحروق إلى CO₂ وإلى CO₂ لكل راكب-كم.

m=9.75Vm=9.75V
معامل EIA

الإجراء

  1. أدخل الوقود بالغالون لثلاث رحلات مثال.
  2. احسب CO₂ بمعامل EIA البالغ 9.75 kg/gal.
  3. اقسم على الركاب × km.
  4. قارن الرحلات القصيرة والطويلة.

جدول البيانات

الوقود (gal)CO₂ (kg)
10009750
500048,750
20,000195,000

قيم نموذجية محسوبة.

مثال حسابي

  1. 5000 × 9.75 = 48,750 kg.
  2. 20,000 × 9.75 = 195,000 kg.

السلامة

  • حاسوب فقط.

بديل منزلي أو افتراضي

  • أي برنامج جداول بيانات يفي بالغرض.

U.S. EIA: Carbon dioxide emissions coefficients

الصلة بالكوكب: EIA: ‏9.75 kg من CO₂ لكل غالون من وقود الطائرات. U.S. EIA: Carbon dioxide emissions coefficients

المختبر B: L/D واستهلاك الوقود

الأسبوع 4

الهدف: لاحظ كيف تغيّر نسبة الرفع إلى السحب الوقود لرحلة 3000 km.

Wf/Wi=1−e−Rc/(V L/D)W_f/W_i=1-e^{-Rc/(V\,L/D)}
كسر الوقود

الإجراء

  1. أدخل R = 3000 km، وV = 230 m/s، وc = 0.6 /h.
  2. احسب كسر الوقود لـ L/D = 15 و17 و20.
  3. احسب التوفير مقارنة بـ L/D = 17.
  4. أضف تأثيرات نسبة الباع على السحب المستحث.

جدول البيانات

L/Dكسر الوقود
150.135
170.120
200.103

قيم نموذجية محسوبة.

مثال حسابي

  1. 1 − e^(−0.1449) = 0.135.
  2. 1 − e^(−0.1087) = 0.103.

السلامة

  • حاسوب فقط.

بديل منزلي أو افتراضي

  • أي برنامج جداول بيانات يفي بالغرض.

MIT OpenCourseWare 16.885J Aircraft Systems Engineering (Fall 2004), Lecture 8: Environmental Factors

الصلة بالكوكب: تختبر طائرة X-plane الإيضاحية لدى NASA تصميمًا ديناميكيًا هوائيًا فائق الكفاءة. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

المختبر C: مستكشف الكفاءة الدفعية

الأسبوع 5

الهدف: احسب الكفاءة الدفعية والإجمالية عبر سرعات عادم مختلفة.

ηp=2/(1+Ve/V0)\eta_p=2/(1+V_e/V_0)
كفاءة الدفع

الإجراء

  1. أدخل V₀ = 230 m/s وη_th = 0.5.
  2. احسب η_p لـ V_e = 400 و350 و300 m/s.
  3. احسب الكفاءة الإجمالية.
  4. اربطها بنسبة الالتفاف.

جدول البيانات

V_e (m/s)η_pη_o
4000.7300.365
3500.7930.397
3000.8680.434

قيم نموذجية محسوبة.

مثال حسابي

  1. 2/(1 + 350/230) = 0.793.
  2. 0.5 × 0.793 = 0.397.

السلامة

  • حاسوب فقط.

بديل منزلي أو افتراضي

  • أي برنامج جداول بيانات يفي بالغرض.

MIT OpenCourseWare 16.885J Aircraft Systems Engineering (Fall 2004), Lecture 8: Environmental Factors

الصلة بالكوكب: NASA: يطور Hybrid Thermally Efficient Core نوى توربينية عالية كثافة القدرة. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

المختبر D: حاسبة خلط SAF

الأسبوع 7

الهدف: احسب توفير دورة الحياة لخلائط وتخفيضات SAF مختلفة.

s=b×rs=b\times r
توفير الخليط

الإجراء

  1. أدخل خلائط بنسب 10% و30% و50%.
  2. أدخل تخفيضًا لـ SAF على دورة الحياة قدره 50% ثم 80%.
  3. احسب التوفير وCO₂ الموفَّر لكل 1000 غالون.
  4. قارن بأهداف Grand Challenge.

جدول البيانات

الخليطالتوفير عند r = 50%kg من CO₂ الموفَّر لكل 1000 gal
10%5%487.5
30%15%1462.5
50%25%2437.5

قيم نموذجية محسوبة.

مثال حسابي

  1. 0.3 × 0.5 = 15%.
  2. 9750 × 0.25 = 2437.5 kg.

السلامة

  • حاسوب فقط.

بديل منزلي أو افتراضي

  • أي برنامج جداول بيانات يفي بالغرض.

U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

الصلة بالكوكب: DOE: يمكن خلط SAF بنسبة 10% إلى 50% حسب المسار. U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

المختبر E: مدى الطائرة الكهربائية

الأسبوع 10

الهدف: احسب مدى الطائرة الكهربائية بالبطارية لعدة كثافات طاقة.

R=(eη/g)(L/D)(mb/m)R=(e\eta/g)(L/D)(m_b/m)
المدى الكهربائي

الإجراء

  1. أدخل η = 0.8، وL/D = 15، وكسر بطارية 0.3.
  2. احسب المدى لـ 250 و400 و500 Wh/kg.
  3. قارن بمسار إقليمي طوله 300 km.
  4. غيّر كسر البطارية.

جدول البيانات

e (Wh/kg)المدى (km)
250330
400529
500661

قيم نموذجية محسوبة.

مثال حسابي

  1. 400 × 3600 × 0.8/9.80665 × 15 × 0.3 = 529 km.
  2. 500 Wh/kg تضاعف مدى 250 Wh/kg.

السلامة

  • حاسوب فقط.

بديل منزلي أو افتراضي

  • أي برنامج جداول بيانات يفي بالغرض.

MIT OpenCourseWare 16.885J Aircraft Systems Engineering (Fall 2004), Lecture 8: Environmental Factors

الصلة بالكوكب: NASA: يمكن للدفع المكهرب خفض استهلاك الوقود والطاقة. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

المختبر F: نموذج الأسافين نحو صافي الصفر

الأسبوع 14

الهدف: استكشف الاحترار في PhET Greenhouse Effect، ثم ابنِ سيناريو طيران للفترة 2026–2050.

E=(1+g)n(1−a)(1−b)E=(1+g)^n(1-a)(1-b)
انبعاثات السيناريو

الإجراء

  1. في PhET Greenhouse Effect، أضف غازات الدفيئة ولاحظ استجابة درجة الحرارة.
  2. أدخل نمو حركة 3% لمدة 24 عامًا.
  3. طبّق مكسب كفاءة 25% وتوفير SAF بنسبة 50%.
  4. أوجد معدل النمو الذي يُبقي عنده الإجراءان الانبعاثات ثابتة.

جدول البيانات

الحالةالانبعاثات مقارنة باليوم
النمو فقط2.03
+ الكفاءة1.52
+ SAF0.762

قيم نموذجية محسوبة.

مثال حسابي

  1. 1.03²⁴ = 2.033.
  2. 2.033 × 0.75 × 0.5 = 0.762.

السلامة

  • حاسوب فقط.

بديل منزلي أو افتراضي

  • أي برنامج جداول بيانات يفي بالغرض.

PhET: Greenhouse Effect

الصلة بالكوكب: NASA: هدف قطاع الطيران هو صافي انبعاثات كربونية صفري بحلول 2050. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

العودة إلى الأعلى

مجموعات تدريب للامتحان

وقّت نفسك: نحو 10 دقائق لكل مسألة. ثم قارن بالحلول الكاملة.

مجموعة تمارين منتصف الفصل (الوحدات 1–5)

  1. CO₂ من 2000 غالون من وقود الطائرات؟

    اعرض الحل الكامل
    1. 2000 × 9.75.

    الإجابة: 19,500 kg.

  2. g من CO₂ لكل راكب-كم لـ 19500 kg و150 راكبًا و1000 km؟

    اعرض الحل الكامل
    1. 19,500,000/150,000.

    الإجابة: 130 g.

  3. كسر الوقود لـ 3000 km عند L/D = 15 (قيم الوحدة 3)؟

    اعرض الحل الكامل
    1. 1 − e^(−0.1449).

    الإجابة: 0.135.

  4. η_p لـ V₀ = 250 وV_e = 350 m/s؟

    اعرض الحل الكامل
    1. 2/(1 + 1.4).

    الإجابة: 0.833.

  5. التوفير من خليط 40% بتخفيض 70% على دورة الحياة؟

    اعرض الحل الكامل
    1. 0.4 × 0.7.

    الإجابة: 28%.

مجموعة التدريب النهائية (الوحدات 1–10)

  1. بلورات الجليد بعد خفض 60% من 10¹⁵ لكل kg؟

    اعرض الحل الكامل
    1. 10¹⁵ × 0.4.

    الإجابة: 4 × 10¹⁴ لكل kg.

  2. المدى الكهربائي مع 300 Wh/kg (قيم الوحدة 7)؟

    اعرض الحل الكامل
    1. 330.4 × 1.2.

    الإجابة: نحو 396 km.

  3. حجم الهيدروجين السائل لـ 1000 MJ؟

    اعرض الحل الكامل
    1. 1000/8.50.

    الإجابة: 118 L.

  4. ثلاثة مصادر متساوية بـ 75 dB؟

    اعرض الحل الكامل
    1. 75 + 10 log₁₀ 3.

    الإجابة: 79.8 dB.

  5. معامل النمو عند 2% لمدة 24 عامًا؟

    اعرض الحل الكامل
    1. 1.02²⁴.

    الإجابة: 1.61.

  6. الانبعاثات مقارنة باليوم مع نمو 2% وكفاءة 25% وSAF بنسبة 50%؟

    اعرض الحل الكامل
    1. 1.608 × 0.75 × 0.5.

    الإجابة: 0.603.

العودة إلى الأعلى

ورقة الصيغ

mCO2=9.75Vgal, mCO2=3.16mfm_{CO_2}=9.75V_{gal},\ m_{CO_2}=3.16m_f
CO2/pkm=mCO2/(npaxd)\text{CO}_2/\text{pkm}=m_{CO_2}/(n_{pax}d)
Wf/Wi=1−e−Rc/(V L/D), CDi=CL2/(πeAR)W_f/W_i=1-e^{-Rc/(V\,L/D)},\ C_{D_i}=C_L^2/(\pi eAR)
ηp=2/(1+Ve/V0), ηo=ηthηp\eta_p=2/(1+V_e/V_0),\ \eta_o=\eta_{th}\eta_p
s=b rs=b\,r
N=EI mf, N′=N(1−r)N=EI\,m_f,\ N^\prime=N(1-r)
R=(eη/g)(L/D)(mb/m)R=(e\eta/g)(L/D)(m_b/m)
ev=ρem, mH2O=8.94mH2e_v=\rho e_m,\ m_{H_2O}=8.94m_{H_2}
L=10log⁡10∑10Li/10, ΔL=20log⁡10(r2/r1)L=10\log_{10}\sum10^{L_i/10},\ \Delta L=20\log_{10}(r_2/r_1)
E=(1+g)n(1−a)(1−b)E=(1+g)^n(1-a)(1-b)

الثوابت

الثابتالقيمة
الجاذبية المعياريةg = 9.80665 m/s²
CO₂ وقود الطائرات (EIA)9.75 kg من CO₂ لكل غالون (21.50 lb)
القيمة الحرارية لوقود الطائرات (قيمة مرجعية)43 MJ/kg
القيمة الحرارية للهيدروجين (قيمة مرجعية)120 MJ/kg
كثافة الهيدروجين السائل (قيمة مرجعية)70.8 kg/m³
الغالون3.785411784 L

المصدر: NIST: CODATA value, standard acceleration of gravity

العودة إلى الأعلى

نصوص ومصادر مجانية

استخدم هذه المحاضرات وصفحات البيانات والمحاكاة المجانية إلى جانب المقرر.

العودة إلى الأعلى

مسرد المصطلحات

نسبة الباع
مربع الباع على مساحة الجناح.
Avgas
بنزين الطيران للمحركات المكبسية.
حد الخلط
أقصى حصة لـ SAF في وقود الطائرات.
CORSIA
مخطط ICAO لتعويض الكربون.
أثر التكاثف
أثر تكاثف من بلورات الجليد.
الديسيبل
مقياس لوغاريتمي للصوت.
الدفع المكهرب
قدرة كهربائية أو هجينة للطائرات.
معامل الانبعاث
CO₂ لكل وحدة وقود.
كثافة الطاقة
الطاقة لكل راكب-كم.
السحب المستحث
السحب الناتج عن الرفع.
انبعاثات دورة الحياة
CO₂ من البئر إلى الأثر.
الهيدروجين السائل
وقود الهيدروجين المبرد.
معامل الحمل
الركاب مقسومًا على المقاعد.
صافي الصفر
انبعاثات تقابلها عمليات إزالة.
تأثيرات غير CO₂
احترار ناتج عن آثار التكاثف وNOx والجسيمات.
راكب-كم
راكب واحد يُنقل كيلومترًا واحدًا.
كفاءة الدفع
حصة قدرة النفاث التي تنتج الدفع.
SAF
وقود الطيران المستدام.
السخام
جسيمات كربونية في العادم.
الطاقة النوعية
الطاقة لكل وحدة كتلة.

العودة إلى الأعلى

معايير التقييم الذاتي

لا تُمنح درجة ولا ساعات معتمدة. استخدم هذا لتقيّم بصدق أين أنت في كل وحدة.

المستوىكيف يبدو
4 · إتقانيحتسب تأثيرات CO₂ وغير CO₂ بوحدات وخطوط أساس صحيحة، ويدمج التخفيضات بشكل صحيح، ويشرح المفاضلات بين الخيارات بكلمات بسيطة.
3 · متمكنيحل مجموعات التمارين والاختبارات بأخطاء طفيفة ويتحقق من الوحدات.
2 · قيد التطوريتبع الأمثلة المحلولة لكنه يخلط بين CO₂ الاحتراق وCO₂ دورة الحياة أو يجمع التخفيضات بدل ضربها.
1 · مبتدئيذكر توفيرًا دون خطوط أساس أو وحدات؛ يحتاج إلى مراجعة الوحدات.

الأوزان المقترحة إذا أردت درجة

الجزءالوزن
تمارين20%
المختبرات25%
مجموعة تدريب منتصف الفصل25%
مجموعة التدريب النهائية30%

استهدف المستوى 3 أو أعلى في كل وحدة قبل الانتقال إلى الدورة التالية.

العودة إلى الأعلى

ساعد / تبرّع