راهنمای کامل طراحی هواپیما | از ایده تا ساخت و آزمایش پرواز

طراحی هواپیما از دیرباز یکی از آرزوهای محل و دست نیافتنی برای بشر بود و حال نیز جزوی از پیچیده‌ترین، هیجان‌انگیزترین و گران قیمت‌ترین عرصه‌های مهندسی به شمار می‌رود. این علم اصول مهندسی را به زیبایی به پرواز درمی‌آورد.

فرآیند طراحی هواپیما برای ایجاد تعادل در بسیاری از الزامات رقابتی و سخت برای تولید هواپیماهایی که قوی، سبک، مقرون به صرفه باشند و بتوانند محموله کافی را حمل کنند صورت می‌گیرد. این هواپیماها باید در عین حال به اندازه کافی قابل اعتماد باشند تا یک پرواز ایمن انجام گردد. طراحی یک هواپیما از عوامل مهم تعیین کننده‌ی طول عمر آن خواهد بود. مسیر طراحی یک هواپیما از فرآیندهای طراحی مهندسی معمول، دقیق‌تر است و استفاده از تکنیک‌های بسیاری را در پی خواهد داشت.

نیازها و مشخصات اولیه طراحی هواپیما

رویای پرواز به قدمت بشریت برمی‌گردد. اما تنها دو قرن است که مفهوم هواپیما وجود دارد. قبل از آن زمان، مردم علاقه‌مند به پرواز از پرندگان تقلید می‌کردند. آن‌ها بال‌هایی به نام اورنی‌هوپتر می‌ساختند که در ظاهر، طرح خوبی به نظر می‌رسید اما در مقیاس انسانی به خوبی پرندگان عمل نمی‌کرد. تاریخچه هواپیماها با اولین پرواز موفق، پایدار و با استفاده از موتور توسط برادران رایت در ۱۷ دسامبر ۱۹۰۳ آغاز گردید. این لحظه‌ای پرواز را از یک رویا به واقعیت تبدیل کرد. پس از اختراع برادران رایت، هوانوردی به سرعت تکامل یافت و منجر به پیشرفت‌هایی در طراحی هواپیما، سیستم‌های قدرت و کاربردهای دیگر آن شد.

حالا در سال 2025 و با وجود اطلاعات و هواپیماهای عظیمی که در جهان وجود دارد می‌خواهیم با نیازها و مشخصات اولیه در طراحی یک هواپیما آشنا شویم.

از جمله گام‌هایی که در تولید و طراحی یک هواپیما انجام خواهد گرفت می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• مشخص نمودن هدف
• مقررات هواپیما
• عوامل مالی و بازار
• فاکتورهای محیطی
• ایمنی

هدف

فرآیند طراحی با در نظر گرفتن هدف آغاز می‌گردد. این که چه نوع هواپیمایی را نیاز خواهیم داشت و چه استفاده‌ای برای ما دارد از اهمیت بالایی برخوردار است. هواپیماهای تجاری برای حمل محموله مسافری یا محموله، برد طولانی و بازده سوخت بیشتر طراحی شده‌اند، در حالی که جت‌های جنگنده برای انجام مانورهای سرعت بالا و پشتیبانی نزدیک از نیروهای زمینی هستند. برخی از هواپیماها مأموریت‌های خاصی دارند، به عنوان مثال، هواپیماهای آبی خاکی دارای طراحی منحصر به فردی هستند که به آن‌ها اجازه می‌دهد هم از زمین و هم از آب عملیات انجام دهد، برخی از جنگنده‌ها نیز دارای قابلیت VTOL (برخاست و فرود عمودی) هستند، هلیکوپترها هم دارای این قابلیت هستند تا از این توانایی برای شناور شدن بر روی یک منطقه برای مدت زمانی مشخص استفاده کنند.

هدف ممکن است متناسب با یک نیاز خاص نیز باشد، به عنوان مثال. مانند موردی تاریخی در مشخصات وزارت هوایی بریتانیا یا پر کردن یک "شکاف در بازار" یعنی کلاس یا طرحی از هواپیمایی که هنوز وجود ندارد اما تقاضای قابل توجهی برای آن وجود دارد.

در اینجا برخی از انواع هواپیماها را مشاهده می‌کنید:

• هواپیماهای مسافربری مانند هواپیماهای جت: مانند بوئینگ 737
• هواپیماهای توربوپراپ
• هواپیماهای باری مانند بوئینگ 747
• هواپیماهای نظامی جت‌های جنگنده F-16 و میگ-29.
• هواپیماهای شناسایی مانند U-2.
• هواپیماهای ترابری مانند C-130.
• هواپیماهای آموزشی مانند Cessna 172.
• هواپیماهای خصوصی
• پهپادها
• هواپیماهای فوق سبک

مقررات هواپیما

یکی دیگر از عوامل مهمی که بر طراحی تأثیر می‌گذارد، شرایط لازم برای اخذ گواهینامه نوع برای طراحی جدید هواپیما است. این الزامات توسط مقامات مهم ملی قابلیت پرواز از جمله اداره هوانوردی فدرال ایالات متحده و آژانس ایمنی هوانوردی اروپا منتشر شده است. بر اساس داده‌ها و اطلاعات سایت skybrary کشورهای متعهد در ICAO چارچوب‌های قانونی و استانداردهای توافق شده‌ی بین‌المللی را رعایت می‌کنند. به عنوان مثال در جدول زیر برخی الزامات صدور گواهینامه برای هواپیماهای غیرنظامی را مشاهده می‌کنید:

فرودگاه‌ها نیز ممکن است محدودیت‌هایی را برای هواپیما اعمال کنند، به عنوان مثال، حداکثر طول بال‌های مجاز برای یک هواپیمای معمولی 80 متر (260 فوت) است تا از برخورد بین هواپیما در حین تاکسی جلوگیری شود.

در برخی گزارش‌های موجود در SKYbrary آمده است که مشکل طراحی به عنوان عامل مؤثر در حادثه و سانحه‌ی هواپیمایی مطرح گردیده است:

در 8 فوریه 2022، یک بوئینگ 767-300ER که در FL340 به مقصد مادرید در حال پرواز بود، دچار نقص در کنترل فشار خودکار گردید و تقریباً سه ساعت بعد، کنترل دستی نیز از کار افتاد و ارتفاع کابین به سرعت افزایش پیدا کرد و وضعیت اضطراری اعلام شد. پرواز بدون تکرار انجام شد. علت نقص، نشت آب از لوله‌ای با گیره شکسته بود که هنگام یخ زدن، دریچه‌های دریچه خروجی تهویه مطبوع را مسدود کرده بود. عناصری از طراحی سیستم، الزامات نگهداری برنامه‌ریزی شده و تشخیص خطا به عنوان عوامل مؤثر شناسایی شدند. این نمونه‌ای از مسائل دخیل در طراحی بودند که به رعایت مقررات هواپیمایی تاکید دارد.

عوامل مالی و بازار

مسائل مربوط به بودجه، الزامات بازار و رقابت، محدودیت‌هایی را در فرآیند طراحی ایجاد می‌کنند و تأثیرات غیرفنی بر طراحی هواپیما همراه با عوامل محیطی را شامل می‌شوند. رقابت منجر به تلاش شرکت‌ها برای کارایی بهتر در طراحی بدون به خطر انداختن عملکرد و ترکیب تکنیک‌ها و فناوری جدید می‌شود. در دهه‌های 1950 و 1960، اهداف و پروژه‌های دست نیافتنی به طور مرتب تعیین گردیدند اما پس از آن کنار گذاشته می‌شدند، در حالی که امروزه برنامه‌هایی مانند بوئینگ 787 و لاکهید مارتین F-35 که مشکل‌دار به نظر می‌رسیدند و بسیار پرهزینه‌تر و پیچیده‌تر بودند توسعه پیداکرده اند. برای طراحی یک هواپیما به طرح مالی نیاز خواهیم داشت تا مدیریت هزینه‌ها در یک چارچوب خاص صورت گیرد:

• برآورد هزینه
• تحلیل سودآوری
• مدیریت ریسک
• منابع تأمین مالی
• تخصیص بودجه
• بازده سرمایه‌گذاری (ROI)
• پیش‌بینی مالی

فاکتورهای محیطی

افزایش تعداد هواپیماها به معنای انتشار کربن بیشتر خواهد بود. دانشمندان محیط زیست نگرانی خود را در مورد انواع اصلی آلودگی‌های مرتبط با هواپیما که عمدتا شامل صدا و انتشار گازهای گلخانه‌ای است ابراز نموده‌اند. موتورهای هواپیما از لحاظ تاریخی به دلیل ایجاد آلودگی صوتی بد نام بوده و گسترش راه‌های هوایی بر روی شهرهای شلوغ و آلوده نیز، انتقادات زیادی را برانگیخته است. در این مورد لازم است سیاست‌های زیست‌محیطی برای نویز حاصله از هواپیما وجود داشته باشد. این سر و صدا نیز از بدنه هواپیما یعنی جایی که جهت جریان هوا تغییر می‌کند، ایجاد می‌شود.

با بهبود مقررات نویز، طراحان مجبور به ایجاد موتورها و بدنه‌های هوایی آرام‌تر گردیدند. موادی که از سوخت هواپیما باقی می‌ماند عبارتند از:

• ذرات دی‌اکسید کربن (CO2)
• دی‌اکسید گوگرد (SO2)
• مونوکسید کربن (CO)
• اکسیدهای مختلف نیترات
• هیدروکربن‌های نسوخته

 برای مبارزه با آلودگی، ایکائو در سال 1981 توصیه‌هایی را برای کنترل انتشار گازهای گلخانه‌ای هواپیما تنظیم کرد. سوخت‌های جدیدتر و سازگار با محیط زیست توسعه یافتند و استفاده از مواد قابل بازیافت در تولید نیز به کاهش اثرات زیست‌محیطی ناشی از هواپیما کمک کرد.

ایمنی

در سفرهای هوایی تهدیدهای بسیاری وجود دارد که ایمنی آن‌ها از مهم‌ترین موارد در هر پرواز به شمار می‌رود:

• سرعت بالا
• مخازن سوخت
• شرایط جوی در ارتفاعات
• خطرات طبیعی (رعد و برق، تگرگ و برخورد پرندگان)
• خطای انسانی
• طراحی هواپیما
• هواپیماربایی

اکثر انتقادات طراحی این روزها مربوط به تصادفات است. حتی با بیشترین توجه به قابلیت پرواز، حوادث همچنان رخ می‌دهند. قابلیت تصادف، ارزیابی کیفی چگونگی زنده ماندن هواپیما از یک حادثه است. هدف اصلی محافظت از مسافران یا محموله‌های با ارزش از آسیب‌های ناشی از تصادف است. در مورد هواپیماهای مسافربری، پوسته تحت فشار بدنه این ویژگی را فراهم می‌کند اما در صورت برخورد دماغه یا دم، گشتاورهای خمشی زیادی در تمام طول بدنه ایجاد می‌شود که باعث شکستگی در پوسته می‌شود و باعث شکسته شدن بدنه می‌شود. بنابراین هواپیمای مسافربری به گونه‌ای طراحی می‌شود که ترتیب صندلی‌ها دور از مناطقی باشد که احتمال نفوذ در تصادف وجود دارد.

از جمله امکاناتی که برای تامین ایمنی مسافران وجود دارد می‌توان موارد زیر را برشمرد:

• ماسک‌های اکسیژن
• محفظه چمدان‌های قابل قفل
• کمربند ایمنی
• جلیقه نجات
• درب‌های اضطراری
• نوارهای نورانی طبقات

برخی هواپیماها نیز با در نظر گرفتن فرود اضطراری آب طراحی می‌شوند برای مثال ایرباس A330 دارای یک سوئیچ 'ditching' است که دریچه‌ها و منافذ زیر هواپیما را می‌بندد و ورود آب را کند می‌کند.

طراحی هواپیما

چنانچه قصد طراحی یک هواپیمای کوچک تک موتوره را دارید و یا یک ایرباس عظیم باید از سه فاز طراحی یک هواپیما گذر کنید. هواپیماها در یک فرآیند سه مرحله‌ای طراحی می‌شوند.

• طراحی اولیه
• طراحی مفهومی
• طراحی جزئیات

طراحی مفهومی

اولین مرحله طراحی هواپیما، طراحی مفهومی است. این همان آغاز فرآیند طراحی است که در آن طرح‌های اولیه با توجه به پیکربندی‌های هواپیما ایجاد می‌شوند. طراحی مفهومی هواپیما مشخصات طراحی مورد نیاز را برآورده می‌نماید. با ترسیم مجموعه‌ای از پیکربندی‌ها، طراحان به دنبال دستیابی به طراحی خواهند بود که به طور رضایت‌بخشی همه الزامات زیر را برآورده ‌کند:

• آیرودینامیک
• نیروی محرکه
• عملکرد پرواز
• ساختار و سیستم‌های کنترل

جنبه‌های اساسی محدودیت‌های طراحی زیر نیز همگی در این مرحله تعیین می‌شوند:

• شکل بدنه
• پیکربندی مکان بال
• اندازه و نوع موتور

موارد ذکر شده در بالا همگی در این مرحله در نظر گرفته می‌شوند. محصول نهایی از یک طرح مفهومی، پیکربندی هواپیما بر روی کاغذ یا صفحه کامپیوتر است که باید توسط مهندسان و دیگر طراحان بررسی شود.

طراحی اولیه

در مرحله طراحی مفهومی، پیکربندی طراحی به دست آمد سپس بهینه‌سازی و بازسازی انجام می‌شود تا با پارامترهای طراحی متناسب گردد. در این مرحله موارد زیر انجام می‌گردد:

• آزمایش تونل باد
• محاسبات دینامیکی سیالات
• محاسباتی میدان جریان اطراف هواپیما
• تجزیه و تحلیل ساختاری و کنترلی
• ایرادات آیرودینامیکی
• اصلاح ناپایداری‌های سازه‌ای
• ترسیم طرح نهایی

سپس پس از نهایی شدن طراحی، تصمیم کلیدی با سازنده یا فردی است که آن را طراحی می‌کند که آیا واقعاً تولید هواپیما را ادامه دهد. در این مرحله چندین طرح اگرچه کاملاً قابلیت پرواز و عملکرد را داشتند، ممکن بود به دلیل اقتصادی غیرقابل تحمل بودن از تولید منصرف شوند.

طراحی جزئیات

آخرین مرحله، کم‌اهمیت‌ترین مرحله نخواهد بود. این مرحله صرفاً به جنبه ساخت هواپیما با توجه به جزییات هواپیماهای تولید شده می‌پردازد. تعداد، طرح و محل دنده‌ها، اسپارها، مقاطع و سایر عناصر ساختاری را تعیین می‌کند. تمام جنبه‌های آیرودینامیکی، ساختاری، پیشرانه، کنترل و عملکرد قبلاً در مرحله طراحی اولیه پوشش داده شده است و فقط ساخت آن باقی مانده است. شبیه‌سازهای پرواز برای هواپیما نیز در این مرحله توسعه یافته است.

جنبه‌های طراحی

موارد اصولی و فنی بسیاری وجود دارند که باید در طراحی هواپیما در نظر بگیریم. رعایت این موارد با تبعیت از استانداردهای بین المللی مقدور خواهد بود. جنبه‌های اصلی طراحی هواپیما عبارتند از:

طراحی هواپیما به کمک کامپیوتر

در سال‌های اولیه طراحی هواپیما، طراحان عموماً از تئوری تحلیلی برای انجام محاسبات مهندسی مختلف که در فرآیند طراحی همراه با آزمایش‌های فراوان انجام می‌شوند، استفاده می‌کردند. در حال حاضر با به وجود آمدن نرم افزارهای طراحی مخصوص هواپیما و فضاپیماها شما می‌توانید یک مهندس طراح باشید. قابل توجه است که در صنعت هوافضا، طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) یکی از مهم‌ترین مراحل و پردرآمدترین مشاغل محسوب می‌گردد. شما با یادگیری این نرم افزارها می‌توانید با استفاده از نرم‌افزارهای پیشرفته به ایجاد مدل‌های سه‌بعدی و شبیه‌سازی عملکرد هواپیماها دست پیدا کنید. تکنولوژی CAD، می‌تواند طراحی‌های پیچیده را به‌راحتی مدیریت نموده، تغییرات را سریعاً اعمال کند. امروزه یادگیری نرم‌افزارهای تخصصی هوافضا برای ورود به بازار کار این رشته ضروری است. اگر به دنبال لیستی از کاربردی‌ترین ابزارها هستید، مقاله آموزش نرم‌افزارهای مهندسی هوافضا (x نرم‌افزار کاربردی) می‌تواند راهنمای مناسبی برای شما باشد.

شما با شرکت در گروه آموزشی پارس پژوهان در دپارتمان هوافضا می‌توانید یادگیری را در کوتاه‌ترین زمان ممکن میسر سازید و به بازار کار مربوطه وارد شوید. در ادامه برخی از مهم‌ترین دوره‌های این مجموعه را مشاهده می‌نمایید:

• دوره آموزش تحلیل موتور توربینی با GasTurb 
• دوره آموزش خلبانی پهپاد مولتی روتور
• دوره آموزش پایتون مقدماتی 
• دوره آموزش کتیا مقدماتی

جمع بندی

طراحی و تولید یک هواپیما همیشه قدمی بزرگ برای جوامع مهندسی بوده و از آرزوهای بشریت از دیرباز به شمار می‌رود. حال با پیشرفت علم مهندسی می‌توان به این آرزو دست پیدا کرد و همچنین می‌توان با رعایت استانداردها و قوانین سخت‌گیرانه‌ی آن تضمین کننده‌ی ایمنی و سلامت سرنشینان نیز بود. با فراگیری صحیح اصول و انجام آن‌ها می‌توان قدم بزرگی را در صنعت هوافضا برداشت و مسیر تبدیل شدن به یک طراح حرفه‌ای را گام به گام پیمود. 

نویسنده: صالحه علی پور، کارشناس ارشد مهندسی پزشکی