فرآیند طراحی یک هواپیما

فرآیند طراحی هواپیما یک روش کاملاً تعریف شده است که برای ایجاد تعادل در بسیاری از الزامات رقابتی و سخت برای تولید هواپیمایی که قوی، سبک، مقرون به صرفه است و می تواند محموله کافی را حمل کند و در عین حال به اندازه کافی قابل اعتماد برای پرواز ایمن در طول عمر طراحی هواپیما باشد، استفاده می شود. مشابه، اما دقیق‌تر از فرآیند طراحی مهندسی معمول، این تکنیک بسیار تکراری است، که شامل معاوضه‌های پیکربندی سطح بالا، ترکیبی از تجزیه و تحلیل و آزمایش و بررسی دقیق کفایت هر بخش از سازه است. برای برخی از انواع هواپیما، فرآیند طراحی توسط مقامات (آتوریتی) قابلیت پرواز غیرنظامی تنظیم می شود.

محدودیت های طراحی

هدف

فرآیند طراحی با هدف مورد نظر هواپیما شروع می شود. هواپیماهای تجاری برای حمل محموله مسافری یا محموله، برد طولانی و بازده سوخت بیشتر طراحی شده اند، در حالی که جت های جنگنده برای انجام مانورهای سرعت بالا و پشتیبانی نزدیک از نیروهای زمینی طراحی شده اند. برخی از هواپیماها مأموریت های خاصی دارند، به عنوان مثال، هواپیماهای آبی خاکی دارای طراحی منحصر به فردی هستند که به آنها اجازه می دهد هم از زمین و هم از آب عملیات کنند، برخی از جنگنده ها دارای قابلیت VTOL (برخاست و فرود عمودی) هستند، هلیکوپترها دارای این قابلیت هستند. توانایی شناور شدن بر روی یک منطقه برای مدت زمانی مشخص. هدف ممکن است متناسب با یک نیاز خاص باشد، به عنوان مثال. مانند مورد تاریخی مشخصات وزارت هوایی بریتانیا، یا پر کردن یک "شکاف در بازار" یعنی کلاس یا طرحی از هواپیما که هنوز وجود ندارد، اما تقاضای قابل توجهی برای آن وجود دارد.

مقررات هواپیما

یکی دیگر از عوامل مهمی که بر طراحی تأثیر می گذارد، 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.

فرودگاه ها همچنین ممکن است محدودیت هایی 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.

عوامل مالی و بازار

محدودیت‌های 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 پروژه‌های دست نیافتنی به طور مرتب تعیین می‌شد، اما پس از آن کنار گذاشته می‌شد، در حالی که امروزه برنامه‌های مشکل‌دار مانند بوئینگ 787 و لاکهید مارتین F-35 بسیار پرهزینه‌تر و پیچیده‌تر از آنچه انتظار می‌رفت توسعه یافته‌اند. ابزارهای طراحی پیشرفته و یکپارچه تری توسعه یافته اند. مهندسی سیستم های مبتنی بر مدل، تعاملات بالقوه مشکل ساز را پیش بینی می کند، در حالی که تجزیه و تحلیل محاسباتی و بهینه سازی به طراحان اجازه می دهد تا گزینه های بیشتری را در مراحل اولیه بررسی کنند. افزایش اتوماسیون در مهندسی و تولید امکان توسعه سریعتر و ارزانتر را فراهم می کند. پیشرفت های فناوری از مواد تا ساخت، تغییرات طراحی پیچیده تری مانند قطعات چند منظوره را ممکن می سازد. زمانی طراحی یا ساخت آنها غیرممکن بود، اکنون می‌توان آنها را به صورت سه بعدی پرینت کرد. ایرباس و بوئینگ نیز محدودیت‌های اقتصادی را تشخیص می‌دهند که نسل بعدی هواپیماهای مسافربری نمی‌تواند بیش از هواپیماهای قبلی هزینه داشته باشد.

فاکتورهای محیطی

افزایش تعداد هواپیماها همچنین به معنای انتشار کربن بیشتر است. دانشمندان محیط زیست نگرانی خود را در مورد انواع اصلی آلودگی های مرتبط با هواپیما، عمدتاً صدا و انتشار گازهای گلخانه ای ابراز کرده اند. موتورهای هواپیما از لحاظ تاریخی به دلیل ایجاد آلودگی صوتی بدنام بوده اند و گسترش راه های هوایی بر روی شهرهایی که قبلاً شلوغ و آلوده شده اند، انتقادات زیادی را برانگیخته است، و لازم است سیاست های زیست محیطی برای سر و صدای هواپیما وجود داشته باشد.[7][8] سر و صدا نیز از بدنه هواپیما، جایی که جهت جریان هوا تغییر می کند، ایجاد می شود. بهبود مقررات نویز، طراحان را مجبور به ایجاد موتورها و بدنه‌های هوای آرام‌تر کرده است.[10] انتشارات از هواپیما شامل ذرات، دی اکسید کربن (CO2)، دی اکسید گوگرد (SO2)، مونوکسید کربن (CO)، اکسیدهای مختلف نیترات و هیدروکربن های نسوخته است.[11] برای مبارزه با آلودگی، ایکائو در سال 1981 توصیه هایی را برای کنترل انتشار گازهای گلخانه ای هواپیما تنظیم کرد.[12] سوخت های جدیدتر و سازگار با محیط زیست توسعه یافته اند [13] و استفاده از مواد قابل بازیافت در تولید به کاهش اثرات زیست محیطی ناشی از هواپیما کمک کرده است. محدودیت های محیطی نیز بر سازگاری فرودگاه تأثیر می گذارد. فرودگاه های سراسر جهان متناسب با توپوگرافی منطقه خاص ساخته شده اند. محدودیت های فضا، طراحی روسازی، مناطق ایمنی انتهای باند و موقعیت منحصر به فرد فرودگاه از جمله عوامل فرودگاهی هستند که بر طراحی هواپیما تأثیر می گذارند. با این حال، تغییرات در طراحی هواپیما بر طراحی فرودگاه نیز تأثیر می گذارد، به عنوان مثال، معرفی اخیر هواپیماهای بزرگ جدید (NLA) مانند ایرباس A380 سوپرجامبو، منجر به طراحی مجدد فرودگاه ها در سراسر جهان برای تطابق با اندازه بزرگ و نیازهای خدماتی آن شده است.

ایمنی

سرعت بالا، مخازن سوخت، شرایط جوی در ارتفاعات ، خطرات طبیعی (رعد و برق، تگرگ و برخورد پرندگان) و خطای انسانی برخی از خطرات بسیاری هستند که تهدیدی برای سفرهای هوایی هستند.

قابلیت پرواز استانداردی است که براساس آن هواپیما برای پرواز مناسب تشخیص داده می شود. مسئولیت صلاحیت پرواز بر عهده نهادهای نظارتی ملی هوانوردی غیرنظامی، سازندگان، و همچنین مالکان و اپراتورها است.

اکثر انتقادات طراحی این روزها بر اساس قابلیت تصادف است. حتی با بیشترین توجه به قابلیت پرواز، حوادث همچنان رخ می دهد. قابلیت تصادف، ارزیابی کیفی چگونگی زنده ماندن هواپیما از یک حادثه است. هدف اصلی محافظت از مسافران یا محموله های با ارزش از آسیب های ناشی از تصادف است. در مورد هواپیماهای مسافربری، پوست تحت فشار بدنه این ویژگی را فراهم می کند، اما در صورت برخورد دماغه یا دم، گشتاورهای خمشی زیادی در تمام طول بدنه ایجاد می شود که باعث شکستگی در پوسته می شود و باعث شکسته شدن بدنه می شود. بنابراین هواپیمای مسافربری به گونه‌ای طراحی می‌شود که ترتیب صندلی‌ها دور از مناطقی باشد که احتمال نفوذ در تصادف وجود دارد، مانند نزدیکی پروانه، ناسل موتور و غیره. داخل کابین همچنین دارای ویژگی‌های ایمنی مانند ماسک‌های اکسیژن است که در صورت کاهش فشار کابین پایین می‌آیند، محفظه چمدان‌های قابل قفل، کمربند ایمنی، جلیقه نجات، درب‌های اضطراری و نوارهای نورانی طبقه. هواپیماها گاهی اوقات با در نظر گرفتن فرود اضطراری آب طراحی می شوند، برای مثال ایرباس A330 دارای یک سوئیچ 'ditching' است که دریچه ها و منافذ زیر هواپیما را می بندد و ورود آب را کند می کند.

بهینه سازی طراحی

طراحان هواپیما معمولاً طرح اولیه را با در نظر گرفتن تمام محدودیت‌های طراحی آن‌ها تقریبی می‌کنند. از نظر تاریخی، تیم‌های طراحی کوچک بودند، معمولاً توسط یک طراح ارشد که همه الزامات و اهداف طراحی را می‌دانست و تیم را بر اساس آن هماهنگ می‌کرد، رهبری می‌شد. با گذشت زمان، پیچیدگی هواپیماهای نظامی و هواپیمایی نیز افزایش یافت. پروژه های مدرن نظامی و طراحی خطوط هوایی در مقیاس بزرگی هستند که هر جنبه طراحی توسط تیم های مختلف مورد بررسی قرار می گیرد و سپس گرد هم می آیند. در هوانوردی عمومی تعداد زیادی از هواپیماهای سبک توسط علاقمندان و علاقمندان آماتور طراحی و ساخته می شوند.

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. این محاسبات کار فشرده و زمان بر بود. در دهه 1940، چندین مهندس شروع به جستجوی راه‌هایی برای خودکارسازی و ساده‌سازی فرآیند محاسبات کردند و بسیاری از روابط و فرمول‌های نیمه تجربی توسعه یافتند. حتی پس از ساده سازی، محاسبات همچنان گسترده بود. با اختراع کامپیوتر، مهندسان متوجه شدند که اکثر محاسبات می توانند خودکار باشند، اما عدم تجسم طراحی و حجم عظیمی از آزمایش های موجود، زمینه طراحی هواپیما را راکد نگه داشت. با ظهور زبان های برنامه نویسی، مهندسان اکنون می توانند بنویسند

با ظهور زبان های برنامه نویسی، مهندسان اکنون می توانند برنامه هایی بنویسند که برای طراحی یک هواپیما طراحی شده بودند. در ابتدا این کار با کامپیوترهای مرکزی انجام می شد و از زبان های برنامه نویسی سطح پایین استفاده می شد که کاربر را ملزم به تسلط کامل به زبان و شناخت معماری کامپیوتر می کرد. با معرفی رایانه‌های شخصی، برنامه‌های طراحی از رویکرد کاربرپسندتری استفاده کردند.

جنبه های طراحی

جنبه های اصلی طراحی هواپیما عبارتند از:

1.آیرودینامیک

2.نیروی محرکه (پیشران)

3.کنترل ها

4.جرم

5.ساختار

6.تمام طراحی های هواپیما شامل مصالحه این عوامل برای دستیابی به ماموریت طراحی است.

فرآیند طراحی و شبیه سازی

طراحی هر هواپیما در سه مرحله شروع می شود

طراحی مفهومی

طراحی مفهومی هواپیما شامل ترسیم انواع پیکربندی های ممکن است که مشخصات طراحی مورد نیاز را برآورده می کند. با ترسیم مجموعه‌ای از پیکربندی‌ها، طراحان به دنبال دستیابی به پیکربندی طراحی هستند که به طور رضایت‌بخشی همه الزامات را برآورده می‌کند و همچنین با عواملی مانند آیرودینامیک، نیروی محرکه، عملکرد پرواز، ساختار و سیستم‌های کنترل همراه است. به این بهینه سازی طراحی می گویند. جنبه های اساسی مانند شکل بدنه، پیکربندی و مکان بال، اندازه و نوع موتور همگی در این مرحله تعیین می شوند. محدودیت‌های طراحی مانند موارد ذکر شده در بالا همگی در این مرحله در نظر گرفته می‌شوند. محصول نهایی یک طرح مفهومی از پیکربندی هواپیما بر روی کاغذ یا صفحه کامپیوتر است که باید توسط مهندسان و دیگر طراحان بررسی شود.

مرحله طراحی اولیه

پیکربندی طراحی که در مرحله طراحی مفهومی به دست آمد، سپس بهینه‌سازی و بازسازی می‌شود تا با پارامترهای طراحی متناسب شود. در این مرحله آزمایش تونل باد و محاسبات دینامیکی سیالات محاسباتی میدان جریان اطراف هواپیما انجام می شود. تجزیه و تحلیل ساختاری و کنترلی عمده نیز در این مرحله انجام می شود. ایرادات آیرودینامیکی و ناپایداری های سازه ای در صورت وجود اصلاح شده و طرح نهایی ترسیم و نهایی می شود. سپس پس از نهایی شدن طراحی، تصمیم کلیدی با سازنده یا فردی است که آن را طراحی می کند 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.

مرحله طراحی جزئیات

این مرحله صرفاً به جنبه ساخت هواپیمای تولید شده می پردازد. تعداد، طرح و محل دنده ها، اسپارها، مقاطع و سایر عناصر ساختاری را تعیین می کند. تمام جنبه های آیرودینامیکی، ساختاری، پیشرانه، کنترل و عملکرد قبلاً در مرحله طراحی اولیه پوشش داده شده است و فقط ساخت آن باقی مانده است. شبیه سازهای پرواز برای هواپیما نیز در این مرحله توسعه یافته است.

تاخیر

برخی از هواپیماهای تجاری با تاخیرهای قابل توجهی در برنامه و افزایش هزینه ها در مرحله توسعه مواجه شده اند. نمونه هایی از این موارد عبارتند از: بوئینگ 787 دریم لاینر با 4 سال تاخیر با هزینه های گزاف، بوئینگ 747-8 با تاخیر دو ساله، ایرباس A380 با تاخیر دو ساله و 6.1 میلیارد دلار هزینه بیش از حد، ایرباس. A350 با تاخیر و افزایش هزینه، Bombardier C Series، Global 7000 و 8000، Comac C919 با چهار سال تاخیر و Mitsubishi Regional Jet که با چهار سال تاخیر عرضه شد.

نرم افزار های مرتبط با مدلسازی هواپیما

1.Catia مقدماتی

2.CATIA پیشرفته

در موسسه آموزشی  پارس پژوهان دوره‌های نرم افزاری متعددی برای مدل سازی و طراحی نرم افزاری اجسام به شکل مقدماتی و پیشرفته برگزار می گردد. نرم افزارهای معروفی مثل سالیدورکز، کتیا، زیمنس و اینورتور با قابلیت فوق العاده CAD نیازهای طراحان برای طراحی و تحلیل های کامپیوتری را فراهم می کنند. برای دیدن اطلاعات آنها اینجا کلیک کنید