سازه از ابتدا تا حال | هوافضای جوان

سازه از ابتدا تا حال

در این درس قصد داریم در مورد روند توسعه سازه ها در مهندسی هوافضا براتون صحبت کنیم… سازه مهمترین بخش هر جسم یا وسیله مهندسی بشمار میره، همونطور که در درس قبل با هم مرور کردیم، سازه هر جسم مجموعه از اجزاء فلزی یا غیر فلزیه مختلف هست که به صورت منظم در کنار هم قرار گرفته وظیفه شکل دادن به جسم یا وسیله و تحمل نیروهای داخلی و خارجی وارده رو به عهده داره. بشر از ابتدا با توجه به نیازهایی که داشت به سراغ ساخت سازه های مختلفی رفت و همواره به دنبال ساخت سازه های بسیار محکم و با عمر طولانی بود. اولین سازه ها عموما با چوب ساخته می شدن چون چوب دارای ویژگی های مهمی چون در دسترس بودن، وزن مناسب، استحکام مناسب و از همه مهمتر شکل پذیری بود. بعد ها با استفاده انواع فلزات و ساخت مواد غیر فلزی، به تدریج جنس و شکل سازه ها در قرن ۲۰ دستخوش تغییر شد و با اختراع موتورهای پیستونی و استفاده از آن در هواپیماهای مختلف، چالش وزن بسیار کم حل شد و سازه های وسایل پرنده سنگین تر از هوا که با مواد فلزی و غیر فلزی ساخته می شدند براحتی قادر بودند پرواز کنن و مانورهای مختلف انجام دهند در ادامه این درس روند توسعه سازه هواپیماها رو در دوره های  زمانی مختلف با هم بررسی می کنیم…

Untitled

پیش از جنگ جهانی اول (اوایل قرن ۲۰)

همونطور که می دونید، اولین هواپیماها موتور نداشتن و فقط از بال و یک سازه مختصر ساخته شده بودن این هواپیماها برای پرواز بروی یک تپه یا بلندی می رفتن و سپس به پرواز در میومدن . طراحان این هواپیماهای اولیه می دونستن که پرندشون باید وزن بسیار سبکی داشته باشه تا در هوا بیشتر بمونه. به همین خاطر از چوب و پارچه و ریسمان برای ساختش استفاده می کردن.

1896-Chanute-Herring-Glider

اما بعدها با پیشرفت دانش مهندسی در آن زمانها، فلز هم به سازه هواپیماها اضافه شد. و میله ها و سیم های فلزی مختلفی در سازه بال و بنده هواپیما بکار گرفته شد. البته هنوز از پارچه به عنوان روکش استفاده می کردن، چون جایگزین مناسب بجای پارچه پیدا نکرده بودن.

Orville_Wright&flyer1909

در دهه نخستین قرن ۲۰ پیشرفت های زیادی در طراحی و ساخت هواپیما به وجود آمد. مهندسان در آن زمانها به کاربردهای هوایپما از جمله کاربرد نظامی پی برده بودن و در تلاش بودن که هواپیماهایی خوب، قابل کنترل و قابل اطمینان طراحی کنند که سازه محکمی داشته باشه. به طور دقیق تر آنها پی برده بودن که ویژگی اصلی انتخاب یک ماده در سازه هواپیما، بالا بودن نسبت بار قابل حمل به ابعادشه. با توجه به قدرت موتور متداول آن زمان، سازه روکش پارچه ای روی اسکلت چوبی که توسط سیم محکم شده بود، تنها سازه ای بود که میشه انتظار پرواز از آن داشت. آنها از از چوب اسپراس یا زبان گنجشک برای سازه استفاده می کردن جالبه بدونید روکش های پارچه رو برای اینکه حالت خشک به خودش بگیره به ماده خشک کننده دوپ آغشته می کردن.

به طور دقیق تر هواپیماهای اولیه نسبت به انداره خود بار روی سازه و سرعت پایینی داشتن. متوسط بار روی بال یا وزن بروی بروی مساحت بال (W/S) در حدود ۲۰ الی ۲۵ کیلوگرم بر متر مربع بود یعنی اینکه یک تکه بال با مساحت بال یک متر مربع قادر بود بین ۲۰ تا ۲۵ کیلوگرم نیرو یا وزن را تحمل کند. در این صورت منطق حکم می کرد که در سازه بال، نیروهای فشاری را روی چند قطعه میله ای شکل که درون بال قرار داشت وارد کرده و نیروی های کششی را در سیم و پارچه روکش پخش کنند. همچنید در سازه بدنه این هواپیماها از سازه خرپا شکل استفاد می شد. این نوع طراحی در هواپیماهای جنگی آن زمانها بسیار مورد استفاده قرار می گرفت.

جنگ جهانی اول و پس از آن

با توجه به اینکه هواپیما در آسمان معلق است شتاب جاذبه در حین انجام مانورهای مختلف به آن وارد میشه و باعث میشد سازه باد به طور ناگهانی بشکند البته این قضیه بیشتر برای هواپیماهای جنگنده وجود داشت. مهندسان فهمیدن باید سازه ها مستحکم تری طراحی کنن. آنها برای تست استحکام نیروی های استاتیک، از کیسه های شن و یا سرب بروی سازه بال هواپیما استفاده می کردن و به این نتیجه رسیدن که حتما باید از سازه فلزی سبک استفاده کنن.

 تغییر روش ساخت به صورت هواپیمای تمام فلزی برای اولین بار در آلمان و از سال ۱۹۱۴ آغاز شد. البته در هواپیماهای غیر نظامی و غیر مانوری که در اواخر سالهای جنگ جهانی اول در حال طراحی و توسعه بود همین چالش ها وجود داشت. جالبه بدونید در سال ۱۹۲۴ وزارت هواپیمایی برتانیا اعلام کرد که تمامی جنگنده های جدید نیروی هوایی باید دارای سازه اولیه فلزی باشد.

Sopwith-Camel

800px-RAF_Sopwith_Camel

handley_hp-42

در اوخر دهه ۱۹۲۰، حداکثر سرعت هواپیماها رو به افزایش گذاشته و به دنبال آن بار روی سازه نیز زیاد شد. مهندسان متوجه شدند جهت به حداقل رساندن پسا یا نیروی مقاوم به حرکت، باید سطح هواپیما صاف و در حد امکان صیقلی بشه، برای همین پوشش خارجی منطقا باید از ورق فلزی استفاده می شد. اما چون ورق فلزی وزن نسبتا زیادی داشت، برای جبران وزن اضافه شده که یک عامل منفی بحساب میومد، تصمیم گرفتن بخشی از نیروی وارده به هواپیما را در این ورقه ها هم توزیع کنند. یعنی برای پوسته فلزی دوتا وظیفه مجزا تعریف کردند که اولی ایجاد سطح صیقلی و دومی تحمل بخشی از نیروهای خاص.

تغییر در روش ساخت که در قسمت های قبل اشاره کردیم، باعث تغییر درصد وزنی قسمت های مختلف هواپیما نسبت به وزن کل هواپیما نشد. اگرچه بال فلزی ساخته شده در دهه ۱۹۳۰ بسیار سنگین تر از بال چوبی بار روکش پارچه های دوره های قبل بود، ولی لزوما درصد وزنی تغییر نکرده بود. برای مثال، بال چوبی به طور متوسط وزنی برابر با ۵ کیلوگرم در هر متر مربع داشت و بار یا نیروی های وارد به سطح بال (W/S) 30 الی ۵۰ کیلوگرم بر مترمکعب بود ولی هر متر مربع بال فلزی به طور متوسط ۱۰ الی ۱۵ کیلوگرم وزن داشت در حالی که بار یا نیروی قابل تحملش آن بسیار بالاتر از حالت چوبی بود. لذا درصد وزن سازه بال به وزن کل بدون تغییر ماند یعنی اگر حالت چوبی، بال ۴/۱ وزن کل هواپیما را داشت در حالت فلزی نیز همین  نسبت باقی مانده بود ولی میزان سختی و استحکام و نیروی قابل تحمل به شدت بالا رفته بود.

Hawker-Hurricane     Hawker-Hurricane-Wing

Capture

جنگ های جهانی دوم و پس از آن

افزایش سرعت هواپیما با تغییر شکل برخی از قسمت های هواپیما از جمله مقطع بال یا ایرفویل همراه بود همچنین تغییرات دیگری مثل قرارگیری سوخت در بال ها مطرح شد که همه اینها در مجموع باعث تغییرات طراحی سازه و سامانه های مربوطه هواپیما شد اما هنوز اصول اولیه حفظ شده بود. در این سالهای توجه مهندسان به ساخت هواپیماهای مسافربری بیشتر جلب شد. هواپیماهای بزرگتر نیاز به سازه های بزرگی داشتن که علاوه بر وزن خودشان و نیروهای استاتیکی و دینامیکی می بایست وزن مسافرین را هم تحمل میکردن در این هواپیماها دیگر از سازه های ابتدایی مانند چوب خبری نبود و انواع فلزات و آلیاژ ها به خوبی در سازه این هواپیماها بکارگرفته شد.

dc3pic   download

عصر جت و سازه های امروزی

همونطور که می دونید طراحی هواپیما و سایر وسایل پرنده  مانند سایر وسایل نقلیه یک سیر تکاملی را داشته. ورود گام به گام دانش ها و فناوری جدید باعث شده تا هواپیماهای جدید تری نیز معرفی بشه. یکی از این فناوری ها ورود موتورهای جت بود که تحول بزرگی را در هوافضا به همراه داشت که از آن به عنوان عصر جت یاد میشه. بکارگیری آلومینیوم، فولاد و بسیاری از فلزات و آلیاژهای دیگر و بعدها مواد مرکب یا کامپوزیتها، قابلیت های سازه ای هواپیما و سایر وسایل پرنده مثل بالگردها و موشک ها را بسیار بالا برد. در این دوره طراحی ها سازه شکل های پیچیده ای به خود گرفت. البته این پیچیدگی ها چالش های جدیدی را هم ایجاد می کرد.

A400m

به طور مثال هواپیماهای بوئینگ ۷۴۷ وزنی در حدود ۴۰۰ هزار کیلوگرم دارد که بال هواپیما لازمه تا نیروی بیش از این مقدار را تولید کند تا این هواپیما به پرواز درآید حال خود بال تحت تاثیر نیروهای مختلفی مثل وزن سوخت در داخل آن، وزن موتور و بسیاری ازنیروهای سازه ای دیگه. جالبه بدونید نوک بال بوئینگ ۷۴۷ در زمان پرواز بیش از چندین متر نسب به حالت عادی جابجا میشه که این موضوع یکی از چالش های پیشروی مهندسین سازه و آیرودینامیک است که از به عنوان تداخلات سازه و آیرودینامیک یا آیروالاستیسته یاد میشه

2

اما ورود تکنولوژی ها ساخت جدید در کنار سایر دانش ها و فناوری های نو، باعث خلق سازه های بسیار مدرنی شده که بسیاری از مشکلات و چالشهایی که قبلا وجود داشته به طور کامل از بین رفته یا اثر آن رو به کاهشه. به عنوان مثال سازه های کامپوزتی که از کربن، الیاف شیشه و … ساخته میشه، نسبت استحکام به وزن پایینی دارن یعنی نسبت به وزنش، استحکام بسیار بیشتری رو در مقایسه با سایر مواد هم وزن خود دارند. به همین دلیل وزن بخشی هایی از وسایل پرنده را بسیار پایین آورده و کاربردش روز به روز در حال افزایشه.

Sikorsky’s-VS-300-first-practical-helicopter-which-flew-on-May-13-1940

EC145T2.2014-07-08-19-30-15

این درس رو تا اینجا به پایان می بریم و در درسهای بعدی درباره ویژگی های سازه ای و همچنین فناوری های جدید به صورت مفصل تر بحث خواهیم کرد.


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.