هيكل الطائرة

يُعرف الهيكل الميكانيكي للطائرة باسم هيكل الطائرة . [ 1 ] ^{ويشمل هذا الهيكل} عادةً جسم الطائرة ، والعجلات ، والذيل ، والأجنحة ، ويستثني نظام الدفع . ^{[ 2 ]}

تصميم هيكل الطائرة هو مجال من مجالات هندسة الطيران والفضاء يجمع بين الديناميكا الهوائية وتكنولوجيا المواد وأساليب التصنيع مع التركيز على الوزن والقوة ومقاومة الهواء ، بالإضافة إلى الموثوقية والتكلفة.

بدأ تاريخ صناعة الطائرات الحديثة في الولايات المتحدة خلال الرحلة الأولى لطائرة رايت فلاير ، مما أظهر إمكانات تصميمات الطائرات ذات الأجنحة الثابتة .

في عام 1912، ابتكرت طائرة ديبيردوسين أحادية الهيكل هيكلًا أحاديًا خفيفًا وقويًا وانسيابيًا مصنوعًا من طبقات رقيقة من الخشب الرقائقي فوق إطار دائري، وحققت سرعة 210 كم/ساعة (130 ميل/ساعة) . ^{[ 3 ] [ 4 ]}  

بين الحربين العالميتين

بعد طائرة J 1 عام 1915، ومقاتلة DI عام 1918، ظهرت في عام 1919 أول طائرة نقل معدنية بالكامل، وهي يونكرز F.13 المصنوعة من الديورالومين كما كانت طائرة DI؛ حيث تم بناء 300 طائرة منها، إلى جانب أول طائرة ركاب معدنية بالكامل بأربعة محركات ، وهي طائرة زيبيلين-ستاكن E-4/20 الوحيدة . ^{[ 3 ] [ 4 ]} ركز تطوير الطائرات التجارية خلال عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين على تصميمات الطائرات أحادية السطح التي تستخدم محركات شعاعية . تم إنتاج بعضها كنسخ فردية أو بكميات صغيرة مثل طائرة روح سانت لويس التي عبر بها تشارلز ليندبيرغ المحيط الأطلسي عام 1927. صمم ويليام ستاوت طائرات فورد ترايموتور المعدنية بالكامل عام 1926. ^{[ 6 ]}

كانت طائرة هول XFH المقاتلة البحرية النموذجية ، التي حلقت عام 1929، أول طائرة ذات هيكل معدني مثبت بمسامير  : غلاف من الألومنيوم فوق أنابيب فولاذية. كما كانت هول رائدة في استخدام المسامير الغائرة والوصلات المتداخلة بين ألواح الغلاف في طائرة هول PH المائية التي حلقت أيضًا عام 1929. ^{[ 3 ]} استنادًا إلى الطائرة الإيطالية سافويا-ماركيتي S.56 ، تم بناء الطائرة المائية التجريبية بود BB-1 بايونير عام 1931 من الفولاذ المقاوم للصدأ، وتم تجميعها باستخدام لحام موضعي مطور حديثًا من قبل شركة بود الأمريكية لصناعة عربات السكك الحديدية . ^{[ 3 ]}

بلغت فلسفة يونكرز الأصلية في صناعة هياكل الطائرات المغطاة بالديورالومين المموج ذروتها في طائرة يونكرز Ju 52 ثلاثية المحركات، التي صُممت عام 1932، واستخدمها سلاح الجو الألماني النازي (لوفتفافه) طوال الحرب العالمية الثانية لأغراض النقل وإنزال المظليين. وفي الاتحاد السوفيتي بقيادة جوزيف ستالين ، صمم أندريه توبوليف سلسلة من الطائرات المعدنية بالكامل ذات أحجام متزايدة تدريجيًا، وصولًا إلى أكبر طائرة في عصرها، وهي طائرة توبوليف ANT-20 ذات المحركات الثمانية عام 1934. كما طورت شركات دونالد دوغلاس طائرة دوغلاس DC-3 الشهيرة ذات المحركين عام 1936. ^{[ 7 ]} وكانت هذه الطائرات من بين أنجح التصاميم التي ظهرت في تلك الحقبة بفضل استخدام الهياكل المعدنية بالكامل.

في عام 1937، تم تصميم طائرة لوكهيد إكس سي-35 خصيصًا بنظام ضغط المقصورة لإجراء اختبارات طيران مكثفة على ارتفاعات عالية، مما مهد الطريق لطائرة بوينغ 307 ستراتولاينر ، التي ستكون أول طائرة بمقصورة مضغوطة تدخل الخدمة التجارية. ^{[ 4 ]}

العصر الحديث

كان المثبت الرأسي لطائرة إيرباص A310-300 ، التي حلقت لأول مرة في عام 1985، أول هيكل أساسي من ألياف الكربون يستخدم في طائرة تجارية ؛ ويتم استخدام المواد المركبة بشكل متزايد منذ ذلك الحين في طائرات إيرباص: المثبت الأفقي لطائرة A320 في عام 1987 و A330 / A340 في عام 1994، وصندوق الجناح المركزي والجزء الخلفي من جسم طائرة A380 في عام 2005. ^{[ 3 ]}

كانت طائرة Cirrus SR20 ، التي حصلت على شهادة النوع في عام 1998، أول طائرة طيران عام يتم إنتاجها على نطاق واسع ومصنعة بالكامل من المواد المركبة، وتلتها عدة طائرات خفيفة أخرى في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. ^{[ 10 ]}

كانت طائرة بوينغ 787 ، التي حلقت لأول مرة عام 2009، أول طائرة تجارية يتكون 50% من وزن هيكلها من مركبات ألياف الكربون، إلى جانب 20% من الألومنيوم و15% من التيتانيوم: تسمح هذه المادة بانخفاض مقاومة الهواء، وزيادة نسبة عرض الجناح ، ورفع ضغط المقصورة؛ أما طائرة إيرباص A350 المنافسة ، التي حلقت عام 2013، فيتكون هيكلها من 53% من ألياف الكربون. ^{[ 3 ]} وتتميز بهيكل من قطعة واحدة من ألياف الكربون، يُقال إنه يحل محل "1200 صفيحة من الألومنيوم و40000 مسمار تثبيت". ^{[ 11 ]}

تتميز طائرات بومباردييه سي سيريز لعام 2013 بجناح مصنوع بتقنية حقن الراتنج بنقل الألياف الجافة، وهيكل خفيف الوزن من سبائك الألومنيوم والليثيوم لمقاومة التلف وسهولة الإصلاح، وهو مزيج يمكن استخدامه في الطائرات ذات الجسم الضيق في المستقبل . ^{[ 3 ]} في عام 2016، أصبحت طائرة سيروس فيجن إس إف 50 أول طائرة نفاثة خفيفة معتمدة مصنوعة بالكامل من مركبات ألياف الكربون.

في فبراير 2017، قامت شركة إيرباص بتركيب آلة طباعة ثلاثية الأبعاد لأجزاء هيكلية للطائرات مصنوعة من التيتانيوم باستخدام تقنية التصنيع الإضافي بشعاع الإلكترون من شركة Sciaky, Inc. ^{[ 12 ]}

تكوين الطائرة حسب الكتلة ^{[ 13 ]}

مادة	B747	B767	B757	B777	B787	A300B4
الألومنيوم	81%	80%	78%	70%	20%	77%
فُولاَذ	13%	14%	12%	11%	10%	12%
التيتانيوم	4%	2%	6%	7%	15%	4%
المواد المركبة	1%	3%	3%	11%	50%	4%
آخر	1%	1%	1%	1%	5%	3%

أصبح إنتاج هياكل الطائرات عملية دقيقة للغاية. يعمل المصنعون في ظل رقابة صارمة على الجودة ولوائح حكومية. وتُعدّ أي انحرافات عن المعايير المعتمدة موضع قلق بالغ. ^{[ 14 ]}

تُعدّ طائرة دي هافيلاند كوميت ، أول طائرة ركاب نفاثة في العالم ، علامة فارقة في تصميم الطائرات، وقد حلّقت لأول مرة عام ١٩٤٩. عانت النماذج الأولى من إجهاد كارثي في ​​هيكل الطائرة المعدني ، مما تسبب في سلسلة من الحوادث التي حظيت بتغطية إعلامية واسعة. أسس تحقيق أجرته المؤسسة الملكية للطائرات في مطار فارنبورو علم إعادة بناء حوادث تحطم الطائرات. بعد ٣٠٠٠ دورة ضغط في غرفة ضغط مصممة خصيصًا، تبيّن أن فشل هيكل الطائرة كان نتيجة لتركيز الإجهاد، وهو ما يُعزى إلى النوافذ المربعة الشكل. صُممت النوافذ لتُلصق وتُثبّت بالمسامير، ولكن تم تثبيتها بالمسامير المثقوبة فقط. على عكس التثبيت بالمسامير المثقوبة، فإن عدم دقة الثقب الناتج عن التثبيت بالمسامير المثقوبة قد يتسبب في بدء ظهور شقوق الإجهاد حول المسمار.

أصبحت طائرة لوكهيد إل-188 إلكترا ذات المحرك التوربيني، التي حلقت لأول مرة عام 1957، درساً مكلفاً في التحكم بالاهتزازات والتخطيط لمواجهة إجهاد المعادن . وقد أظهر تحطم رحلة برانيف 542 عام 1959 الصعوبات التي قد تواجهها صناعة هياكل الطائرات وشركات الطيران عند تبني تقنيات جديدة .

يتشابه هذا الحادث مع حادث تحطم طائرة إيرباص A300 أثناء إقلاع رحلة الخطوط الجوية الأمريكية رقم 587 عام 2001، بعد انفصال المثبت الرأسي عن جسم الطائرة ، مما لفت الانتباه إلى مشاكل التشغيل والصيانة والتصميم المتعلقة بالمواد المركبة المستخدمة في العديد من هياكل الطائرات الحديثة. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} وقد واجهت طائرة A300 مشاكل هيكلية أخرى، لكن لم يكن أي منها بهذا الحجم.

مع تقدم القرن العشرين، أصبح الألومنيوم معدنًا أساسيًا في صناعة الطائرات. فقد كان كتلة أسطوانات المحرك الذي زوّد طائرة الأخوين رايت في كيتي هوك عام 1903 قطعة مصبوبة من قطعة واحدة من سبيكة ألومنيوم تحتوي على 8% نحاس؛ وظهرت شفرات المراوح المصنوعة من الألومنيوم في وقت مبكر من عام 1907؛ وأصبحت الأغطية والمقاعد وأغطية المحركات والأقواس المصبوبة المصنوعة من الألومنيوم، وغيرها من الأجزاء المماثلة، شائعة الاستخدام مع بداية الحرب العالمية الأولى. وفي عام 1916، صمّم ل. بريكيه قاذفة استطلاع مثّلت الاستخدام الأول للألومنيوم في الهيكل التشغيلي للطائرة. وبحلول نهاية الحرب، استخدم الحلفاء وألمانيا سبائك الألومنيوم في الهيكل الإنشائي لجسم الطائرة ومجموعات الأجنحة. ^{[ 18 ]}

لطالما كان هيكل الطائرة من أكثر التطبيقات تطلبًا لسبائك الألومنيوم؛ فتوثيق تطور السبائك عالية القوة هو في جوهره توثيق لتطور هياكل الطائرات. استُخدمت سبيكة دورالومين ، أول سبيكة ألومنيوم عالية القوة وقابلة للمعالجة الحرارية، في البداية لهيكل المناطيد الصلبة ، من قِبل ألمانيا والحلفاء خلال الحرب العالمية الأولى. كانت دورالومين سبيكة من الألومنيوم والنحاس والمغنيسيوم؛ نشأت في ألمانيا وطُوّرت في الولايات المتحدة تحت اسم سبيكة 17S-T (2017-T4). استُخدمت بشكل أساسي على هيئة صفائح وألواح.

تم طرح سبيكة 7075-T6 (ذات مقاومة خضوع تبلغ 70,000 رطل لكل بوصة مربعة)، وهي سبيكة من الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم والنحاس، في عام 1943. ومنذ ذلك الحين، تم تحديد مواصفات معظم هياكل الطائرات باستخدام سبائك من هذا النوع. وكانت أول طائرة مصممة من سبيكة 7075-T6 هي قاذفة الدوريات البحرية P2V . وفي عام 1951، تم تطوير سبيكة أخرى من نفس السلسلة ذات مقاومة أعلى، وهي سبيكة 7178-T6 (ذات مقاومة خضوع تبلغ 78,000 رطل لكل بوصة مربعة)، إلا أنها لم تحل محل سبيكة 7075-T6 بشكل عام، والتي تتميز بمقاومة كسر فائقة.

تُستخدم سبيكة 7178-T6 بشكل أساسي في العناصر الهيكلية حيث يكون الأداء بالغ الأهمية تحت تأثير أحمال الضغط .

تم طرح سبيكة 7079-T6 في الولايات المتحدة عام 1954. في المقاطع المطروقة التي يزيد سمكها عن 3 بوصات، توفر هذه السبيكة قوة أعلى وليونة عرضية أكبر من سبيكة 7075-T6. وهي متوفرة الآن على شكل صفائح وألواح ومقاطع مبثوقة ومطروقة.

يجري تطوير سبيكة X7080-T7، التي تتميز بمقاومة أعلى للتآكل الإجهادي مقارنةً بسبيكة 7079-T6، لتصنيع الأجزاء السميكة. ونظرًا لحساسيتها المنخفضة نسبيًا لمعدل التبريد السريع ، يمكن الحصول على قوى جيدة مع إجهادات تبريد منخفضة في المقاطع السميكة.

طُوِّرت عملية تغليف سبائك الألومنيوم في البداية لزيادة مقاومة التآكل لصفائح 2017-T4، وبالتالي تقليل متطلبات صيانة الطائرات المصنوعة من الألومنيوم. يتكون الطلاء على صفائح 2017 - ولاحقًا على صفائح 2024-T3 - من ألومنيوم نقي تجاريًا مُرتبط معدنيًا بأحد سطحي الصفيحة أو كليهما.

تعتمد الحماية الإلكتروليتية ، المتوفرة في الظروف الرطبة، على الجهد الكهربائي الأعلى بشكل ملحوظ للألومنيوم النقي تجاريًا مقارنةً بسبائك 2017 أو 2024 في حالتي التصليد T3 أو T4. وعند ظهور سبائك 7075-T6 وغيرها من سبائك الألومنيوم-الزنك-المغنيسيوم-النحاس، تم تطوير سبيكة 7072 ذات غلاف من الألومنيوم والزنك لتوفير جهد كهربائي نسبي كافٍ لحماية هذه السبائك القوية الجديدة.

مع ذلك، اعتمدت الطائرات عالية الأداء المصممة منذ عام 1945 بشكل كبير على هياكل خارجية مصنوعة من صفائح سميكة ومقاطع مبثوقة، مما حال دون استخدام الأغطية الخارجية المصنوعة من الألومنيوم . ونتيجة لذلك، ازدادت متطلبات الصيانة، مما حفز برامج البحث والتطوير التي تسعى إلى إيجاد سبائك ذات قوة أعلى ومقاومة محسّنة للتآكل دون الحاجة إلى التغليف.

تُستخدم مصبوبات سبائك الألومنيوم تقليديًا في مكونات الطائرات غير الهيكلية، مثل دعامات البكرات ، والقطاعات، والوصلات المزدوجة، والمشابك، والقنوات. كما تُستخدم على نطاق واسع في أجسام الصمامات المعقدة لأنظمة التحكم الهيدروليكية. ولا تزال فلسفة بعض مصنعي الطائرات تتمثل في تحديد استخدام المصبوبات فقط في المواضع التي لا يُؤدي فيها تعطل القطعة إلى فقدان الطائرة. ويُتيح وجود أنظمة احتياطية في الكابلات وأنظمة التحكم الهيدروليكية استخدام المصبوبات.

شهدت تقنية الصب تطورات هائلة خلال العقد الماضي. فقد تم تعديل سبائك عريقة مثل 355 و356 لإنتاج مستويات أعلى من القوة والمتانة. كما تم تطوير سبائك جديدة مثل 354 وA356 وA357 و359 وTens 50 لإنتاج مصبوبات فائقة القوة. وتترافق هذه القوة العالية مع تعزيز السلامة الهيكلية وموثوقية الأداء.

تُستخدم اللحامات الموضعية واللحامات التماسية بالمقاومة الكهربائية لربط الهياكل الثانوية، مثل الأغطية الانسيابية وأغطية المحركات والطبقات المزدوجة، بالحواجز والألواح الخارجية. وقد أدت صعوبات مراقبة الجودة إلى انخفاض استخدام اللحام بالمقاومة الكهربائية في الهياكل الأساسية.

توفر اللحام بالموجات فوق الصوتية بعض المزايا الاقتصادية ومزايا مراقبة الجودة في عمليات الربط الإنتاجية، لا سيما للصفائح الرقيقة. ومع ذلك، لم يتم تطوير هذه الطريقة على نطاق واسع في صناعة الطيران والفضاء حتى الآن.

يُعدّ الربط اللاصق طريقة شائعة للربط في كلٍّ من الهياكل الأساسية والثانوية. ويعتمد اختياره على فلسفة التصميم الخاصة بالشركة المصنعة للطائرة. وقد أثبت فعاليته في تثبيت الدعامات، مثل الأجزاء المدببة بالصفائح، والصفائح الخارجية باللبّات الخلوية . كما أثبت الربط اللاصق قدرته على تحمّل الظروف القاسية، مثل الغمر في مياه البحر والظروف الجوية المختلفة.

تكاد الهياكل الأساسية المصنوعة من الألومنيوم الملحوم بالانصهار في الطائرات تكون معدومة، وذلك لأن السبائك عالية القوة المستخدمة تتميز بانخفاض قابلية اللحام وكفاءة وصلات اللحام. كما أن بعض هذه السبائك، مثل 2024-T4، تنخفض مقاومتها للتآكل في المنطقة المتأثرة بالحرارة إذا تُركت في حالتها بعد اللحام مباشرة.

تُتيح عمليات اللحام المُحسّنة وسبائك اللحام عالية القوة التي طُوّرت خلال العقد الماضي إمكانيات جديدة للهياكل الأساسية الملحومة. فعلى سبيل المثال، تُتيح قابلية اللحام وقوة سبائك 2219 و7039، وقابلية اللحام بالنحاس وقوة سبيكة X7005، آفاقًا جديدة لتصميم وتصنيع هياكل الطائرات.

تتميز الطائرات الخفيفة بهياكل مصنوعة في الغالب من الألومنيوم بالكامل بتقنية شبه أحادية الهيكل، إلا أن بعضها يستخدم هياكل أنبوبية داعمة للأحمال مغطاة بنسيج أو ألومنيوم، أو كليهما. عادةً ما يكون سمك غلاف الألومنيوم في حده الأدنى العملي: من 0.015 إلى 0.025 بوصة. ورغم أن متطلبات قوة التصميم منخفضة نسبيًا، إلا أن الغلاف يحتاج إلى قوة خضوع وصلابة عاليتين نسبيًا لتقليل التلف الناتج عن الأرض بسبب الحجارة والحطام وأدوات الميكانيكيين والتعامل العادي. ومن العوامل الرئيسية الأخرى التي تؤخذ في الاعتبار عند اختيار سبيكة لهذا التطبيق: مقاومة التآكل، والتكلفة، والمظهر. وتُعد سبائك 6061-T6 و 2024-T3 المطلية بالألكلاد الخيارين الرئيسيين.

تتكون الطبقة الخارجية للطائرات الخفيفة ذات التصميم والبناء الحديثين عموماً من مادة ألكلاد 2024-T3. ويتألف الهيكل الداخلي من دعامات طولية، وعوارض، وحواجز، وأعضاء وترية، وتجهيزات تثبيت متنوعة مصنوعة من مقاطع ألومنيوم مبثوقة، وصفائح مشكلة، ومطروقات، ومسبوكات.

تُعدّ سبائك 2024-T4 الأكثر استخدامًا في صناعة الأجزاء المبثوقة، خاصةً للمقاطع التي يقل سمكها عن 0.125 بوصة وللاستخدامات العامة، بينما تُستخدم سبائك 2014-T6 للمقاطع الأكثر سمكًا والتي تتعرض لإجهادات أعلى. وتُستخدم سبيكة 6061-T6 على نطاق واسع في عمليات البثق التي تتطلب مقاطع رقيقة ومقاومة ممتازة للتآكل. وتُعتبر سبيكة 2014-T6 السبيكة الأساسية المستخدمة في عمليات التشكيل، لا سيما في صناعة معدات الهبوط والأسطوانات الهيدروليكية. أما سبيكة 6061-T6 ونظيرتها في التشكيل، سبيكة 6151-T6، فتُستخدمان غالبًا في تركيبات متنوعة لأسباب اقتصادية ولتحسين مقاومة التآكل، وذلك عندما لا تتعرض الأجزاء لإجهادات عالية.

تُعدّ سبائك 356-T6 و A356-T6 من سبائك الصب الأساسية المستخدمة في صناعة الأقواس، وأذرع التوصيل، والبكرات، والتجهيزات المختلفة. تُصنع العجلات من هذه السبائك إما بالصب في قوالب دائمة أو بالصب الرملي. كما تُعدّ سبائك A380 المصبوبة بالقوالب مناسبةً أيضاً لصناعة عجلات الطائرات الخفيفة.

في الهياكل منخفضة الإجهاد في الطائرات الخفيفة، تُستخدم أحيانًا سبائك 3003-H12 وH14 وH16؛ و5052-O وH32 وH34 وH36؛ و6061-T4 وT6. تُعد هذه السبائك أيضًا الخيار الأمثل لخزانات الوقود وزيوت التشحيم والزيوت الهيدروليكية، والأنابيب، وأنابيب وأجهزة القياس، خاصةً عند الحاجة إلى اللحام. تُستخدم سبائك 3003 و6061 و6951 على نطاق واسع في المبادلات الحرارية الملحومة والملحقات الهيدروليكية. توفر السبائك المطورة حديثًا، مثل 5086 و5454 و5456 و6070، وسبائك الألومنيوم-المغنيسيوم-الزنك الجديدة القابلة للحام، مزايا في المتانة مقارنةً بالسبائك المذكورة سابقًا.

يتم تجميع صفائح الطائرات الخفيفة بشكل أساسي باستخدام مسامير من سبائك 2017-T4 أو 2117-T4 أو 2024-T4. تتوفر براغي الصفائح المعدنية ذاتية التثبيت من سبائك الألومنيوم، ولكن تُستخدم براغي الفولاذ المطلية بالكادميوم بشكل أكثر شيوعًا للحصول على مقاومة قص أعلى وسهولة في الربط. تُعد سبيكة 2024-T4 ذات الطلاء الأنودي معيارًا قياسيًا لبراغي وصواميل الألومنيوم المصنعة وفقًا للمواصفات العسكرية. مع ذلك، تُعد سبيكة 6262-T9 أفضل للصواميل، نظرًا لمقاومتها العالية لتشقق التآكل الإجهادي. ^{[ 19 ]}

• لونجيرون
• سابق
• كورد (علم الطيران)
• غطاء الطائرة
• مثبت رأسي

• مايكل غوبيش (9 يوليو 2018). "تحليل: هل هياكل الطائرات المركبة مجدية للطائرات ذات الجسم الضيق؟" . فلايت غلوبال .