عملية تصميم الطائرات

تبدأ عملية التصميم بتحديد الغرض المقصود من الطائرة. تُصمم الطائرات التجارية لنقل الركاب أو البضائع، وتتميز بمدى طيران طويل وكفاءة عالية في استهلاك الوقود، بينما تُصمم الطائرات المقاتلة لأداء مناورات عالية السرعة وتقديم دعم جوي قريب للقوات البرية. بعض الطائرات لها مهام محددة، فعلى سبيل المثال، تتميز الطائرات البرمائية بتصميم فريد يسمح لها بالعمل من البر والبحر، وبعض الطائرات المقاتلة، مثل طائرة هارير النفاثة ، تتمتع بقدرة الإقلاع والهبوط العمودي، أما المروحيات فلديها القدرة على التحليق فوق منطقة معينة لفترة من الزمن. ^{[ 1 ]}

قد يكون الغرض هو تلبية متطلبات محددة، كما هو الحال في الحالة التاريخية لمواصفات وزارة الطيران البريطانية ، أو سد "فجوة في السوق" متصورة؛ أي فئة أو تصميم طائرات غير موجود حتى الآن، ولكن سيكون هناك طلب كبير عليه.

من العوامل المهمة الأخرى التي تؤثر على التصميم متطلبات الحصول على شهادة نوع لتصميم جديد للطائرات. تُنشر هذه المتطلبات من قبل هيئات صلاحية الطيران الوطنية الرئيسية، بما في ذلك إدارة الطيران الفيدرالية الأمريكية ووكالة سلامة الطيران الأوروبية . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

قد تفرض المطارات أيضاً قيوداً على الطائرات، فعلى سبيل المثال، يبلغ الحد الأقصى المسموح به لطول جناح الطائرة التقليدية 80 متراً (260 قدماً) لمنع التصادم بين الطائرات أثناء سيرها على المدرج. ^{[ 4 ]} 

تُفرض قيود الميزانية ومتطلبات السوق والمنافسة قيودًا على عملية التصميم، وتشمل هذه القيود التأثيرات غير التقنية على تصميم الطائرات إلى جانب العوامل البيئية. وتدفع المنافسة الشركات إلى السعي لتحقيق كفاءة أفضل في التصميم دون المساس بالأداء، مع دمج التقنيات والتكنولوجيات الجديدة. ^{[ 5 ]}

في خمسينيات وستينيات القرن الماضي، كانت تُحدد أهداف مشاريع غير قابلة للتحقيق بشكل منتظم، ثم تُهمل، بينما اليوم أثبتت برامج متعثرة مثل بوينغ 787 ولوكهيد مارتن إف-35 أنها أكثر تكلفة وتعقيدًا في التطوير مما كان متوقعًا. وقد طُوّرت أدوات تصميم أكثر تقدمًا وتكاملًا. تتنبأ هندسة الأنظمة القائمة على النماذج بالتفاعلات التي قد تُسبب مشاكل، بينما يسمح التحليل الحسابي والتحسين للمصممين باستكشاف المزيد من الخيارات في وقت مبكر من العملية. كما أن زيادة الأتمتة في الهندسة والتصنيع تسمح بتطوير أسرع وأقل تكلفة. وتُمكّن التطورات التكنولوجية، من المواد إلى التصنيع، من تصميمات أكثر تعقيدًا مثل الأجزاء متعددة الوظائف. هذه الأجزاء، التي كان من المستحيل تصميمها أو بناؤها في السابق، يُمكن الآن طباعتها ثلاثية الأبعاد ، لكنها لم تُثبت جدواها بعد في تطبيقات مثل نورثروب غرومان بي-21 أو طائرات إيه 320 نيو و 737 ماكس المُعاد تصميم محركاتها . كما تُدرك إيرباص وبوينغ القيود الاقتصادية، حيث لا يُمكن أن تتجاوز تكلفة الجيل التالي من الطائرات تكلفة الأجيال السابقة. ^{[ 6 ]}

زيادة عدد الطائرات تعني أيضاً زيادة انبعاثات الكربون. وقد أعرب علماء البيئة عن قلقهم إزاء أنواع التلوث الرئيسية المرتبطة بالطائرات، ولا سيما الضوضاء والانبعاثات. لطالما اشتهرت محركات الطائرات بتلوثها الضوضائي، وقد أثار توسيع الممرات الجوية فوق المدن المزدحمة والملوثة أصلاً انتقادات حادة، مما استدعى وضع سياسات بيئية للحد من ضوضاء الطائرات. ^{[ 7 ] [ 8 ]} كما تنشأ الضوضاء من هيكل الطائرة، حيث تتغير اتجاهات تدفق الهواء. ^{[ 9 ]} وقد أجبرت اللوائح المحسّنة بشأن الضوضاء المصممين على ابتكار محركات وهياكل طائرات أكثر هدوءاً. ^{[ 10 ]} تشمل انبعاثات الطائرات الجسيمات، وثاني أكسيد الكربون (CO2 )، وثاني أكسيد الكبريت (SO2 ₎ ، وأول أكسيد الكربون ( _{CO )،} وأكاسيد النترات المختلفة ، والهيدروكربونات غير المحترقة . ^{[ 11 ]} ولمكافحة هذا التلوث، وضعت منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) توصيات في عام 1981 للسيطرة على انبعاثات الطائرات. ^{[ 12 ]} تم تطوير أنواع وقود أحدث وأكثر ملاءمة للبيئة ^{[ 13 ]} ، كما ساهم استخدام المواد القابلة لإعادة التدوير في التصنيع ^{[ 14 ]} في الحد من الأثر البيئي للطائرات. وتؤثر القيود البيئية أيضًا على ملاءمة المطارات. فقد بُنيت المطارات حول العالم لتناسب تضاريس المنطقة المعنية. وتُعد محدودية المساحة، وتصميم المدرج، ومناطق الأمان في نهاية المدرج ، والموقع الفريد للمطار، من بين العوامل التي تؤثر على تصميم الطائرات. ومع ذلك، فإن التغييرات في تصميم الطائرات تؤثر أيضًا على تصميم المطارات، فعلى سبيل المثال، أدى إدخال طائرات كبيرة جديدة مؤخرًا، مثل طائرة إيرباص A380 العملاقة ، إلى إعادة تصميم المطارات في جميع أنحاء العالم لمرافقها لاستيعاب حجمها الكبير ومتطلبات الخدمة. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

تُعدّ السرعات العالية، وخزانات الوقود، والظروف الجوية على ارتفاعات التحليق، والمخاطر الطبيعية (كالعواصف الرعدية والبرد واصطدام الطيور)، والخطأ البشري، بعضًا من المخاطر العديدة التي تُشكّل تهديدًا للسفر الجوي. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

صلاحية الطيران هي المعيار الذي يتم بموجبه تحديد مدى صلاحية الطائرات للطيران. ^{[ 20 ]} تقع مسؤولية صلاحية الطيران على عاتق الهيئات التنظيمية الوطنية للطيران المدني، والمصنعين ، بالإضافة إلى المالكين والمشغلين.

تضع منظمة الطيران المدني الدولي المعايير الدولية والممارسات الموصى بها التي ينبغي للسلطات الوطنية الاستناد إليها في وضع لوائحها. ^{[ 21 ] [ 22 ]} وتضع الهيئات التنظيمية الوطنية معايير صلاحية الطائرات للطيران، وتصدر الشهادات للمصنعين والمشغلين، بالإضافة إلى معايير تدريب الموظفين. ^{[ 23 ]} ولكل دولة هيئتها التنظيمية الخاصة، مثل إدارة الطيران الفيدرالية في الولايات المتحدة الأمريكية، والمديرية العامة للطيران المدني في الهند، وغيرها .

يحرص مُصنِّع الطائرات على ضمان مطابقة الطائرة لمعايير التصميم المعتمدة، ويُحدد قيود التشغيل وجداول الصيانة، ويُقدم الدعم والصيانة طوال فترة تشغيل الطائرة. ويشمل مُشغّلو الطيران شركات الطيران المدني (الركاب والشحن) ، والقوات الجوية ، ومالكي الطائرات الخاصة. ويلتزمون بالامتثال للوائح التي تضعها الهيئات التنظيمية، وفهم قيود الطائرة كما يُحددها المُصنِّع، والإبلاغ عن الأعطال، ومساعدة المُصنِّعين في الحفاظ على معايير صلاحية الطائرات للطيران.

تُبنى معظم الانتقادات التصميمية في الوقت الحاضر على مفهوم مقاومة التحطم . فحتى مع إيلاء أقصى درجات الاهتمام لصلاحية الطيران، لا تزال الحوادث تقع. تُعرَّف مقاومة التحطم بأنها التقييم النوعي لكيفية نجاة الطائرة من حادث. والهدف الرئيسي هو حماية الركاب أو الشحنات الثمينة من الأضرار الناجمة عن الحادث. في حالة الطائرات التجارية، يوفر الغلاف الخارجي المضغوط لجسم الطائرة هذه الميزة، ولكن في حالة اصطدام المقدمة أو الذيل، تتراكم عزوم انحناء كبيرة عبر جسم الطائرة، مما يُسبب تشققات في الغلاف، وبالتالي تفتت جسم الطائرة إلى أجزاء أصغر. ^{[ 24 ]} لذلك، تُصمَّم طائرات الركاب بحيث تكون أماكن الجلوس بعيدة عن المناطق التي يُحتمل أن تتعرض للاختراق في حالة وقوع حادث، مثل المناطق القريبة من المروحة، أو غطاء المحرك، أو جهاز الهبوط، وما إلى ذلك. ^{[ 25 ]} كما تم تجهيز المقصورة الداخلية بميزات أمان مثل أقنعة الأكسجين التي تُنزل في حالة فقدان ضغط المقصورة، وخزائن الأمتعة القابلة للقفل، وأحزمة الأمان، وسترات النجاة، وأبواب الطوارئ، وشرائط أرضية مضيئة. تُصمم الطائرات أحيانًا مع وضع الهبوط الاضطراري على الماء في الاعتبار، فعلى سبيل المثال، تحتوي طائرة إيرباص A330 على مفتاح "الهبوط الاضطراري" الذي يغلق الصمامات والفتحات الموجودة أسفل الطائرة مما يبطئ دخول الماء. ^{[ 26 ]}

يوفر جناح الطائرة ذات الأجنحة الثابتة قوة الرفع اللازمة للطيران. وتؤثر هندسة الجناح على جميع جوانب طيران الطائرة. عادةً ما تُحدد مساحة الجناح بناءً على سرعة التوقف المطلوبة ، ولكن قد يتأثر الشكل العام للجناح وتفاصيل أخرى بعوامل تصميم الجناح. ^{[ 30 ]} يمكن تركيب الجناح على جسم الطائرة في مواقع عالية أو منخفضة أو متوسطة. يعتمد تصميم الجناح على العديد من المعايير، مثل اختيار نسبة العرض إلى الطول، ونسبة التناقص التدريجي، وزاوية الانحناء الخلفي ، ونسبة السماكة، وشكل المقطع، والانحناء الجانبي ، والزاوية الثنائية . ^{[ 31 ]} يُعرف شكل المقطع العرضي للجناح باسم "الجنيح" . ^{[ 32 ]} يبدأ بناء الجناح بالضلع الذي يُحدد شكل الجنيح. يمكن أن تُصنع الأضلاع من الخشب أو المعدن أو البلاستيك أو حتى المواد المركبة. ^{[ 33 ]}

يجب تصميم الجناح واختباره لضمان قدرته على تحمل أقصى الأحمال الناتجة عن المناورة وعن هبات الرياح الجوية.

جسم الطائرة هو الجزء من الطائرة الذي يحتوي على قمرة القيادة أو مقصورة الركاب أو عنبر الشحن. ^{[ 34 ]}

يمكن تحقيق دفع الطائرات بواسطة محركات طائرات مصممة خصيصًا، أو محركات سيارات أو دراجات نارية أو عربات ثلجية معدلة، أو محركات كهربائية، أو حتى قوة العضلات البشرية. أهم معايير تصميم المحرك هي: ^{[ 35 ]}

• أقصى قوة دفع متاحة للمحرك
• استهلاك الوقود
• كتلة المحرك
• هندسة المحرك

يجب أن يوازن الدفع الذي يوفره المحرك مقاومة الهواء عند سرعة الطيران العادية، وأن يكون أكبر من مقاومة الهواء للسماح بالتسارع. وتختلف متطلبات المحرك باختلاف نوع الطائرة. فعلى سبيل المثال، تقضي الطائرات التجارية وقتًا أطول في سرعة الطيران العادية، وتحتاج إلى كفاءة محرك أعلى. أما الطائرات المقاتلة عالية الأداء، فتحتاج إلى تسارع عالٍ جدًا، وبالتالي تتطلب قوة دفع عالية جدًا. ^{[ 36 ]}

يُعدّ وزن الطائرة العامل المشترك الذي يربط جميع جوانب تصميمها، كالديناميكا الهوائية والهيكل ونظام الدفع. ويُستمدّ وزن الطائرة من عوامل مختلفة، مثل الوزن الفارغ والحمولة والحمولة المفيدة، وغيرها. وتُستخدم هذه الأوزان لحساب مركز كتلة الطائرة. ^{[ 37 ]} ويجب أن يقع مركز الكتلة ضمن الحدود المحددة من قِبل الشركة المصنّعة.

لا يقتصر تصميم هيكل الطائرة على القوة والمرونة الهوائية والمتانة ومقاومة التلف والاستقرار فحسب ، بل يشمل أيضًا السلامة من الأعطال ومقاومة التآكل وسهولة الصيانة والتصنيع. يجب أن يكون الهيكل قادرًا على تحمل الإجهادات الناتجة عن ضغط المقصورة ، إن وُجد، والاضطرابات الجوية واهتزازات المحرك أو الدوار. ^{[ 38 ]}

يتضمن التصميم المفاهيمي للطائرات رسم مجموعة متنوعة من التكوينات الممكنة التي تلبي مواصفات التصميم المطلوبة. ومن خلال رسم هذه التكوينات، يسعى المصممون إلى الوصول إلى التكوين الأمثل الذي يلبي جميع المتطلبات بشكل مُرضٍ، ويتوافق مع عوامل مثل الديناميكا الهوائية، والدفع، وأداء الطيران، والأنظمة الهيكلية وأنظمة التحكم. ^{[ 40 ]} يُطلق على هذه العملية اسم تحسين التصميم. وفي هذه المرحلة، تُحدد الجوانب الأساسية مثل شكل جسم الطائرة، وتكوين الجناح وموقعه، وحجم المحرك ونوعه. كما تُؤخذ قيود التصميم، مثل تلك المذكورة أعلاه، في الاعتبار في هذه المرحلة أيضًا. والمنتج النهائي هو مخطط مفاهيمي لتكوين الطائرة على الورق أو شاشة الحاسوب، ليتم مراجعته من قِبل المهندسين والمصممين الآخرين.

يتم تعديل وتحديث تصميم الطائرة الذي تم التوصل إليه في مرحلة التصميم المفاهيمي ليتناسب مع معايير التصميم. في هذه المرحلة، تُجرى اختبارات في نفق الرياح وحسابات ديناميكا الموائع الحاسوبية لحقل التدفق حول الطائرة. كما تُجرى تحليلات هيكلية وتحكمية رئيسية في هذه المرحلة. تُصحح العيوب الديناميكية الهوائية وعدم استقرار الهيكل، إن وُجد، ويُرسم التصميم النهائي ويُعتمد. بعد اعتماد التصميم، يتخذ المصنّع أو المصمم القرار الحاسم بشأن المضي قدمًا في إنتاج الطائرة. ^{[ 41 ]} عند هذه النقطة، قد يتم استبعاد العديد من التصاميم، على الرغم من قدرتها التامة على الطيران والأداء، من الإنتاج لعدم جدواها الاقتصادية.

تُعنى هذه المرحلة ببساطة بتصنيع الطائرة المراد إنتاجها. وتُحدد عدد وتصميم وموقع الأضلاع والعوارض والأجزاء والعناصر الهيكلية الأخرى. ^{[ 42 ]} وقد غُطيت جميع جوانب الديناميكا الهوائية والهيكلية والدفع والتحكم والأداء في مرحلة التصميم الأولي، ولم يتبقَّ سوى التصنيع. كما يجري تطوير أجهزة محاكاة الطيران للطائرات في هذه المرحلة.

شهدت بعض الطائرات التجارية تأخيرات كبيرة في الجدول الزمني وتجاوزات في التكاليف خلال مرحلة التطوير. ومن الأمثلة على ذلك طائرة بوينغ 787 دريملاينر التي تأخرت أربع سنوات مع تجاوزات هائلة في التكاليف، وطائرة بوينغ 747-8 التي تأخرت سنتين، وطائرة إيرباص A380 التي تأخرت سنتين مع تجاوزات في التكاليف بلغت 6.1 مليار دولار أمريكي، وطائرة إيرباص A350 التي شهدت تأخيرات وتجاوزات في التكاليف، وطائرات بومباردييه من طراز C Series وغلوبال 7000 و8000، وطائرة كوماك C919 التي تأخرت أربع سنوات، وطائرة ميتسوبيشي الإقليمية التي تأخرت أربع سنوات وانتهى بها الأمر بمشاكل في الوزن الفارغ. ^{[ 43 ]}

• توماس سي. هايز (27 نوفمبر 1981). "مخاوف بوينغ بشأن 'إعادة تصميم محركاتها'" . نيويورك تايمز .
• أوليفر وايمان (ديسمبر 2010). "إعادة تزويد الطائرة بمحرك جديد أم لا: هذا هو السؤال" . شبكة أسبوع الطيران .