آشنایی با تاریخچه پیشرفت سازه های هوایی در اجسام پرنده

پیشرفت مواد به کار رفته در سازه و پوسته‌ی وسایل پرنده ، روش اتصال و نحوه ی نصب آن تغییرات جدی در وزن و عملیات هواپیما ایجاد کرده است.

در سال 1800 میلادی Otto Lilienthal گلایدر Cayley’s discoveries را ساخت که پارچه و پنبه‌ی به کار رفته در آن الهام گرفته از بال پرندگان بود.

در سال 1890، Octave Chante که یک مهندس راه آهن بود به مطالعات Lilienthal علاقه مند شد و آن‌ها را دنبال کرد . او کتابی تحت عنوان " پیشرفت ماشین های پرنده " را به چاپ رساند که نتیجه‌ی تلاش آن در جمع آوری و مطالعه‌ی اطلاعات هوانوردی بود.

چانته Chante به کمک دستیارانش وسیله ای مانند گلایدر Lilienthal ساخت . هدف او استفاده از سازه در گلایدر بود . او بالها را به صورت طره ای قرار داد و سپس سیم‌هایی را برای مهار آن به بدنه متصل کرد. این روش در هواپیمای برادران رایت هم در آینده دیده شد.

حتی امروزه در برخی هواپیماها با سرعت پایین استفاده از سیم های نگهدارنده مرسوم است اما از آن جا که این نوع اتصال دارای درگ یا پسای بیشتری است، بهترین نوع سازه ، سازه‌ی طراحی شده در داخل بدنه است.

بعدها هواپیماها دارای سازه‌ی داخلی هم بودند که از چوب ساخته می شدند و فاقد هر گونه پوسته بودند و این امر از لحاظ آیرودینامیکی مطلوب نبود تا این که سازندگان هواپیما از پارچه به عنوان پوسته‌ی سازه‌ی هواپیما استفاده کردند که روی آن آستر ضد آب زده می شد.

این هواپیماها قابلیت پروازی بالایی نداشتند و عمدتا برای سرعت های پایین طراحی شده بودند. زمانی که موتور های هواپیما قوی تر شدند تعریف سازه عوض شده و زمانی برای گسترش آن محیا شد . دیگر سازه تحمل کننده‌ی وزن جسم پرنده نبود بلکه باید با نیروهای دیگر یعنی قدرت موتور هم مقابله می کرد.

در سال 1910 میلادی German Hugo Junker اولین هواپیمای فلزی را ساخت که علاوه بر سازه های خارجی سازه های داخلی هم برای مهار نیروهای تولید شده تعبیه شده بود هواپیمای فلزی مقاومت بالایی نسبت به سازه های چوبی در مقابل قدرت تولیدی موتور از خود نشان می داد.

با شروع جنگ جهانی اول (WWI) تکنولوژی مواد این اجازه را به سازندگان هواپیما داد که بتوانند بال های ضخیم تر با اسپارهای قوی طراحی کنند . هر چه سازه ضخیم تر باشد قرار دادن سازه در داخل بال آسان تر می‌شد. همچنین استفاده از سازه‌ی ضخیم باعث طولانی تر شدن مسیر جریان روی بال شده و نیروی لیفت بیشتری به همراه خواهد داشت. البته این امر تا زمانی صادق است که افزایش سرعت روی سطح بال به بالای عدد صوت نرسد.

با توسعه‌ی جنگ جهانی اول نیاز به هواپیماهای سبک تر از لحاظ سازه ای برای حمل بیشتر تسهیلات ایجاد شد که برای سبک سازی سازه های ترکیبی با چوب و فلز ساخته شد به عبارت دیگر محل‌هایی که نیروی کمتری به آنها وارد می شد با عضو های سبک تر جایگزین شدند.

در دهه‌ی 1920 استفاده از فلز در ساخت هواپیماهایی که توانایی حمل مسافر و بار داشتند رشد چشمگیری پیدا کرد. کشتی های هوایی تمایل به ساخت بدنه های Semimonocoque را در دستور کار خود قرار دادند و تمایل به ساخت هواپیماهای تک باله افزایش یافت.

در جنگ جهانی دوم (WWII) هزاران هواپیمایی که از فلز ساخته شده بودند وارد عملیات های هوایی شدند مشکل اصلی حمل سوخت زیاد برای طی کردن مسافت های بالا بود . علت اصلی کم شدن حجم سوخت بالا رفتن سرعت هواپیماها و نیاز به بالهای نازک تر بود.

طراحان هواپیما برای سبک تر کردن هواپیما مجبور به استفاده از مواد مرکب شدند که با کاهش وزن هواپیما سوخت مورد نیاز موتور را کم تر کنند . De Havilland Mosquito اولین هواپیمای ساخته شده از مواد مرکب از سازه های ساندویچی ساخته شده بود که در مغز آن چوب بالسا و از فلزات مختلفی برای پوشش آن استفاده شده بود.

بعد از جنگ جهانی دوم توسعه‌ی موتور های توربینی اجازه‌ی پرواز در ارتفاعات بالاتر را به هواپیما داد. مشکل عمده پرواز در ارتفاعات بالاتر اختلاف فشار بود. با افزایش ارتفاع فشار کاهش می یابد این در حالی است که فشار داخل بدنه باید در حد فشار سطح زمین باشد در نتیجه این اختلاف فشار باعث به وجود آمدن نیرویی بر سطح بدنه‌ی هواپیما می‌شود که برای مقابله با آن نیاز به سازه های قوی‌تری بود. فلزاتی باید استفاده می شدند که علاوه بر استحکام بالا، خستگی حاصل از اختلاف فشار را هم تحمل کنند.

اطراف پنجره‌ها و اطراف در های هواپیما به دلیل مسئله تمرکز تنش محل‌هایی مستعد ترک در برابر خستگی هستند برای جلوگیری از این مشکل ترکیب مس با آلیاژ آلومینیوم در پوسته باعث کاهش وزن و افزایش مقاومت می شد و اجازه می داد که پوسته‌ی ضخیم تری روی سطح هواپیما قرار بگیرد .

با افزایش سرعت هواپیما و همچنین افزایش وزن، نیاز به بال های نازک تری بود بنابراین باید سازه‌ها قوی تر می‌شدند که به همین خاطر بالهای Multi spar و Box Beam وارد طراحی شدند که جوابگوی این مشکل بود.

در سال 1960 میلادی ساخت هواپیماهای که قابلیت حمل مسافر و بار بیشتر را داشتند افزایش یافت هواپیمای Jumbo jet در این سالها ساخته شد که در ساخت آن آلیاژ آلومینیوم نقش اصلی را داشت.

شرکت های سازنده‌ی هواپیما همواره به دنبال استفاده از مواد با تکنولوژی بالا هستند تا آن‌ها را در سبک سازی هواپیماها به کار ببرند . شرکت Boeing اولین بار سازه های لانه زنبوری را به کار برد تا وزن هواپیما را کاهش دهد در حالی که روی استحکام سازه تاثیری نداشت.

افزایش مداوم استفاده از سازه های Honeycomb و Fome در ساخت سازه‌ها و تنوع در محصولات کامپوزیتی زمینه دیگری را در ساخت سازه های هوایی ایجاد کرد .

تکنیک ساخت و پیشرفت مواد باعث شد که آلومینیوم به تدریج جای خود را به فیبر کربن و برخی مواد مقاوم تر بدهد این مواد جدید باعث تنوع در عملکرد و نیازهای هواپیما می شدند. در سازه های امروزی بیش از 50 % از مواد کامپوزیتی استفاده شده است که برخی از سازندگان هواپیما های کوچک تا نزدیک 100% از مواد کامپوزیتی در ساخت هواپیماهای خود استفاده می کردند . این نوع هواپیماها Very Light jet (VLJ) نام دارند.

به طور خلاصه می توان گفت که ساختار هواپیماهای ابتدایی از چوب بود و به دنبال آن استیل و برخی فلزات رایج مانند آلومینیوم استفاده شدند.امروزه بسیاری از هواپیماها با قالب کامپوزیتی ساخته می شود مانند فیبر کربن و . . . .