هواپیماهای نسل آینده

نصب بال ها در قسمت فوقانی بدنه

این بال ها بدان جهت حائز اهمیت هستند که موتور های توربوفن نسل بعدی دارای By Pass Ratio 20 خواهند شد و این یعنی قطر دهانه ورودی آن ها دو برابر و زیر بال ها نصب می شوند. از طرفی این بال ها، نسبت به بال هایی که در پایین تعبیه می شوند Interference Drag کمتری تولید می کنند؛ اما در مقابل از سخت تر شدن دسترسی مکانیک ها به موتور جهت تعمیر که بگذریم، چنین چیدمانی افزایش صدای موتور در داخل کابین مسافر را به همراه دارد چرا که در بال های پایین بخشی از صدا توسط خود بال شیلد می شود و در نتیجه آلودگی صوتی کمتری در کابین مسافر به وجود می آید.

بهینه سازی آیرودینامیکی

اصطکاک و Drag وابسته به نیروی لیفت، Induced Drag، شاخص ترین عوامل در تولید نیروی Drag آیرودینامیکی محسوب می شوند. در حال حاضر پیشرفت های صورت گرفته در زمینه های سازه و آیرودینامیک کمک شایانی در بحث به حداکثر رساندن طول بال ها در عین کاهش نیروی Drag آیرودینامیکی شده است. این پیشرفت ها از آن جهت حائر اهمیت هستند که با تکیه بر آن ها می توان در بهینه سازی ابعاد بهره برد؛ برای مثال، فاحش ترین تاثیر این تکنولوژی، کاهش طول بال های هواپیماهای غول پیکر است که در حالت عادی به نظر می رسد به بال های بزرگتری برای پرواز نیاز خواهند داشت و در نتیجه کاهش طول بال ها بدان معناست که آن هواپیما می تواند در هر فرودگاهی  نشست و برخاست کند.

 Winglet یا قسمت زاویه دار نوک بال ها از همان فناوری هایی محسوب می شود که در رسیدن به بال هایی با طول کمتر در ازای تولید نیروی لیفت مورد نظر و بهینه تر جهت به پرواز درآوردن یک هواپیما بسیار موثر واقع شده است. در نگاه اول در می یابیم که هوایپماهایی نظیر بوئینگ 747-400، ایرباس A380 بخاطر ابعاد بزرگ و وزن سنگینشان قاعدتا باید به بال های بزرگی نیاز داشته باشند اما در مقابل این نقطه نظر باید از این واقعیت پرده برداشت که استفاده از Winglet باعث شده تا گردباد های ناشی از نوک بال ها به طور چشمگیری کاهش پیدا کند و در نتیجه بازده بال افزایش یابد و دیگر به بال بزرگتری نیاز نباشد. بهینه سازی آیرودینامیکی جز نقاط بالقوه در جهت بهینه سازی هوابردها دسته بندی می شود و بنا بر پیش بینی های انجام شده توسط مهندسین طراحی و ساخت سازه های پروازی این روند تا بیست سال آینده نیز ادامه خواهد داشت.

علم مواد

وزن اضافه ای در هر وسیله نقلیه ای باعث افزایش مصرف سوخت می شود. یکی از راهکارهای موثر جهت کاهش وزن استفاده از مواد سبک تر و با استحکام در ساختار هواپیما است. از جمله تکنیک هایی که که رسیدن به هدف فوق را میسر می سازد استفاده از ترکیب دو یا چند ماده با یکدیگر است که اصطلاحا به آن مواد مرکب یا کامپوزیت می گویند. برای مثال در ساخت بدنه ایرباس A380 از ترکیب الیاف شیشه و پوسته آلومینیومی استفاده شده است.

پوسته آلومینیومی به تنهایی قادر به تحمل برخوردهای شدید نیست، از طرفی ساختار الیاف شیشه این استحکام را برای پوسته آلومینیومی تضمین می کنند. در این کامپوزیت، آلومینویم و شیشه، خم شدن پوسته آلومینیومی سبب دفع کردن اثر برخورد و ضربه و الیاف شیشه مانع پاره شدن پوسته آلومینویمی می شود.

بهینه سازی ترمودینامیکی

 در این زمینه بهینه سازی نسبت فشار عملیاتی بالاتر (HOPR) موضوعی است که در بهبود بخشی واحد احتراق (Combustion) یک موتور جت و البته برخی از چرخه های دیگر موتور مطرح می شود که در این مورد نباید تنها به این کار اندیشید چرا که بهینه سازی موتور ها با خود پیچیده تر شدن مکانیکی را به همراه دارد و پیچیده تر شدن یعنی وجود امکان بالقوه در خصوص افزایش هزینه های تعمیرات و نگهداری و نتیجه این که این بهبود بخشی ها باید به گونه ای اعمال شوند که با خود هزینه های هنگفت را به همراه نداشته باشند.

افزایش نسبت منظری بال

این امر موجب کاهش Induced Drag می شود که این امر نیاز به موتورهایی با Thrust بیشتر را از بین می برد و فقدان نیاز به موتورهای قوی تر یعنی کاهش مصرف سوخت و در نهایت کاهش هزینه های عملیاتی! البته درست است چنین فرایندی امتیازات بالا را به همراه دارد اما چنین کاری سبب می شود تا دیگر نتوان هواپیماها را در آشیانه های متداول واقع در فرودگاه های امروزی جای داد که خود این موضوع باعث شده است تا طراحان به سمت تکنولوژی موجود در بال های تاشو جنگنده های ناونشین سوق پیدا کنند که از طرفی خود این امر نیز باعث افزایش وزن جهت تقویت محل لولای قسمت تاشونده می شود. لذا طراحان برای جلوگیری از افزایش وزن تصمیم گرفته اند تا از مواد کامپوزیتی استفاده کنند که خود استفاده از کامپوزیت در چنین قسمت هایی به معنای افزایش هزینه ها در مرحله ساخت و تولید است.

اما حتی استفاده از چنین تکنولوژی خروجی دلخواه را به طراحان نداد و آن ها مجبور به استفاده از روش کلاسیک عصای بال (Braced Wing) شدند که به طور چشمگیری استحکام بال را افزایش می دهد و وزن بال را مهار می کند. نقطه ضعف چنین روشی ایجاد Drag شدید در سرعت های پیمایشی معادل 800 کیلومتر در ساعت است. جهت جبران این Drag تحمیلی نسبت ضخامت بال را می توان کاهش داد که خود کاهش پیدا کردن ضخامت سبب محدود شدن فضا جهت نصب تانکرهای سوخت می شود و این یعنی کمتر شدن میزان سوخت قابل حمل و برای حل این موضوع هم طراحان تصمیم به استفاده از تانکر سوخت اضافی (External fuel tank) گرفته اند که در سینه بدنه تعبیه می گردد.

 استفاده از موتور های توربوپراپ

مزیت چنین موتور هایی در آن است که هوایی که از پراپ ها گذشته و در اصل تولید نیروی پیشرانش کرده در ادامه مسیر خود بر روی سطح بال به حرکت خود ادامه خواهد داد. از طرفی می دانیم که بال زمانی تولید نیروی لیفت می کند که هوا بر روی آن با سرعت مناسب جربان داشته باشد که این جریان یافتن و به واسطه جلو حرکت کردن به سرعت هواپیما با نیروی Thrust انجام می شود. حال در این هواپیماهایی که مجهز به موتورهای توربوپراپ هستند علاوه بر جریان داشتن هوا بخاطر حرکت رو به جلو هواپیما، جریان پر سرعت عبور کرده از پراپ ها نیز بر روی سطح بال ها حرکت می کند و با جریان اصلی ترکیب می شود که این عامل سبب افزایش آهنگ تولید نیروی لیفت و کارآمد تر شدن بال ها می شود.  

تکنولوژی هایی که در این مقاله به آن ها پرداخته ایم تکنولوژی هایی هستند که در جهان امروز هواپیماسازی، در فاز آزمایش و رفع نقص قرار دارند چرا که همانطور که مشاهده کردید برخی از خود آن ها نیز مشکلات خاص خود را به همراه دارند اما با این تفاسیر در هواپیماهایی استفاده شده اند و مهندسان توانسته اند تا از آن ها به خروجی دلخواه برسند که از مطرح ترین این هواپیما ها می توان به ایرباس A320-Neo، بوئینگ 737-Max، ایرباس A350 و بوئینگ 747-8 اشاره کرد. برای مثال زمانی که 747-8 را با نمونه های پیشین مقایسه می کنیم به این نتیجه می رسیم که این کلاس حتی از سری 400 نیز از مکانیزم عملکردی بهتری برخوردار است. در سری 8 خبری از موتورهای سنگین، Wingletهای نوک بال ها که در سری 400 دیده می شوند نیست و این بیانگر آن است که بوئینگ موفق شده تا با ارائه سری 8 بخشی از فرایند بهینه ساز را انجام دهد و یا ایرباس توانسته است تا با ارائه نمونه A350 گامی نوین در جهت ساخت هواپیماهای کامپوزتی-کربنی بردارد.