Loading AI tools
מוויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
הנדסת אווירונאוטיקה (גם הנדסת אווירונאוטיקה וחלל והנדסה אווירונאוטית; באנגלית: Aerospace Engineering או Aeronautics Engineering) היא ענף של ההנדסה העוסק בפיתוח יעיל ושיטתי של כלי טיס, טילים, לוויינים, חלליות ומערכות הייחודיות להם.
מקצוע הנדסת אווירונאוטיקה הוא מקצוע רב-תחומי העוסק בפיתוח ותחזוקה של מערכות מוטסות על ידי החלה של עקרונות של מדעים מדויקים, הנדסה, ניהול פרויקטים וידע ייחודי על כלי הטיס עצמו. כבכול הנדסה, גם בהנדסת אווירונאוטיקה נעשה שימוש במדדים המשמשים לבחינת איכותו של תוצר הפיתוח כגון יעילות, אמינות, וגמישות לשינויים.
אווירודינמיקה (תורת הזרימה) הוא תחום המחקר העוסק בזרימת זורם סביב אובייקטים, כמו כנף, גוף המטוס או בתוך גופים, כמו מנהרת רוח ובמעברי חום. תורת הזרימה מאפשרת לחשב את הכוחות הפועלים על כלי הטיס: כח עילוי וכח צד הפועלים בניצב לזרימת האוויר וכח גרר הפועל במורד הזרימה. (ראו גם אווירונאוטיקה). שקלול כוחות אלה עם כוחות נוספים, כמו כוח הכובד וכוח ההנעה משמשים לחישוב המומנטים ושקול הכוחות הגורמים לתנועה הקווית והזוויתית של כלי הטיס.
תורת ההנעה עוסקת באותן מערכות, המספקות את האנרגיה להזזת הכלי באוויר או בחלל. תחום זה חופף חלקית לתחום הפיתוח של מנועי הרכב, אולם מנועים אווירונאוטיים נדרשים להיות אמינים מעל לסטנדרטים המקובלים בתעשיית הרכב.
מנועים אלה מתחלקים לסוגים הבאים:
מנוע בערה פנימית הוא מנוע בו תהליך שריפת הדלק והמחמצן מתבצע בתהליך פנימי, בתוך חלל סגור. מנועים אלה מתחלקים למנוע ארבע פעימות, הדומה למנוע רכב רגיל, מנוע שתי פעימות, המשמש בעיקר לאופנועים קלים ולמנוע רוטורי, המשתמש בבוכנה מסתובבת ונמצא בשימוש בכלי רכב ייחודיים.
בכלי טיס, מנועי הבערה הפנימית משמשים בדרך כלל להנעת מדחף או מסחב, כלומר ציר שעליו בנויים מספר להבים, שבמהירות סיבובם יוצרים כוח עילוי, הדוחף או סוחב את ציר המנוע, ואיתו את כלי הטיס כולו.
מנוע סילון הוא מנוע בו תהליך שריפת הדלק והמחמצן מתבצע בתהליך פנימי בתא-שרפה, אולם האוויר החם הנפלט ממנו חופשי לנוע לסביבה ולהתפשט במהירות שגבוהה ממהירות הכניסה. לכן, על פי חוקי ניוטון האצת האוויר לכיוון אחורי המטוס גורמת להאצת כלי הטיס קדימה ומכאן כוח ההנעה. מנועי סילון פותחו במהלך מלחמת העולם השנייה ומאז משמשים במרבית כלי הטיס.
מנועי הסילון מתחלקים לסוגים שונים על פי סוג הניצול של אנרגיית הסילון הנובעת מהם:
מנועים רקטיים הם מנועי סילון, שייחודיים בכך שהמנוע מכיל הן את הדלק והן את המחמצן (נקראים ביחד הודף), כלומר המנוע אינו נושם אוויר חופשי. מנועים רקטיים משמשים בעיקר במשימות בהם אין אטמוספירה בחלל, או בטילים ורקטות, בהם נדרש כוח לזמן קצר. מנועים רקטיים מתחלקים לשני סוגים עיקריים: בעלי הודף מוצק, בהם המחמצן והדלק מורכבים ביחד בתערובת מוצקה, ותהליך הבערה מתרחש על פני השטח של המוצק, ומנועים בעלי הודף נוזלי, בהם המחמצן והדלק נמצאים במכלים נפרדים וזורמים לתא הבערה במנוע באמצעות משאבות בדומה למנועי בערה פנימית או סילון. מנועי דלק מוצק משמשים בעיקר ביישומים צבאיים, בשל אמינותם הגבוהה, עלות התחזוקה הנמוכה וחיי המדף הארוכים שלהם. מנועי דלק נוזלי משמשים ביישומים בהם נדרשת יכולת לשלוט בעוצמת הדחף שהמנוע מספק, וביישומים בהם נדרשת יעילות גבוהה במיוחד, כמו בשיגור של מעבורת חלל.
תורת הבקרה עוסקת בתוכן של מערכות, שתפקידן לשפר את התנהגות הדינמית של כלי הטיס (או החלל), לשלוט במיקומו במרחב, במהירותו, בזוויותיו ובתאוצות הקוויות והזוויתיות. תחום זה מורכב בעצמו מהנושאים הבאים:
תורה העוסקת במחקר, תכנון ופיתוח של חיישנים, המשמשים למדידת תכונות שונות של כלי הטיס ולמידול אי הדיוקים האופייניים להם, כגון הטייה, ורעש.
סוגי חיישנים נפוצים הם:
שערוך היא תורה מתמטית העוסקת בשיפור המדידה של ערך נמדד כלשהו. ישנן כמה שיטות שונות לשערוך, אולם הנפוצה והמקובלת ביותר לשערוך תנועה של גופים היא מסנן קלמן (Kalman Filter).
תורת הבקרה היא תורה מתמטית שמטרתה לגרום למערכת כלשהי להגיע למצב הרצוי, כפי שנדרש על ידי משתמש, ליציבות של מצב רצוי זה ולזריזות המערכת בהגעתה למצב הרצוי.
מערכות בקרה בכלי טיס אחראיות על דינמיקת המטוס (טייס אוטומטי) ועל מערכות נוספות במטוס. בלוויינים נעשה שימוש במערכות בקרה לצורך בקרת כיוון החללית, שחשוב במיוחד לניצול אנרגיה סולארית.
הנחיה היא תורה העוסקת ביצירת חוקים, שמטרתם הגדרת המסלול הרצוי לכלי הטיס (או לטיל). חוקי ההנחיה יכולים לנבוע מחוקים קלאסיים ובהם: "רדיפת כלב", "ניווט יחסי", חוקים הנובעים מבקרה אופטימלית וחוקים הנובעים ממשחקים דיפרנציאליים. חוקי ההנחיה משתמשים במידע על מצב הכלי (והמצב היחסי שלו ביחס לכלי או גוף אחר), כפי ששוערך בכלי השערוך, כדי ליצור פיקוד, שישמש קלט למערכת הבקרה האחראית על הוצאתו לפועל.
ניווט היא תורה העוסקת בשערוך מיקומו של כלי טיס, או כלי חלל, ביחס למערכת צירים מוגדרת. תורת הניווט משתמשת בנתונים שנמדדו על ידי מדידים שונים, ומשערכת אותם תוך שימוש בשיטות קלאסיות כמו ניווט אינרציאלי, מדידת GPS או שילוב של מספר מדידים.
תורת החוזק או חוזק חומרים עוסקת בתוכן של התצורה הפיזית, הנדרשת כדי לעמוד בכוחות הפועלים על כלי הטיס בשעת הטיסה. באופן די מובן, יעד התכן של מבנה אווירונאוטי הוא להיות קל ככל האפשר, ולכן נעשה שימוש במקדמי בטיחות נמוכים יחסית למבנים בבניינים או בגשרים ובחומרים מתקדמים, כגון חומרים מרוכבים, ומבני כוורת. בשל הדינמיקה ישנן תופעות אווירואלסטיות שנובעות מהקשר בין כוחות הזרימה לגמישות המבנה, כמו פרפור(אנ').
ענף במכניקה העוסק בתנועת כלי טיס, בהתחשב בכוחות האווירודינמיים הפועלים עליו, במשקלו ובדחף המנועים שלו. מכניקת הטיס מתארת את דינמיקת התנועה של כלי הטיס, ותכונות ההתנהגות של כלי הטיס הנובעות מגאומטרית המטוס ביחס לזרימת האוויר סביבו, אשר מגדירה את היציבות האווירודינמית של כלי טיס, המתואר ביחס לשינויים והפרות ממצב שווי משקל, כמו טיסה ישרה ואופקית.
הנדסת אווירונאוטיקה הנה מקצוע רב-תחומי ופיתוח כלי טיס, או מערכת הנדרשת להיות מורכבת בכלי טיס, הוא פרויקט מורכב, הדורש אנשי מקצוע, בעלי התמחות מקצועית בתחומים הבאים:
כמו רוב הפרויקטים בעולם, גם פרויקט אווירונאוטי מתחיל בלקוח, המבקש לענות על צרכים מסוימים שלו, להלן דרישות הלקוח. דרישות הלקוח, בתמצית, מתייחסות לנושאים הבאים:
ניתוח דרישות הלקוח הוא תהליך איטרטיבי, במהלכו דרישות הלקוח מפורטות לדרישות תכן על ידי היצרן, שמטרתן לתת מענה לדרישות המקוריות של הלקוח. התהליך מבוצע כך שלכל דרישת לקוח יש דרישת תוכן אחת לפחות הבאה לתת מענה על הדרישה המקורית. בעידן המודרני כלי תוכנה לניתוח דרישות משמשים לניהול בסיסי המידע של דרישות המקור ודרישות התכן, ומאפשרים לוודא כי קיים כיסוי מלא לכל דרישות הלקוח.
תהליך ניתוח הדרישות בשלב זה מחייב צוות של מומחים מתחומים שונים, ובדרך כלל מבוצע בצוותי עבודה אינטגרטיביים. בתום התהליך הדרישות מפורטות במידה מספקת כדי לאפשר לפרק את המשך תהליך התוכן לתחומים השונים המרכיבים את הנדסת אווירונאוטיקה. בהמשך הפרק מתוארים תהליכי התכן האלה. יחד עם זאת, הצוות האינטגרטיבי ממשיך את פעולתו לאורך חיי הפרויקט כדי לסנכרן בין צוותי התכן הדיסציפלינריים.
סכנה הנה כשל אפשרי העלול לפגוע באופן ממשי בכלי הטיס, באנשים הטסים בו או במערכותיו. בדומה לניהול סיכונים גם בניהול סכנות התהליך הוא הערכת הכשלים האפשריים והגורמים להם, בהתבסס על תכנון המערכת, וביצוע טיפול בסכנות אלה. דוגמאות לטיפול יכולות להיות בניית מערכות בעלות יתירות כפולה ומרובה במקומות בהם כשל בודד עלול לגרום לנפילת כלי הטיס או לנזק למערכת.
מהנדסי אווירונאוטיקה נעזרים בתכנות ובכלי סימולציה מסחריים וייחודיים לחברה או לפרויקט. כלי סימולציה משמשים את המהנדס משלב התכנון, דרך שלבי הפיתוח, ההוכחה של כל מערכת, השילוב של כל המערכות בהנגאר ההרכבות וכלה בשלבי התפעול השוטף, כמאמני טיסה, אמצעי הדרכה לצוותי תחזוקה או כלים לבחינת שיפורים עתידיים.
דוגמאות לשימוש בסימולציה:
דרישות כלי הטיס, כמו טווח הטיסה הנדרש, מהירות הטיסה הנומינלית, גובה טיסה ומשקל המטען המועיל שכלי הטיס נדרשת לשאת מאפשרים להעריך את הדרישות האווירודינמיות ואת ביצועי הטיסה הנדרשים. דרישות אלה מובאות לידי ביטוי על ידי תכנון:
לאחר התכנון ניתן להשתמש בסימולציה ו/או במנהרת רוח כדי להעריך את המקדמים האווירודינמיים של כלי הטיס. מקדמים אלה ונתונים נוספים (כמו נתוני מנוע) יאפשרו לחשב את ביצועי הטיסה, מבחינת מהירות הזדקרות, מהירות מרבית, תקרת טיס, מעטפת טיסה, טווח טיסה ועוד. ביצועים אלה נבחנים מול דרישות הלקוח ונעשים השינויים הנדרשים בהתאם.
המקדמים האווירודינמיים שחושבו בתהליך התכנון האווירודינמי הם הקלט לתכנון מערכות הבקרה ובעיקר הטייס האוטומטי. תכנון טייס אוטומטי מתחיל בבניית מודל מתמטי (ליניארי ולא-ליניארי) של כלי הטיס, במונחים של תורת הבקרה. לאחר מכן מתבצע תכנון של חוגי הבקרה הבסיסיים: שליטה בזווית עלרוד (מידת הגבהת אף המטוס ביחס למישור האופקי), במהירות הטיסה, בגובה הטיסה, בזווית הגלגול (זווית הטיית הכנף ביחס למישור האופקי) ובזווית הסבסוב (הזווית בין כיוון הטיסה לכיוון הצפון).
חוגי בקרה נוספים נבנים תוך שימוש בחוגי הבקרה הבסיסיים. חוגים אלה עוסקים בביצוע נתיב טיסה מתוכנן, טיסה לנקודת ציון מתוכננת, שמירה על נתיב המראה ונחיתה.
במהלך תהליך התכנון נעשה שימוש במודלים מורכבים יותר ויותר של כלי הטיס והמערכות בו, כך שרמת הדיוק והודאות משתפרת ביחס לביצועי מערכת הבקרה בזמן טיסה אמיתית.
תכנון של מבנה אווירודינמי מביא בחשבון את הדרישות, הסותרות לעיתים, של עמידה בכוחות ובמומנטים שפועלים על המטוס, עמידה בדרישות הצורה האווירודינמית של הגוף, עמידה בדרישות משקל קלות ודרישות כלכליות. כדי לעמוד בדרישות אלה המבנה האווירודינמי של כלי הטיס מתוכנן באופן שנועד ליצור פשרה מיטבית בין כל הדרישות. במהלך השנים פותחו מספר קונספטים מקובלים למבנה של כלי טיס:
תפקיד השלד לספק את דרישות החוזק והאלסטיות של המבנה והשכבה הדקה משמרת את תנאי הסביבה בתוך כלי הטיס, כמו לחץ אוויר, ואת הצורה האווירודינמית של כלי הטיס. השלד בנוי מקורות אורכיות (אורכנים), המחברות טבעות, שנקראות גם חציצים. השלד אמור לספוג את מרבית המאמצים המופעלים על המטוס, ואליו גם מועברים מאמצים מאזורים אחרים במטוס (כגון הכנפיים).
מעטה המטוס (אם קיים) מתחלק לשניים:
מבנים בתוך כלי הטיס בנויים מתצורות קלות משקל, שמשלבות בדרך כלל שילוב של מתכת ואוויר. מבנה לדוגמה הוא מבנה כוורת. במקומות בהם תנאי המבנה מאפשרים זאת עושים שימוש במבנים מחומר מרוכב.
בתכנון המבנה נעשה שימוש בכלי תכנון ויצור בעזרת מחשב (תיב"ם). כלים נוספים המשמשים את התכנון הם כלים שמשתמשים בשיטות חישוב של אלמנטים סופיים כדי לחשב את עמידת המבנה בדרישות החוזק.
תכנון מערכת ההנעה מביא בחשבון את הדרישות של כלי הטיס, הנובעות מבטיחות טיסה, ממשקל כלי הטיס, מהמבנה האווירודינמי שלו, מהמבנה שלו ומאופן הפעילות שלו. כלומר, מהנדס ההנעה מקבל דרישה לגבי עוצמת המנועים, ההספק החשמלי שהם נדרשים לייצר כדי להפעיל את מערכות האוויוניקה, מספר המנועים ומיקומם בכלי הטיס.
תוצאת התכנון היא בחירה של יצרן ודגם המנוע, ותכנון של אופן השילוב של מנוע זה במטוס מבחינת מבנה, אספקת חשמל והעברת טלמטריה מהמנוע למחשבי בקרת הטיסה.
מערכות האוויוניקה הן "מערכות העצבים והמוח" של כלי הטיס, אחראיות על העברת מידע מהחיישנים הפזורים בכלי הטיס למחשבי בקרת הטיסה, העברת פקודות ממחשבי בקרת הטיסה אל המפעילים, המוציאים אותן לפועל, ועל ביצוע חישובי הניווט, הבקרה וניטור בריאות כלי הטיס בזמן פעילותו.
עד שנות ה-60 מערכות האוויוניקה היו מערכות אנלוגיות, אולם מאז חלו מספר מהפיכות בתחום:
תכנון מערכות האוויוניקה נועד לתת מענה לדרישות של יתירות מערכות (בטיחות טיסה), של העברה מובטחת של מידע בקצבים שונים, ביצוע חישובים שונים הקשורים לטיסת המטוס ולביצוע המשימה. מהנדס האוויוניקה מגדיר את ארכיטקטורת מערכת הבקרה (ריכוזיות מול ביזוריות, חלוקה פונקציונלית לרכיבי חומרה שונים), את פריסת החיישנים במטוס, את קווי התקשורת השונים ועוד.
מערכות המכניקה של כלי הטיס כוללות בעיקר מערכות הידראוליות המסייעות בטיסה. תכנון המערכות כולל את תכנון כני הנסע, הנועדים לתמוך במשקל המטוס בהמראה ובעיקר בהלמי הנחיתה, ותכנון מערכות הגברת הכוח ההידראוליות האחראיות על הנעת ההגאים של המטוס.
מערכות העזר הן מערכות, שאינן נדרשות להטסת המטוס באופן ישיר, אולם חיוניות לביצוע משימותיו. לדוגמה ניתן לחשוב על מערכות בקרת האקלים ולחץ האוויר במטוס נוסעים. מערכות אלה קריטיות לבריאותם ולבטיחותם של הנוסעים ולכן תכנון מערכות אלה נדרש לעמוד בדרישות מחמירות של בטיחות.
רב יצרני המטוסים הגדולים אינם מייצרים את תת-המערכות בעצמם אלא משלבים מערכות מיצרנים שונים. שילובי המטוס הוא שלב ממושך שמתבצע בהנגאר הרכבת מטוסים ובמהלכו המטוס המורכב עובר בדיקות ממושכות שמבטיחות את בטיחות המטוס. רק לאחר ביצוע הבדיקות ניתן לעבור לשלב ניסויי הטיסה.
ניסויי הטיסה מתבצעים בהדרגתיות מהקל-אל-הכבד, כאשר הניסויים הראשונים כוללים בדרך כלל את הוכחת יכולת כלי הטיס להמריא ולנחות בבטחה, ובהמשך נבחנים ביצועי המטוס בטיסה במתארים שונים השייכים למעטפת הטיסה שלו. לאחר הוכחת המטוס ובטיחותו משולבים בו המטענים הייעודיים והמערכות, שלהן הוא נועד מלכתחילה, וסדרת הניסויים הבאה כוללת את הוכחת השילוב של כלי הטיס והמערכות והצלחת שילוב זה בביצוע המשימות הנדרשות על ידי הלקוח.
ביצוע ניסויי טיסה הוא מקצוע בפני עצמו, הכולל את הגדרת הנושאים הבאים:
לאחר הניסוי מבוצע ניתוח, באמצעות כלים ממוחשבים רבים שבוחנים את התנהגות כלי הטיס על כל מערכותיו. תוצאות הניתוח משפיעות פעמים רבות על שינויי תכן וביצוע עבודות לתיקון תקלות בלתי צפויות בכלי הטיס. תקלות אלה מתוקנות בכלי הטיס הסדרתי.
אחריות יצרן כלי הטיס מתמשכת לאורך חיי כלי הטיס וכוללת תמיכה לוגיסטית בחלפים, הנפקת ספרות אחזקה תפעול ופרסומים הנדסיים. במקרה ונדרש היצרן גם מכין ומפרסם הוראות שינוי, מפרסם ממצאים בטיחותיים.
היצרן יגדיר דרישות אחזקה מתוכננת – כלומר, כל אחזקה התלויה בשימוש כלי הטיס, דוגמת ביקורות מחזוריות התלויות בשעות טיסה או מספר גיחות. היצרן גם ינהל את הנושאים הטכניים התלויים בספקי הרכיבים שלו.
כמו כן היצרן לרוב יהיה מעורב באחזקה המתוכננת והלא מתוכננת, אם כי לרוב ברמה הגבוהה יותר. כלומר, היצרן ישאף לאסוף נתונים סטטיסטיים שיקנו לו את הכלים להבין אם יש נקודות כשל או רכיבים בעייתיים בכלי הטיס, או לחלופין אם יש תחום בו ייתכן וניתן לפשט או להוריד את דרישות הביקורת והאחזקה אם הנתונים בשטח לא מצדיקים הקפדה יתרה.
כמו כן היצרן יעקוב אחרי נתוני התעייפות החומר בכלל הציים של כלי הטיס הן בשביל לזהות אזורים בעייתיים בהם נוצרים כשלים מבניים, ולקבל מידע טוב יותר על אורך חיי מבנה כלי הטיס ועל ידי כך לנהל את אורך החיים שלו.
עיינו גם בפורטל: | |||
---|---|---|---|
פורטל מדעי החלל |
ספרות בנושאי זרימה:
ספרות בתחום ההנעה:
ספרות בתחום הבקרה:
ספרות בתחום ההנחיה:
ספרות בתחום החוזק והמבנים:
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.