הנדסת אווירונאוטיקה

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.

תחומי הנדסת אווירונאוטיקה

אווירודינמיקה

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.

הנעה

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

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

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:

• מנוע טורבו-סילון - בו חלק מאנרגיית הסילון משמשת להנעת טורבינה, האחראית על דחיסת האוויר למנוע במהירויות נמוכות, כדי לשמש בתהליך הבערה. מנועים טורבו-סילון היו ראשוני המנועים מסוג זה, אולם היום אינם נפוצים כל כך.
• מנוע טורבו-מניפה- הדומה למנוע טורבו-סילון, ובו הטורבינה מניעה מניפה, שהיא סוג של פרופלור קטן המוקף בצינור. מנועים מסוג זה נפוצים בעיקר בתעופה האזרחית, בשל היותם שקטים ובעלי נצילות גבוהה בטווח מהירויות גדול ובמטוסי הקרב.
• טורבו-פרופ - בו כל אנרגיית הסילון מנוצלת בתוך המנוע, כשחלקה משמש להנעת הטורבינה וחלקה משמש להנעת מדחף, בדומה למנועי הבערה הפנימית שהוזכרו למעלה. מנועים מסוג זה משמשים בעיקר במטוסי מטען כבדים ובינוניים.
• מנוע מגח סילון - נמצא בשימוש ממלחמת העולם השנייה (ראה רקטה הגרמנית V1). כלי הטיס מואץ תחילה למהירות גבוהה (מהירות על קולית) באמצעות מנוע רקטי או על ידי נשיאה באמצעות כלי טיס אחר. עם ההגעה למהירות הטיסה הרצויה האוויר בתא השרפה נדחס כתוצאה מסדרת גלי הלם שמקורם בקדמת נחיר המנוע. האוויר הדחוס מוצת ובכך יוצר את ההדף המניע את כלי הטיס. שימוש בצורת הנעה זו מייתרת שימוש בטורבינה/מדחס ובכך מוזילה עלויות יצור ומשפרת המשקל המועיל של כלי הטיס.

מנוע רקטי

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

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:

חישה ומדידה

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:

• מד תאוצה - המודדים את התאוצה של הכלי ביחס לציר מסוים, ודרכה את הכוחות הפועלים על הגוף. תאוצה זו ניתנת לאינטגרציה לכדי מהירות ומיקום.
• סביבון (גירוסקופ) - המודדים את זווית הגוף או מהירות זוויתית של הגוף ביחס לציר מסוים. זוויות אלה משמשות בתהליכי החישוב של המהירות והמיקום.
• מקלט GNSS - האחראיות על קליטת נתונים מלווייני, דוגמת GPS ותרגומם למיקום וזמן של כלי הטיס.
• מד גובה - המשמשים למדידת גובה הטיסה על פי שינויי הלחץ ביחס ללחץ המקומי בגובה פני הים.
• מד פיטו - המשמש למדידת מהירות הטיסה על פי שינויי הלחץ הנובעים בין לחץ של אוויר עומד לבין לחץ של זרימת אוויר, בהתאם לחוק שימור האנרגיה.

שערוך

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).

בקרה

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

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

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.

ראו גם

• מערכת בקרה

תורת החוזק

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.

מכניקת הטיס

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.

שיטות ותהליכים בפיתוח כלי טיס

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:

איסוף דרישות, ניתוח ואפיון

כמו רוב הפרויקטים בעולם, גם פרויקט אווירונאוטי מתחיל בלקוח, המבקש לענות על צרכים מסוימים שלו, להלן דרישות הלקוח. דרישות הלקוח, בתמצית, מתייחסות לנושאים הבאים:

• אפיון המטען המועיל (גם: מטען ייעודי, מטע"ד). למשל בני אדם במטוס נוסעים, מטען במטוס תובלה, חימוש במטוס קרב.
• אפיון מעטפת הביצועים הנדרשת לכלי הטיס. למשל גובהי טיסה, טווחי טיסה, מהירויות, תאוצות, דרישות יציבות של כלי הטיס.
• דרישות בטיחות, כפי שנקבעות על ידי מנהל התעופה האמריקאי (FAA), דרישות הלקוח או "עקרונות הנדסה טובה" (Good Engineering Practice).
• דרישות לעמידה בתנאי סביבה - כמו לחות, אבק, תאוצות, אספקת חשמל למטענים המועילים.
• דרישות כלליות נוספות.

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.

הערכת וניהול סכנות

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.

סימולציה

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:

• בחינת הזרימה סביב כלי הטיס והכנפיים, שתאפשר להעריך את הכוחות והמומנטים האווירודינמיים הנוצרים בתמרונים שונים. כלים אלה מאפשרים לחסוך בהוצאות ניסויים במעבדות רוח ובבניית דגמים.
• בחינת מבנה כלי הטיס בסימולציות המחשבות את הכוחות הפועלים על גוף המטוס ויכולת חלקי המבנה השונים לעמוד בכוחות אלה ולפזר אותם ביניהם.
• כלים לחישוב ביצועי המנועים.
• כלים לפיתוח ובחינה של מערכות הבקרה, החל משרטוט מערכת הבקרה, חישוב תכונות כמו יציבות ורוחב-פס ועד חיבור מדידים אמיתיים והוכחה של מערכת הבקרה המשורטטת מול חומרה אמיתית.
• סימולציות סביבה ה"מזריקות" נתונים אודות הסביבה ומשמשות בשלבי הוכחת המערכות והאינטגרציה של כלי הטיס.
• פיתוח והוכחת קונספט תפעולי, כלומר האופן בו המטוס אמור להיות מופעל לאורך השנים. בדיקה זו מאפשרת לבחון את מספר הטייסים הנדרשים להפעיל את כלי הטיס, מערכות בקרה ותמיכה בתפעול, תצוגות ועוד.
• הערכת האמינות והזמינות של כלי הטיס בהתאם לנתוני אופן התפעול, תפיסת האחזקה, המערכות המשמשות בו, ארכיטקטורת כלי הטיס והיתירות שתוכננה בו למערכות אלה.

תכנון אווירודינמי וביצועי הטיסה

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:

• הכנף - אורך, שטח, צורה, מידת משיכה לאחור, פרופיל אווירודינמי, מיקום וזוויות התקנה ביחס לגוף, זוויות פיתול.
• משטחי ההיגוי - מספר המשטחים, גודלם, צורתם, מיקומם ביחס לגוף המטוס.
• גוף המטוס - אורך, רוחב, גובה, צורה (למשל ההבדל בין מטוס נוסעים כמו בואינג 747 למטוס הקרב B-2 המכונה "הכנף המעופפת"). גם לגוף המטוס השפעה על התכונות האווירודינמיות של כלי הטיס.

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.

תכנון מערכות הבקרה וטייס אוטומטי

ערך מורחב – מערכת בקרת טיסה

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 מבנה

ערך מורחב – מבנה כלי טיס

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:

• מבנה מסבך, שהוא שלד העשוי כולו מקורות ולעיתים עטוף בחיפוי אווירודינמי.
• מבנה קונכי למחצה או מלא, המורכב ממעטה שנסמך על שלד אורכנים וחציצים. מבנה קונכי מלא נועד לספוג את מרבית המאמצים במעטה, ואילו מבנה קונכי למחצה מעביר חלק גדול מהעומס אל האורכנים והחציצים.

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:

1. מעטה נושא מאמץ, המתוכנן לעמוד בעומסים ומאמצים הפועלים עליו. מעטה מעין זה יהיה חזק. מעטה זה מרכיב את מרבית מעטפת מטוסי הקרב, לדוגמה.
2. חיפוי אווירודינמי, שייעודו הוא להחליק את מתאר המטוס ולאפשר זרימת אוויר יעילה והפחתת גרר. חיפוי זה נפוץ במסוקים ומטוסים בעלי מבנה מסבך.

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

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.

תכנון מערכות האוויוניקה

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:

• שימוש באמצעי העברת תקשורת סטנדרטיים, התומכים בדרישות זמן-אמת והעונים על תקנים בינלאומיים, לדוגמה: 1553.
• מעבר למערכות דיגיטליות, ובעיקר למחשבי טיסה מבוססים מעבדים דיגיטליים.
• שימוש בקווי תקשורת מבוססי אתרנט, שאמנם אינם מבטיחים זמן אמת, אבל משותפים לסטנדרטיים בעולם המחשבים הרחב ולא ייחודיים לעולם האוויוניקה הצר.

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.

תכנון מערכות מכניקה

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.

תכנון מערכות עזר

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.

שילוב אב-טיפוס וניסויי טיסה

ערכים מורחבים – מטוס ניסוי, ניסוי טיסה

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:

• תצורות המטוס, כפי שנדרש מכל שלב בניסוי.
• חליפת החיישנים, התקשרות ואמצעי הפענוח בזמן הניסוי ולאחריו, שיאפשרו ניטור וניתוח של הטיסה והתנהגות כלי הטיס מעבר לחיישנים המשולבים במטוס באופן רגיל.
• חליפת המערכות והמטענים הייעודיים שיוכחו בכל ניסוי טיסה.
• שלבי הביצוע בכל גיחת ניסוי.

בניית קו-ייצור וייצור סדרתי

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.

תמיכה טכנית ניהול אורך חיים, אחזקה ומבנה

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.

ראו גם

• אווירונאוטיקה
• סוכנות החלל האירופית
• סוכנות החלל הפדרלית של רוסיה
• נאס"א
• רשימת יצרני מטוסים

לקריאה נוספת

ספרות בנושאי זרימה:

• The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow / A.H. Shapiro
• Modern Compressible Flow / J.D. Anderson Jr.
• Foundations of Aerodynamics / Kuethe
• Fluid Mechanics / White
• Foundations of Aerodynamics / Anderson

ספרות בתחום ההנעה:

• Mechanics and Thermodynamics of Propulsion / P.G. Hill and C.R. Peterson
• Rocket Propulsion / M. Barrere et al.
• Gas Turbine Theory / Cohen, Rogers and Saravnamuttoo

ספרות בתחום הבקרה:

• Modern Control Engineering / K Ogata
• Measurement Systems - Application and Design / E.O. Doebelin
• Probability, Random Variables and Stochastic Processes / A. Papoulis
• Applied Non-Linear Control / Slotine & Li
• Introduction to Non-linear Analysis / Cunningham
• Aircraft Dynamics and Automatic Control / D. McRuer, I. Ashkenas & D. Graham
• Automatic Control of Aircraft and Missiles/ J.H. Blakelock

ספרות בתחום ההנחיה:

• Missile Guidance and Pursuit / Shneydor
• Tactical and Strategic Missile Guidance / Paul Zarchan
• Advance in Missile Guidance Theory / Yossi Ben Asher

ספרות בתחום החוזק והמבנים:

• Theory of Elasticity Stability / Timoshenko & Gene
• The Analysis of Structures / Hoff
• Theory and Analysis of Flight Structures / Rivello

קישורים חיצוניים

• יואב כהן, משחק תפקידים | פרויקט לוקח חמש שנים, אבל מרוויחים עד 28 אלף שקל בחודש: מה עושה מהנדסת אווירונאוטיקה?, באתר TheMarker‏, 20 בספטמבר 2023
• הנדסת אווירונאוטיקה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)