هواپیماهای موتوردار
پرندهٔ رایت ۱ در حال اولین آزمایش در ۱۷ دسامبر ۱۹۰۳. در حال حاضر این هواپیما در موزه ملی هوافضای اسمیتسونین در شهر واشینگتن دی‌سی به نمایش گذاشته می‌شود.
اما بسیاری مخترع هواپیما به معنای امروزی را برادران رایت می‌دانند. آنها نخستین کسانی بودند که موفق شدند هواپیمای بی‌موتور یا بادبادک هوائی را نیرو داده با سرعت و به میل سرنشین در فضا به پرواز درآورند. برادران رایت پس از سال‌ها آزمایش در ۱۷ دسامبر ۱۹۰۳ در کیتی هاوک در کارولینای شمالی، آمریکا موفق شدند موتور کوچکی برروی هواپیمای خود نصب کنند و به محور این موتور پروانه‌ای که عیناً شبیه یک فرفره بود متصل سازند و در نتیجه هواپیما را بر اثر گردش فرفره با استفاده از نیروی موتور در هوا به پرواز در آورند. با اینکه پیش از برادران رایت موتورهای نفت سوز اختراع شده بود ولی فکر استفاده از پروانه (هلیس) برای شکافتن هوا و پیش بردن هواپیما به اندیشه کسی خطور نکرده بود. آن‌هایی که می‌خواستند هواپیما را با سرعت در فضا به حرکت در آوردند همگی سعی داشتند با استفاده از حرکت دادن بال‌ها این کار را انجام دهند زیرا آنها می‌خواستند عیناً از پرندگان تقلید کنند ولی کوشش مخترعین در این راه بجایی نرسیده بر همه ثابت شد که فکر برادران رایت یعنی استفاده از پروانه برای پیش بردن هواپیما در هوا صحیح‌ترین اندیشه‌هاست. هواپیمای آنها به عنوان «اولین وسیلهٔ سنگین‌تر از هوا که پروازی قابل کنترل و پایدار را توسط موتور خودش» انجام داد نام گرفت. برادران رایت اوتو لیلیان‌تال را به عنوان الهام‌گر خود معرفی کردند.
پس برادران رایت، کورتیس آمریکایی در سال ۱۹۰۸ اختراع رایت را تکمیل کرد و با قراردادن چند چرخ کوچک در زیر هواپیما مسئله فرود آمدن و برخاستن را حل کرد و بدین ترتیب از آن سال به بعد مخترعین در تکمیل این ماشین کوشیدند.
هواپیمای جت هواپیمایی است که از موتور جت برای پیشرانش استفاده می‌کند. اولین هواپیمای جت قابل استفاده، مدل Heinkel He 178 آلمانی بود که در سال ۱۹۳۹ آزمایش شد. و در سال ۱۹۴۳ هواپیمای مسرشمیت ام‌ئی ۲۶۲ (Messerschmitt Me 262) برای اولین بار در نیروی هوایی آلمان نازی استفاده شد. در اکتبر ۱۹۴۷ هواپیمای بل ایکس-۱ (Bell X-1) اولین هواپیمایی بود که توانست دیوار صوتی را بشکند.
اولین هواپیمای تجاری جت نیز در سال ۱۹۵۲ به نام De Havilland Comet روانهٔ بازار شد. ظرفیت این هواپیما بیش از ۱۰۰ نفر بود و توسط بریتانیا ساخته شده بود. بوئینگ ۷۰۷ اولین هوپیمای تجاری موفق دنیا بود که که توانست برای بیش از ۵۰ سال از ۱۹۵۸ تا ۲۰۱۰ میلادی سرویس دهی کند. بوئینگ ۷۴۷ نیز از سال ۱۹۷۰ بزرگ‌ترین هواپیمای تجاری جهان بود تا این که در سال ۲۰۰۵ ایرباس آ-۳۸۰ این رکورد را شکست.
ساختمان هواپیما
هواپیماها دارای ساختارهای متفاوتی هستند اما چند چیز در تمام هواپیماها مشترک است:
بدنه
بال
مجموعه دم
ارابه فرود
پیشرانه
بدنه
نمایی از داخل بدنهٔ بوئینگ ۷۴۷.
در بیشتر هواپیماها بدنه نقش اساسی و مشترکی مبنی بر قرار دادن بال، مجموعه دم، ارابهٔ فرود و نیروی پیشرانه در موقعیت و وضعیت مناسب خود ایفا می‌کند. در واقع بدنه رابط بین بخش‌های اصلی دیگر است. اما در برخی هواپیماها مانند بال‌های پرنده، بدنه و بال یکپارچه بوده و مرزی بین آنها وجود ندارد. از وظایف دیگر بدنه جذب شوک‌های وارده از طرف چرخ‌ها در هنگام فرود است. بدنهٔ هواپیما گونه‌های مختلفی دارد که به شرح زیر است:
بدنه اسکلتی یا خرپا:
بدنهٔ اسکلتی یا خرپا (Truss) در هواپیماهای اولیه تا جنگ جهانی اول بسیار استفاده می‌شد. هم‌اکنون در هواپیماهای دست‌ساز و نیز هواپیماهای مدل از این نوع بدنه استفاده زیادی می‌شود چرا که ساده، سبک و مقاوم بوده و با تیرک‌های چوبی قابل ساخت هستند. در این نوع بدنه اغلب نیروها و تنشهای وارده توسط سازه اصلی تحمل شده و از پوسته برای ایجاد شکل آیرودینامیکی به سازه استفاده می‌شود. سازهٔ اصلی از تیرک‌های طولی، تیرک‌های مورب، قاب‌های عرضی و کابل‌های نگهدارنده تشکیل شده است. برادران رایت که اولین هواپیماهای قابل کنترل را ساختند از این حالت در ساختار بدنهٔ هواپیماهایشان استفاده می‌کردند.
بدنه تخم مرغی:
در بدنهٔ تخم مرغی (Monocoque) پوستهٔ بدنه، اغلب نیروهای وارده را تحمل نموده و از سازه داخلی مختصری برای ثلب شدن پوسته استفاده می‌شود. معمولاً پوسته این نوع بدنه از جنس مواد کامپوزیت بوده و به صورت دو تکه ساخته می‌شود. بسیاری از هواپیماهای گلایدر، فوق سبک و هواپیماهای شکاری فوق مدرن نیز به این روش تولید شده‌است. بسیاری از هواپیماهای مدل و بدون سرنشین کاربردی نیز ازاین نوع بدنه سود می‌برند.
بدنه نیمه تخم مرغی:
بدنهٔ نیمه تخم مرغی (Semi-Monocoque) دارای مشخصات و ویژگی‌هایی بین دو نوع فوق بوده که باعث شده اکثر هواپیماهای امروزی از این نوع بدنه استفاده نمایند. تقریباً همه هواپیماهای مسافربری و شکاری دارای این نوع سازه هستند. در بدنه نیمه تخم مرغی نیروها و شوک‌های وارده هم بواسطه سازهٔ داخلی و هم توسط پوسته تحمل می‌شوند. در این ساختار در قسمت زیرین هواپیما یک گودی بوجود می‌آید که باعث می‌شود فشار ناشی از پرواز به آن قسمت و پوشش بدنه تقسیم شود. در این حالت فشار از قسمت پوشش بدنه به شدت کاهش می‌یابد و هواپیما دارای عمری بالاتر خواهد بود.
بال
میراژ هواپیمای جنگنده با بال متحرک
بال هواپیما حساس‌ترین و موثرترین قسمت هواپیما محسوب می‌شود. به همین دلیل در هنگام ساخت بال می‌بایست ظرافت و دقت خاصی به کار گرفته شود. تقریباً تمام نیرویی که هواپیما را به سمت بالا می‌کشاند توسط بال هواپیما ایجاد شده و بدنه نیز که به بال متصل است از حرکت بال پیروی می‌کند. کار بال‌ها افزایش نیروی بالا برنده (Lift) می‌باشد و در گردش هوا بسیار کمک می‌کنند. در طراحی هواپیما محاسبات بسیار گسترده‌ای برای بدست آوردن شکل مناسب بال اعم از سطح مقطع بال (air foil)، طول بال (wing span)، زاویه نصب بال (angle of incidence)، مکان نصب بال به بدنه (dihedral)، زاویه بین بال سمت چپ و بال سمت راست و... صورت می‌گیرد. یک اشتباه کوچک در ساخت بال حتی در یک هواپیمای مدل می‌تواند باعث زمین خوردن و یا انحراف عمده هواپیما در حین پرواز شود.
امروزه درصد بالایی از بال هواپیماها مشابه بدنه نیمه تخم‌مرغی (semi monocoque) دارای سازهٔ داخلی کامل و پوستهٔ نسبتاً ضخیم آلومینیومی یا کامپوزیتی می‌باشند که پوسته نیز در تحمل نیروهای وارده به سازه داخلی کمک می‌کند. این نوع بال را در هواپیماهای مسافربری و باربری می‌توان مشاهده نمود.
هواپیماهای بال ثابت:
بیشتر هواپیماهای امروزی به‌ویژه هواپیماهای مسافری در این دسته جای دارند. منظور از بال ثابت آن است که بال هواپیما (بر خلاف هلیکوپتر) فقط در اثر پیشرانش نیروی برآر ایجاد می‌کند. اگرچه بال در بعضی هواپیماها برای جاگیری کمتر یا ملاحظات هواپویشی ممکن است باز و بسته شود ولی این‌گونه هواپیما را نیز دارای بال ثابت می‌شمارند چون باز و بسته شدن بال ایجاد نیروی برآر نمی‌کند.
هواپیمای بال متحرک:
در بال‌گردها نیروی برآر ناشی از چرخش بال یا پروانه در هوا است. هلیکوپتر یا بالگرد شناخته‌شده‌ترین هواپیما با بال متحرک است. هواچرخ نوع دیگری از این‌گونه هواپیما است. بعضی از هواپیماها مثل و-۲۲ آسپری ویژگی‌های بال ثابت و بال متحرک را یکجا دارند.
در بال‌ها دو سیستم قابل حرکت وجود دارد که تحت کنترل خلبان هستند:
برآافزا:
برآافزا (Flap) برروی بال‌ها وجود دارند و خلبان با استفاده از یک سوئیچ و یا اهرم آنها را به هنگام برخاستن و یا نشستن باز و بسته می‌کند. واحد آنها درجه می‌باشد. حرکتشان به صورت همزمان به سمت پایین و به حالت اولیه است یعنی حرکتی به سمت بالا که بال هواپیما را رد کند ندارند. کار برآافزاها افزایش نیروی بالابرنده (lift) می‌باشند یعنی به هواپیما کمک می‌کنند تا راحت‌تر به سمت بالا و پایین مانور داده و نرم‌تر پرواز کنند. برآافزاها می‌بایست با توجه به شرایط و نیاز در پرواز به میزان معینی باز و بسته شوند و اگر به مقدار زیادی باز و یا بسته شوند می‌توانند در کاهش سرعت هواپیما به شدت تأثیر بگذارند. از برآافزا بیشتر در زمان‌های برخاست و نشست هواپیما که سرعت آن کم است برای جبران کمبود نیروی برآ استفاده می‌شود.
چرخش حول محور طولی یا غلت زدن با استفاده از شهپرها انجام می‌شود
شهپر:
شَهپَر (Aileron) در نوک بال‌ها قرار دارند. خلبان با استفاده از فرمان هواپیما آنها را به حرکت در می‌آورد. وظیفهٔ آنها حرکت هواپیما در آسمان به چپ و یا راست می‌باشد. حرکتشان بر خلاف یکدیگر است یعنی زمانیکه شهپر بال چپ بالا می‌رود، شهپر بال راست پایین می‌آید
هواپیمای جت هواپیمایی است که از موتور جت برای پیشرانش استفاده می‌کند. اولین هواپیمای جت قابل استفاده، مدل Heinkel He 178 آلمانی بود که در سال ۱۹۳۹ آزمایش شد. و در سال ۱۹۴۳ هواپیمای مسرشمیت ام‌ئی ۲۶۲ (Messerschmitt Me 262) برای اولین بار در نیروی هوایی آلمان نازی استفاده شد. در اکتبر ۱۹۴۷ هواپیمای بل ایکس-۱ (Bell X-1) اولین هواپیمایی بود که توانست دیوار صوتی را بشکند.
اولین هواپیمای تجاری جت نیز در سال ۱۹۵۲ به نام De Havilland Comet روانهٔ بازار شد. ظرفیت این هواپیما بیش از ۱۰۰ نفر بود و توسط بریتانیا ساخته شده بود. بوئینگ ۷۰۷ اولین هوپیمای تجاری موفق دنیا بود که که توانست برای بیش از ۵۰ سال از ۱۹۵۸ تا ۲۰۱۰ میلادی سرویس دهی کند. بوئینگ ۷۴۷ نیز از سال ۱۹۷۰ بزرگ‌ترین هواپیمای تجاری جهان بود تا این که در سال ۲۰۰۵ ایرباس آ-۳۸۰ این رکورد را شکست.
ساختمان هواپیما
هواپیماها دارای ساختارهای متفاوتی هستند اما چند چیز در تمام هواپیماها مشترک است:
بدنه
بال
مجموعه دم
ارابه فرود
پیشرانه
بدنه
نمایی از داخل بدنهٔ بوئینگ ۷۴۷.
در بیشتر هواپیماها بدنه نقش اساسی و مشترکی مبنی بر قرار دادن بال، مجموعه دم، ارابهٔ فرود و نیروی پیشرانه در موقعیت و وضعیت مناسب خود ایفا می‌کند. در واقع بدنه رابط بین بخش‌های اصلی دیگر است. اما در برخی هواپیماها مانند بال‌های پرنده، بدنه و بال یکپارچه بوده و مرزی بین آنها وجود ندارد. از وظایف دیگر بدنه جذب شوک‌های وارده از طرف چرخ‌ها در هنگام فرود است. بدنهٔ هواپیما گونه‌های مختلفی دارد که به شرح زیر است:
بدنه اسکلتی یا خرپا:
بدنهٔ اسکلتی یا خرپا (Truss) در هواپیماهای اولیه تا جنگ جهانی اول بسیار استفاده می‌شد. هم‌اکنون در هواپیماهای دست‌ساز و نیز هواپیماهای مدل از این نوع بدنه استفاده زیادی می‌شود چرا که ساده، سبک و مقاوم بوده و با تیرک‌های چوبی قابل ساخت هستند. در این نوع بدنه اغلب نیروها و تنشهای وارده توسط سازه اصلی تحمل شده و از پوسته برای ایجاد شکل آیرودینامیکی به سازه استفاده می‌شود. سازهٔ اصلی از تیرک‌های طولی، تیرک‌های مورب، قاب‌های عرضی و کابل‌های نگهدارنده تشکیل شده است. برادران رایت که اولین هواپیماهای قابل کنترل را ساختند از این حالت در ساختار بدنهٔ هواپیماهایشان استفاده می‌کردند.
بدنه تخم مرغی:
در بدنهٔ تخم مرغی (Monocoque) پوستهٔ بدنه، اغلب نیروهای وارده را تحمل نموده و از سازه داخلی مختصری برای ثلب شدن پوسته استفاده می‌شود. معمولاً پوسته این نوع بدنه از جنس مواد کامپوزیت بوده و به صورت دو تکه ساخته می‌شود. بسیاری از هواپیماهای گلایدر، فوق سبک و هواپیماهای شکاری فوق مدرن نیز به این روش تولید شده‌است. بسیاری از هواپیماهای مدل و بدون سرنشین کاربردی نیز ازاین نوع بدنه سود می‌برند.
بدنه نیمه تخم مرغی:
بدنهٔ نیمه تخم مرغی (Semi-Monocoque) دارای مشخصات و ویژگی‌هایی بین دو نوع فوق بوده که باعث شده اکثر هواپیماهای امروزی از این نوع بدنه استفاده نمایند. تقریباً همه هواپیماهای مسافربری و شکاری دارای این نوع سازه هستند. در بدنه نیمه تخم مرغی نیروها و شوک‌های وارده هم بواسطه سازهٔ داخلی و هم توسط پوسته تحمل می‌شوند. در این ساختار در قسمت زیرین هواپیما یک گودی بوجود می‌آید که باعث می‌شود فشار ناشی از پرواز به آن قسمت و پوشش بدنه تقسیم شود. در این حالت فشار از قسمت پوشش بدنه به شدت کاهش می‌یابد و هواپیما دارای عمری بالاتر خواهد بود.
بال
میراژ هواپیمای جنگنده با بال متحرک
بال هواپیما حساس‌ترین و موثرترین قسمت هواپیما محسوب می‌شود. به همین دلیل در هنگام ساخت بال می‌بایست ظرافت و دقت خاصی به کار گرفته شود. تقریباً تمام نیرویی که هواپیما را به سمت بالا می‌کشاند توسط بال هواپیما ایجاد شده و بدنه نیز که به بال متصل است از حرکت بال پیروی می‌کند. کار بال‌ها افزایش نیروی بالا برنده (Lift) می‌باشد و در گردش هوا بسیار کمک می‌کنند. در طراحی هواپیما محاسبات بسیار گسترده‌ای برای بدست آوردن شکل مناسب بال اعم از سطح مقطع بال (air foil)، طول بال (wing span)، زاویه نصب بال (angle of incidence)، مکان نصب بال به بدنه (dihedral)، زاویه بین بال سمت چپ و بال سمت راست و... صورت می‌گیرد. یک اشتباه کوچک در ساخت بال حتی در یک هواپیمای مدل می‌تواند باعث زمین خوردن و یا انحراف عمده هواپیما در حین پرواز شود.
امروزه درصد بالایی از بال هواپیماها مشابه بدنه نیمه تخم‌مرغی (semi monocoque) دارای سازهٔ داخلی کامل و پوستهٔ نسبتاً ضخیم آلومینیومی یا کامپوزیتی می‌باشند که پوسته نیز در تحمل نیروهای وارده به سازه داخلی کمک می‌کند. این نوع بال را در هواپیماهای مسافربری و باربری می‌توان مشاهده نمود.
هواپیماهای بال ثابت:
بیشتر هواپیماهای امروزی به‌ویژه هواپیماهای مسافری در این دسته جای دارند. منظور از بال ثابت آن است که بال هواپیما (بر خلاف هلیکوپتر) فقط در اثر پیشرانش نیروی برآر ایجاد می‌کند. اگرچه بال در بعضی هواپیماها برای جاگیری کمتر یا ملاحظات هواپویشی ممکن است باز و بسته شود ولی این‌گونه هواپیما را نیز دارای بال ثابت می‌شمارند چون باز و بسته شدن بال ایجاد نیروی برآر نمی‌کند.
هواپیمای بال متحرک:
در بال‌گردها نیروی برآر ناشی از چرخش بال یا پروانه در هوا است. هلیکوپتر یا بالگرد شناخته‌شده‌ترین هواپیما با بال متحرک است. هواچرخ نوع دیگری از این‌گونه هواپیما است. بعضی از هواپیماها مثل و-۲۲ آسپری ویژگی‌های بال ثابت و بال متحرک را یکجا دارند.
در بال‌ها دو سیستم قابل حرکت وجود دارد که تحت کنترل خلبان هستند:
برآافزا:
برآافزا (Flap) برروی بال‌ها وجود دارند و خلبان با استفاده از یک سوئیچ و یا اهرم آنها را به هنگام برخاستن و یا نشستن باز و بسته می‌کند. واحد آنها درجه می‌باشد. حرکتشان به صورت همزمان به سمت پایین و به حالت اولیه است یعنی حرکتی به سمت بالا که بال هواپیما را رد کند ندارند. کار برآافزاها افزایش نیروی بالابرنده (lift) می‌باشند یعنی به هواپیما کمک می‌کنند تا راحت‌تر به سمت بالا و پایین مانور داده و نرم‌تر پرواز کنند. برآافزاها می‌بایست با توجه به شرایط و نیاز در پرواز به میزان معینی باز و بسته شوند و اگر به مقدار زیادی باز و یا بسته شوند می‌توانند در کاهش سرعت هواپیما به شدت تأثیر بگذارند. از برآافزا بیشتر در زمان‌های برخاست و نشست هواپیما که سرعت آن کم است برای جبران کمبود نیروی برآ استفاده می‌شود.
چرخش حول محور طولی یا غلت زدن با استفاده از شهپرها انجام می‌شود
شهپر:
شَهپَر (Aileron) در نوک بال‌ها قرار دارند. خلبان با استفاده از فرمان هواپیما آنها را به حرکت در می‌آورد. وظیفهٔ آنها حرکت هواپیما در آسمان به چپ و یا راست می‌باشد. حرکتشان بر خلاف یکدیگر است یعنی زمانیکه شهپر بال چپ بالا می‌رود، شهپر بال راست پایین می‌آید