هندسة الطيران والفضاء

Aerospace engineer
	NASA engineers, like the ones depicted in Apollo 13, worked diligently to save the lives of the astronauts on the mission.
Occupation
Names	engineer; aerospace engineer
Occupation type	profession
Activity sectors	aeronautics, astronautics, science
Description
Competencies	technical knowledge, management skills
Education required	see professional requirements
Fields of; employment	technology, science, military

هندسة الطيران والفضاء الجوي هو فرع من فروع الهندسة، وهو العلم المسؤول عن تصميم وبناء الطائرات والمركبات الفضائية، تنقسم هندسة الفضاء الجوي إلي فرعين أساسيين و متداخلين هما: هندسة الطيران والملاحة الجوية وهندسة الفضاء. الأول يتعامل مع المركبات ضمن الغلاف الجوي للارض ، والثاني يتناول المركبات التى تعمل خارج الغلاف الجوي للأرض. في حين أن "الملاحة الجوية" كانت المصطلح الأصلي، استطاع مصطلح "الفضاء الجوي" و هو الأشمل أن يوقف استخدام الأول وذلك بعدما توسعت تكنولوجيا الطيران لتشمل المركبات العاملة خارج الغلاف الجوي، و يطلق علي هندسة الفضاء الجوي بصفة منتظمة علم الصواريخ.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

نظرة عامة

تتعرض المركبات الحديثة لظروف قاسية مثل الاختلافات في الضغط الجوي ودرجة الحرارة، أو الحمولة الهيكلية الثقيلة التي تؤثر علي عناصر المركبة، وبالتالي فإنها عادةً ما تكون المنتجات من مختلف التكنولوجيات بما فيها الديناميكا الهوائية، وإلكترونيات الطيران، وعلوم المواد والدفع، وهذه التكنولوجيات تعرف إجمالاً بهندسة الفضاء الجوي، وبسبب تعقد مجال هندسة الفضاء الجوي قام بوضعه فريق من المهندسين والمتخصصين في كل فروع العلم، إن صناعة وتطوير مركبات الطيران تحتاج إلي اتزان حذر وتوافق ما بين الإمكانيات والتصميم والتكلفة.

التاريخ

صورة عتيقة للأخوان رايت أثناء المحاولة الرسمية الناجحة الأولي للطيران باستخدام طائرتهما الكيتي هوك

مقالة مفصلة: تاريخ الطيران

ترجع بداية هندسة الطيران إلى منتصف القرن الثالث الهجري، فقد ورد في كتاب «المُغرب في أخبار المَغرب» لابن سعيد: أن عباس بن فرناس التاكراني احتال في تطيير جثمانه، فكسا نفسه الريش، فتهيأ له أن استطار في الجو حتى وقع على مسافة بعيدة.

وفي عام 1896 قام العالمان الألمانيان جوستاف وأوتو ليلينتال Lilienthal بصنع أول طائرة شراعية، وقاما بالطيران بها من منحدر وبذلك وضعا أسس تحليق الأجسام الأثقل من الهواء. وقد كانت هذه الطائرة حافزاً للأخوين رايت لتصنيع أول طائرة ذات محرك ومروحة في عام 1903 .

كانت الحرب العالمية الأولى (1914- 1918) سبباً في تقدم هندسة الطيران تقدماً ملموساً، فقد ازدادت سرعة الطيران من 100 إلى 220كم/سا، وارتقت في الارتفاع من 1000م إلى 5000م، وازدادت الحمولة من وزن 200كغ إلى 2000كغ، وطرأ تحسن عظيم على شكل الطائرة بحيث أصبحت تعتمد جناحاً واحداً بدلاً من اثنين.

طائرة نفاثة فوق صوتية

كما كان للطيران دور حاسم في معارك الحرب العالمية الثانية ومن ثمّ في تطوير هندسة الطيران، مما فرض تأسيس معامل ضخمة لإنتاج الطائرات تفي بمتطلبات الحرب، وتعتمد منهجيات جديدة في الإنتاج، وظهرت الطائرات ذات الهيكل المعدني (من الألمنيوم)، وجرى تطوير قاذفات القنابل بعيدة المدى وذات سرعات وحمولات وأمدية كبيرة. كما تم تطوير محركات مكبسية خفيفة الوزن وذات استطاعات كبيرة. وقام الألمان في أواخر الحرب العالمية الثانية عام 1944 بتطوير أول طائرة ذات محرك نفاث Junker بلغت سرعتها نحو 500كم/سا، بيد أن انتهاء الحرب بخسارة ألمانيا نقل تطوير هذا النوع الجديد من الطائرات إلى كل من الولايات المتحدة الأمريكية وفرنسا من جهة والاتحاد السوڤييتي (سابقاً) من جهة أخرى. وقد أسهم سباق التسلح في دفع علوم الطيران وهندسته بصورة كبيرة حيث ظهرت الطائرات التي تطير في مجال قريب من سرعة الصوت subsonic والطائرات التي تطير بسرعات فوق صوتية supersonic وتلك التي تطير بسرعات ما فوق صوتية hypersonic.

صورة لطائرة نقل ركاب عملاقة

تم تطوير طائرات ركاب عملاقة تستطيع نقل أكثر من 500 راكب دفعة واحدة مسافة عشرات الآلاف من الكيلومترات وبسرعات قريبة من سرعة الصوت، وزودت بنظم تحكم وتوجيه إلكترونية تساعد الطيار على قيادة الطائرة في مختلف شروط الطيران على نحو أمثل وبطيار آلي يعمل على قيادة الطائرة آلياً دون تدخل الطيار وفق مسار محدد مسبّقاً من قبله، وأصبحت الطائرات المقاتلة تحمل القنابل والصواريخ الموجَّهة والذكية. وقد سمح تقدم نظم التحكم والتوجيه للطائرات بتطوير طائرات من دون طيار تعمل في مجال الاستطلاع أو في الاستخدام القتالي.

كما كان ليوناردو داڤينشي من أوائل العلماء الذين فكروا جدياً في الطيران، ورغم أنه لم يبني أياً من المركبات التي صممها وربما لم يكن لها التأثير الملحوظ في عالم الطيران إلي أنه لا يمكن تجاهل تصميماته.

وأول تعريف للهندسة الفضاء الجوي ورد في فبراير 1958. وقد نظر التعريف إلي الغلاف الجوي للأرض والفضاء الخارجي كوحده واحدة، وهو ما جعله يضم كلاً من الطائرات (الجوي) والمركبات الفضائية (الفضاء) تحت كلمة علم الفضاء الجوي التى صيغت حديثا.

هندسة الطيران

تهدف هندسة الطيران إلى وضع التصاميم وتطوير التقانات اللازمة لبناء طائرة بمواصفات محددة وبأقل وزن وأعلى أمان ممكنين.

ومن أهم محاور هندسة الطيران هي:

1ـ دراسات جدوى لتحديد المواصفات الأساسية المطلوبة (وزن، سرعة، ارتفاع، مدى، مناورات، المحرك الدافع…).

2ـ حساب القوى «الإيروديناميكية» (عند الإقلاع والهبوط والطيران المنتظم على ارتفاعات وسرعات مختلفة) وتحديد شكل الجناح في ضوء شروط الجريان.

3ـ التصميم الإنشائي لأجزاء الطائرة (الجناح، الذيل، الجسم) مع مراعاة عامل أمان مقبول وظاهرة التأثير المتبادل بين القوى «الإيروديناميكية» والمقاومة الإنشائية aeroelasticity.

4ـ حساب قوة الدفع المناسبة وتحديد مواصفات المحرك أو المحركات.

5ـ استقرار الطائرة وتوجيهها وتصميم نظام التحكم اليدوي والآلي.

6ـ تصميم تجهيزات الإقلاع والهبوط.

7ـ تحديد مواصفات التجهيزات المساعدة (الاتصالات، الرادار، التدفئة والتكييف، توليد الطاقة…).

8ـ توصيف حمولات الطائرة الممكنة سواء أكانت مدنية أم عسكرية.

وبعد انتهاء التصميم يتم تصنيع نموذج مصغر بمقياس 10/1 أو 20/1 يجري اختباره في نفق هوائي حيث يتم تثبيت النموذج على منظومة ميزان ثلاثي المحاور لقياس القوى والعزوم المؤثرة عليه عند تعرضه لتيار من الهواء داخل النفق بسرعة مناسبة تفرضها قوانين تشابه الجريان. وفي ضوء نتائج هذه القياسات يتم إدخال التعديلات المناسبة على النموذج للوصول إلى المواصفات الموجودة، وبعد ذلك يتم تحديث الدراسات المذكورة أعلاه وصولاً إلى التصميم النهائي.

هندسة الفضاء

بدأت هندسة الفضاء عندما أطلق الاتحاد السوڤييتي أول قمر صناعي سبوتنيك Sputnik عام 1957، وقام بالدوران حول الكرة الأرضية عدداً من الدورات قبل سقوطه واحتراقه في طبقات الجو الخارجي. وقد أشعل إطلاق هذا القمر حرباً تنافسية بين الاتحاد السوڤييتي من جهة و الولايات المتحدة الأمريكية وبقية الدول الغربية من جهة أخرى، انطلاقاً من قيام الاتحاد السوڤييتي بإطلاق أول رائد فضاء (جاجارين Gagarin) إلى الفضاء ثم إعادته سالماً إلى الأرض. تلا ذلك إطلاق برنامج فضائي طموح (برنامج أبولو) أشرفت عليه مؤسسة الفضاء الأمريكية «ناسا» NASA لاستكشاف القمر حيث تم تطوير صواريخ عملاقة متعددة المراحل تحتوي في مقدمتها على قمرة القيادة التي تحتوي على رواد الفضاء للتحكم والتوجيه وإرسال الصورة بالرادار إلى الأرض، وقد أمكن هبوط أول إنسان على القمر في عام 1969.

صاروخ ساتورن مع مكوك الفضاء

تلا ذلك في كل من الاتحاد السوڤييتي والولايات المتحدة الأمريكية تطوير مكوك فضائي قابل للإطلاق والاستعادة عدة مرات ويحمل إضافة إلى رواد الفضاء شحنة فضائية، مثل قمر صناعي أو أجزاء من مركبة فضائية يتم تركيبها في الفضاء أو مؤونة لرواد الفضاء الموجودين في مركبة فضائية، وتلا ذلك تطوير مخبر لأبحاث الفضاء Skylab وجرى تجميعه في الفضاء ليكون مستقراً لرواد الفضاء الراغبين في القيام بأبحاث فضائية أو مراقبة الكرة الأرضية . وتم وضع مرصد فلكي ضخم Hubble space telescope في مسار حول الأرض، وتمكن من سبر أعماق الكون والتقاط صور لنجوم وشموس ومجرات لم تكن معروفة.

كما جرى إرسال عدد من المجسّات إلى كل من المريخ والمشتري لاستكشافهما وإرسال صور لسطحهما. على نحو مواز لهذه البرامج قامت عدة دول بإطلاق أقمار صناعية خاصة بها إما لأغراض الاتصالات وإما لأغراض الاستطلاع والتجسس النهاري والليل وإما لأغراض البث التلفازي؛ إذ يتم إطلاق هذه الأقمار بوساطة صواريخ إلى الارتفاع والسرعة المطلوبين، ويُميز هنا نوعان من الأقمار الصناعية:

ـ أقمار ذات مسار منخفض (800-1000كم) فوق سطح الأرض تدور حول الأرض دورة كل ساعة تقريباً، وهذه غالباً ما تكون أقمار استطلاع وتجسس.

ـ أقمار تتوضع على ارتفاع 32000كم فوق سطح الأرض، وتدور بالسرعة الزاوية للأرض نفسها بحيث يبقى القمر فوق نقطة معيّنة فوق الأرض، وتستخدم هذه الأقمار للاتصالات التلفازية حيث تتلقى الإشارة من الأرض، ثم تعيد بثها إلى جهة أخرى من الكرة الأرضية.

تتفرع هندسة الفضاء إلى الاختصاصات الآتية:

- علم المسارات: تحديد مسار القمر الصناعي وتغيّر سرعته مع الزمن وتأثر هذا المسار بالقمر والشمس وبقية النجوم القريبة وتحديد المناطق التي يمر فوقها مع الزمن.

محرك دافع يستخدم الوقود السائل

المحركات الدافعة: هي محركات صاروخية غالباً ما تستخدم الهدروجين السائل وقوداً والأكسجين السائل مؤكسداً، حيث يتم الاحتراق في غرفة الاحتراق، ومن ثم تخرج غازات الاحتراقات عبر نافث متقارب - متباعد لإيصالها إلى سرعة فوق صوتية مولِّدة الدفع المناسب. غالباً ما يكون الصاروخ الدافع مؤلفاً من عدة مراحل وذلك للحصول على كفاءة عليا، ويتم حالياً العمل على تطوير محركات تعتمد الوقود النووي لتنفيذ رحلات فضائية طويلة.

- الإنشاءات: لدى انطلاق الصاروخ يتعرض الهيكل الحامل والقمرة أو المكوك لتسارعات وإجهادات واهتزازات تتطلب دراسة إنشائية.

- التسخين الحراري والعزل: عندما يدور القمر الصناعي أو المركبة الفضائية أو المكوك الفضائي حول الأرض فإنه يكون تارةً في مواجهة الشمس حيث ترتفع درجة حرارته الخارجية لأكثر من 200 درجة مئوية وتارة خلف الأرض وفي ظلها حيث تنخفض درجة حرارته الخارجية إلى 60 درجة مئوية تحت الصفر، ويولد هذا الاختلاف الكبير في درجة الحرارة التي يتعرض لها القمر الصناعي أو المركبة الفضائية إجهادات حرارية ميكانيكية مهمة يجب الانتباه لها عند التصميم والعمل على عزل المركبة للحفاظ على درجة حرارة داخلية مناسبة، وتزويدها بنظام تكييف مناسب. وعند عودة مكوك الفضاء إلى الأرض بسرعة كبيرة (28000كم/سا) يحتك الهواء مع سطح المكوك مما يرفع درجة الحرارة إلى درجة انصهار جداره الخارجي لذلك يتم عزل المناطق التي سوف تتعرض لدرجات حرارة عالية بصفيحات من السيراميك الحراري.

- التحكم: إن التحكم بإطلاق القمر الصناعي أو المكوك وتشغيل المحركات الدافعة وإيقافها وإيصاله إلى السرعة والمسار المطلوبين وتوفير استقراره ودرجة حرارته الداخلية وتزويده بالطاقة الكهربائية هي أمور معقدة؛ لذلك تتم كل أعمال القيادة والمراقبة وإعطاء الأوامر والتحكم من المحطة الأرضية ولا يتدخل رواد المكوك أو المركبة إلا عند الضرورة وفي حالات الطوارئ، وهذا يوضح أن هندسة الفضاء أسهمت بتطوير منظومات التحكم والمراقبة عن بعد، مما سمح بإطلاق مسابر آلية إلى المريخ والزهرة والفضاء.

كما أن المحافظة على استقرار القمر الصناعي على مساره تتطلب توفير منظومة طيار آلي تتألف من جايروسكوبات (مدوارات) وحساسات وحاسبات تدقق مسار القمر أو المركبة في كل لحظة، وتصدر الأوامر إلى محركات دفع صغيرة تقوم بالعمل عند الحاجة لتصحيح الوضع والمسار.

- توليد الطاقة: غالباً ما يتم توليد الطاقة الكهربائية الضرورية لعمل القمر الصناعي أو المركبة بوساطة خلايا شمسية photocells تحول الأشعة الشمسية إلى طاقة كهربائية يتم تخزينها في بطاريات مناسبة، وهذا ما أدى إلى تطوير صناعة اللواقط الشمسية ذات المردود المرتفع.

- الاتصالات والمعلوماتية: نتيجة للتحكم بالقمر أو المركبة عن بعد ومراقبته من قبل غرفة التحكم و المراقبة الأرضية فقد برزت الحاجة إلى تطوير منظومات اتصالات سريعة جداً وأمينة تقوم بنقل المعلومات من القمر أو المركبة وإليهما ومعالجتها بوساطة منظومات متطورة وأمينة وسريعة.

- الاستشعار عن بعد: إن إمكانية تحليق القمر الصناعي فوق أيّ نقطة من نقاط الكرة الأرضية وضع في أيدي علماء البيئة والجيولوجيا والزراعة وكذلك في أيدي العسكريين وسيلة فعالة جداً للاستشعار عن بعد وللاستطلاع، وللاستفادة من ذلك تم تطوير نظم استشعار عن بعد واستطلاع تعتمد مبادئ فيزيائية مختلفة تمكنها من العمل في مختلف الشروط الجوية، فهناك أجهزة تصوير بصرية نهارية وأجهزة تستخدم الأشعة تحت الحمراء، وكذلك تم استخدام الرادار للتصوير مخترقاً طبقات الأرض عدة أمتار. وقد أصبح بالإمكان تعرف أجسام على سطح الكرة الأرضية لا يزيد طولها على 2م، وهناك بعض الأقمار الصناعية العسكرية التي تستطيع تعرف أجسام طولها بحدود 30سم فقط. وقد أصبح بالإمكان استطلاع أيّ نقطة على الكرة الأرضية وبوساطة صور فضائية تجارية أو بوساطة الانترنت.

- بحوث في مجال الحياة في الفضاء: إن غزو الفضاء فرض على العلماء دراسة أثر انعدام الجاذبية في جسم الإنسان والكائنات الحية الأخرى أو تعرضه لتسارعات كبيرة عند انطلاقه إلى الفضاء أو العودة منه، كما أن دراسة بعض الظواهر الفيزيائية في حقل عديم الجاذبية أصبحت أحد مجالات البحوث الفضائية.^[1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .