تبلیغات
دنیای فیزیك از دریچه پارس فیزیک

هوانوردی







   هوانوردی علم ساخت و پرواز وسایل پرنده است؛ این کلمه شامل طراحی علمی و تکنولوژیک انواع مختلف وسایل پرنده ی سبکتر از هوا ( Airships ) و سنگین تر از آن ( Airplanes ) می شود. لازمه ی پیشرفت و توسعه ی صنعت هوانوردی، همکاری طیف وسیعی از شاخه های علمی و مهندسی با نظم و تدبیری خاص است. ایرودینامیک و پیشرانش به همراه تکنولوژی مواد و مصالح، سازه، سیستم های کنترل و محاسبات از اهمیت بسزایی برخوردار است.


کایت و بال های اولیه
 

   تاریخ هوانوردی به زمانی باز می گردد که انسان ها درکی از مبانی پرواز نداشتند. مکتشف  ایتالیایی مارکو پولو ( Marco Polo ) از اولین اروپاییانی بود که به سرزمین چین سفر کرد و هنگام  بازگشت در سال ۱۲۹۵ میلادی به نقل گفته هایی مبنی بر پرواز با کایت توسط مردمان چین پرداخت.  در واقع اینگونه استنباط می شود که برای اولین بار کایت در حدود هزار سال قبل از میلاد توسط  چینی  ها ساخته شده است و آنها اولین وسایل پرنده ی ساخت دست بشر بوده اند.

  سالیان متمادی بشر اینگونه می اندیشید که اگر کمبود بال خود را با نصب بال هایی از جنس بال   پرندگان مرتفع کند، می تواند همانند پرندگان به پرواز در آید. آنها ایده های خود را بارها و بارها با   پریدن  از برج ها و تپه ها به بوته ی آزمون گذاشتند و هربار بدون درک صحیحی از پرش، جاذبه و   ویژگی  های هوا با شکست مواجه و مجروح می شدند. یکی از مشهورترین آنها عباس ابن فیرناس (   Abas Ebn Firnas ) است که در سال های ۸۱۰ تا ۸۸۷ پس از میلاد می زیست. فیرناس یک مخترع،  فیزیکدان، شیمیدان، و ستاره شناس بود که شیفته ی پرواز نیز شده بود، او در سن شصت و پنج   سالگی یک گلایدر ( هواسر ) ساخت و با آن به پرواز در آمد و توانست با آن مسافتی را در مقابل   چشم ناظران در هوا سر بخورد ( Gliding )، اما در پایان به شدت بازمین برخورد کرد و پاهایش مجروح   شد؛ این رویداد مربوط به بیش از هزار سال قبل از ساخت گلایدرهای مدرن پیشتازان پرواز بود!

   در سال ۱۰۱۰ میلادی راهبی انگلیسی به نام ایلمر ( Eilmer ) با بستن بال به دست و پاهایش در صدد پرواز از بالای یک برج برآمد و توانست حدود ۶۵۰ فوت ( دویست متر) در هوا سر بخورد، اما در نهایت به شدت با زمین برخورد کرد و پاهایش مجروح شد. علاقه مندان به پرواز بارها و بارها به تقلید از پرندگان انواع بال ها را به خود می بستند بلکه شاید آرزوی دیرینه شان محقق شود، اما تقریباً در همه ی موارد با شکست مواجه می شدند! در حدود پانصد سال پیش هنرمند و مخترع بزرگ ایتالیایی، لئوناردو داوینچی ( ۱۴۵۲-۱۵۱۹ ) با ارائه ی طرح هایی از ماشین های پرنده اعلام کرد که انسان برای پرواز به ماشینی که به بال مجهز شده نیاز دارد.


بالون و کشتی های پرنده
 

   عده ای نیز به فکر طراحی وسایلی که از هوا سبکتر باشد افتادند، زیرا می دیدند که حباب در آب و دود در آتش به بالا صعود می کند، بنابراین می بایست از این نکته استفاده کرد. بر همین اساس دو تن از پیشگامان هوانوردی یعنی برادران مونگولفیه ( Jacques-Etienne و Joseph-Michel ) ایده ی مذکور را به کار بستند و در سال ۱۷۸۳ میلادی اولین بالون حاوی هوای داغ را با موفقیت به پرواز در آوردند. مسافران آن یک گوسفند، یک اردک و یک مرغ بودند!، آنها توانستند از این پرواز جان سالم به در برند و اولین موجودات زنده ای باشند که با وسیله ای ساخت دست بشر به پرواز در آیند. علت صعود بالون هوای داغ، سبکتر بودن آن نسبت به هوای پیرامون بالون بود. همچنین دو ماه بعد در همان کشور یعنی فرانسه، ژان فرانسیس پیلاته دو روزیه ( Jean-Francois Pilatre de Rozier ) و مارکوس د آرلاندس (  Marquis d’Arlandes ) توانستند اولین پرواز با سرنشین انسان را با موفقیت به انجام برسانند. در همان کشور و همان سال ژاک شارل ( Jacques Charles ) بالونی مملو از گاز هیدروژن ساخت و با آن به پرواز در آمد. گاز هیدروژن به مراتب از هوا سبکتر است. اما مشکل عمده ی بالون ها آن بود که باد آن را به این سو و آن سو می برد و کنترلی بر آن وجود نداشت. بنابر این چالش بعدی مخترعین، کنترل پرواز بود. هنری گیفارد ( Henri Giffard ) مهندس و مخترع فرانسوی که در سال های ۱۸۳۸ تا ۱۹۱۷ می زیست، با ساخت بالون مجهز به موتور بخار توانست بر این مشکل غلبه کند. موتور بخار درست در زیر بالون بسته و ملخی به آن وصل شده بود. در حقیقت گیفارد برای اولین بار کشتی هوایی را اختراع کرده بود.

   کشتی های هوایی به مرور پیشرفته تر می شدند. در آلمان فردیناند ون زپلین ( Ferdinand Von Zeppelin ) کشتی های هوایی بزرگ و بزرگتری ساخت، آنها بدون زحمت زیاد به پرواز در می آمدند و نسبت به هواپیماهای هم عصرشان راحت و تجملی تر بودند. چنان به نظر می رسید که آینده ی کشتی های هوایی کاملاً روشن است، اما در سال ۱۹۳۷ بزرگترین کشتی هوایی با نام هیندنبورگ، در ایالت نیوجرسی آمریکا به شدت دچار حریق شد و از بین رفت. اخبار این حادثه سریعاً در سراسر جهان مخابره شد و به دنبال آن پایان عصر طلایی کشتی های هوایی رقم خورد. البته امروزه کشتی های هوایی به دنیای ما بازگشته اند، با این تفاوت که به جای هیدروژن از گاز بی خطر و بدور از اشتعال هلیوم پر می شوند و برای مقاصد تحقیقاتی و فیلم برداری های هوایی پایدار و طولانی مورد استفاده قرار می گیرند.


اولین هواپیما 

   در مقابل کشتی های هوایی این هواپیما بود که مسیر پیشرفت و آتیه اش روشن می نمود. همزمان با گیفارد مخترع کشتی هوایی، مخترع و محققی انگلیسی بنام جورج کیلی ( George cayley ) در انگلستان بر روی جریان هوا و نیروهای آن روی اجسام متحرک کار می کرد؛ امروزه به این شاخه از علم ایرودینامیک گفته می شود. کیلی مجذوب مطالعاتش مبنی بر استفاده از نیروی جریان هوا برای به پرواز در آوردن وسایل پرنده ی سنگین تر از هوا شده بود. او در جایی نوشت: ” چالش اصلی ساختن سطحی است که بتواند از مقاومت هوا برای خنثی کردن وزن شی پرنده استفاده کند “. او از نیروهای ایرودینامیکی برا ( Lift ) و مقاومت در حرکت رو به جلو ( Drag ) صحبت می کرد که مستقیماً بر روی حرکت وسایل پرنده تاثیر می گذارد. نتایج مطالعات و آزمایشات او ساخت اولین گلایدر سرنشین دار در اواسط قرن ۱۹ بود. اختراع موتور بخار در قرن ۱۹ ذهن طراحان را متوجه ساخت هواپیما با موتور بخار کرد. اما در آن زمان موتورهای بخار بسیار سنگین بودند، راندمان پائین این موتورها آنها را به اندیشه ی ساخت نوع متفاوت و سبکتری از موتور ترقیب کرد.سرانجام موتور نسبتاً سبک و قدرتمند دیزل در اواخر قرن ۱۸ پا به عرصه ی صنعت نهاد و بلافاصله جایگزین موتورهای قبلی هواپیماها شد. اما هنوز کار تمام نشده بود، دغدغه ی بعدی طراحان پایداری و کنترل پرواز بود. دو برادر بنام های ویلبر و اورویل رایت ( Orville and Wilbur Wright ) با کایت و گلایدر بارها با برنامه ریزی به تمرین پرواز می پرداختند و هربار نتایج کار خود را یادداشت می کردند. آنها هر روز با چالشی جدید بر سر راه خود مواجه بودند اما با درایت از عهده ی حل آن بر می آمدند، سرانجام یک روز کلید حل معما را پیدا کردند. در سال ۱۹۰۳ پس از اقدام به ساخت موتور دیزل دست ساز خود، آن را بر روی یکی از گلایدرها نصب کرده و با برنامه ریزی های معین شده آن را با موفقیت به پرواز و کنترل در آوردند! اینک پرواز با هواپیما و کنترل آن برای بشر میسر شده بود، سپس مهندسان بسیاری ایده های مختلفی را روی هواپیماها پیاده کرده و آن ها را دائم نسبت به گذشته ارتقا می دادند و با این ایده پردازی های تکمیلی بود که عصر مدرن هوانوردی آغاز شد.

بالون گیفارد با قدرت موتور بخار، که اولین پرواز موفقیت آمیز با قدرت موتور با آن انجام شد. موتور، ملخ و محفظه ی خلبان در زیر بالون ۴۴ متری مملو از هیدروژن قرار دارد. این تصویر مربوط به بالون گیفارد واقع در موزه ی علوم لندن است.

 


عمدتاً موتورهای بخار بسیار سنگین تر از آن بودند که بتوان از آنها برای راندن هواپیماها استفاده کرد. با این حال در سال ۱۸۹۰ هواپیمایی با استفاده از نیروی بخار توانست به پرواز در آید و با ارتفاع فقط هشت اینچ از سطح زمین مسافت ۱۵۶ فوت ( ۵۰ متر ) را بپیماید. سازنده ی آن کلمنت ادر ( Clement Ader ) بود. او بعداً مدل بزرگتری از آن را ساخت (Avian III ) و ادعا کرد که با آن ۳۰۰ متر پرواز کرده است. تصویر آن را در بالا مشاهده می کنید. 


ورود به جهان مدرن

   هواپیماهای با باله ی ثابت، تنها هواپیماهای پروازی نبودند. عده ای از مهندسان هوانوردی تلاش می کردند تا هواپیماهای با باله ی متحرک ( چرخان ) را نیز به عرصه ی نوین هوانوردی وارد کنند. تلاش های آنها مسیر پیشرفت اوتوگیرو ( Autogiros ) و هلیکوپتر ( Hellicopter ) را هموار کرد. انواع پیشرفت های تکنولوژیک دنیای ساخت وسایل پرنده را متحول کردند، فرم باله ها تغییر کرد، موتورهایی با تکنولوژی نوین عرضه شدند، بدنه های سست و چوبی جای خود را به انواع فلزی آن دادند، هواپیماهای تک باله جایگزین مدل های دو باله شد، ملخ های با راندمان بالاتر طراحی و ساخته شدند، به ایرودینامیک هواپیما بیشتر و بیشتر توجه شد و مواردی از این دست.. . پیشرفت قطعه به قطعه و توسعه ی مداوم عملکرد ایرودینامیک هواپیماها سبب جایگزینی نسل نوین فلزی و مقاوم هواپیماها به جای انواع شکننده و ساخته شده از چوب و کابل شد.


هوانوردی امروز
 

   در یک قرن اخیر صنعت هوانوردی پیشرفت و توسعه ی بسیار وسیعی داشته است، تنها ۷۲ سال بعد از پرواز تاریخی برادران رایت، پروازهای راحت و لوکس هواپیماهای کنکورد با سرعتی معادل دو برابر سرعت صوت و در ارتفاع ۱۱ مایلی ( ۱۸ کیلومتری ) مسافران را به نقاط مختلف جهان جابجا می کرد. در حال حاضر هواپیماهای نظامی وجود دارند که بدون خلبان به پرواز در می آیند. آخرین هواپیماهای بدون سرنشین ( UAV ) قابلیت پرواز خودکار از ابتدا تا انتهای عملیات را در خود دارند.

هواپیمای بدون سرنشین Global Hawk با یک بار برنامه ریزی می تواند به صورت خودکار به پرواز در آید، ماموریتش را انجام دهد و دوباره به پایگاه باز گردد. مسئولان هدایت بر روی زمین می توانند در صورت لزوم مسیر تعریف شده برای آن را تغییر دهند.

    امروزه نیز روند تحقیقات هوانوردی در کشورهای توسعه یافته با جدیت و کیفیت هرچه بیشتر پیگیری می شود. آژانس هوا و فضایی ( NASA ) تحت نظارت ایالات متحده به عنوان پیشرو در طراحی و توسعه ی وسایل پرنده در سطح بین المللی و با همکاری کشورهای مختلف انجام وظیفه می کند. کارخانجات طراحی و ساخت هواپیماهای غول پیکر نیز هم گام با دانشگاه ها به تحقیق و پیشبرد اهداف خود مبنی بر طراحی، ساخت و عرضه ی وسایل پرنده ی ایمن و پیشرفته حرکت می کنند.

تهیه و ترجمه: فرامرز کشوری

ساینس آنلاین

به نقل از  هوپا






ادامه مطلب...