מנועי הסילון מתחלקים לסוגים שונים על פי סוג הניצול של אנרגיית הסילון הנובעת מהם:
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 סטייה קבועה (bias), ורעש.
סוגי חיישנים נפוצים הם:
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.
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, מבני כוורת וכו'. כמו כן, בשל מהירויות התנועה הגבוהות ישנן תופעות שייחודיות למבנים אווירונאוטיים, כגון פרפור, ותופעות אחרות הנובעות מאווירואלסטיות, שהיא הקשר בין כוחות הזרימה לגמישות המבנה.
מכניקת הטיס.
ענף במכניקה העוסק בתנועת כלי טיס, בהתחשב בכוחות האווירודינמיים הפועלים עליו, במשקלו ובדחף המנועים שלו. מכניקת הטיס מתארת תופעות הרלוונטיות לכלי הטיס, הנובעות מתנועתו באוויר במרחב תלת-ממדי. בעיקר מדובר בתופעות הנובעות משינויים ביחס למצב 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:
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:
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:
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.
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.
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.
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.