مهندسی هوافضا

مهندسی هوافضا، شاخه‌ای اصلی از رشته‌های مهندسی است که تمرکز اصلی آن بر طراحی هواپیما و فضاپیما می باشد. برای مثال طراحی هواپیما، فضاپیما، ماهواره، ماهواره‌برها و جستارهای وابسته، طراحی خودروهای کم‌مصرف و تجهیزات خاص نفت و گاز و سیستم‌های تولید توان و نیروگاهی.
این رشته مهندسی به‌طور کلی به دو بخش اصلی هوانوردی و کیهان‌نوردی که تا حدودی با یکدیگر همپوشانی دارند، تقسیم می‌شود و کیهان‌نوردی بحث داغی در جهان دارد.
وسایل نقلیه هوایی در شرایط جوی مختلفی پرواز می‌کنند و نیروها و فشارهای متفاوتی بر اجزای آن‌ها وارد می‌شود. در نتیجه این وسایل نقلیه با در نظر گرفتن تکنولوژی‌ها و علوم مهندسی متنوعی شامل آیرودینامیک، پیشرانش، اویونیک، علم مواد و تحلیل سازه‌ها طراحی و ساخته می‌شوند. مهندسی هوافضا مجموعه‌ای از علوم مهندسی ذکر شده می‌باشد و به دلیل پیچیدگی و تنوع موضوعات، مهندسین هوافضا در یکی از زمینه‌ها متخصص می‌شوند.
مهندسی هوافضا یکی از پیشروترین زمینه‌های پژوهشی است و بودجه‌های کلان نظامی و غیرنظامی که صرف این رشته می‌شود زمینه‌های پیشرفت و جهش در دیگر رشته‌های دانش و مهندسی را فراهم ساخته‌است. این مهندسی دانشی راهبردی است که در آن از دانشهای دیگر مانند مکانیک، متالورژی، علوم رایانه، مهندسی عمران و الکترونیک بهره‌گیری می‌شود.

تاریخچه

مبدأ مهندسی هوافضا را می‌توان در اواخر سده ۱۹ و اوایل سده ۲۰ جستجو کرد. البته بسیاری، اولین کسی را که در زمینه مهندسی هوافضا پیش قدم بود سر جورج کیلی می‌دانند که کارهای او به اواخر سده هجدهم بر می‌گردد. سر جورج کیلی به عنوان اولین فردی شناخته می‌شود که نیروهای وارد شده به وسایل نقلیه هوایی را به صورت نیروی برآ و نیروی پسا مجزا نمود. یکی از بزرگترین ای افراد شاخص در ایران سید کاظم حسینی است.

رشته مهندسی هوافضا

برای اطلاعات بیشتر: مهندسی هوافضا در ایران
هدف اصلی صنعت هوافضا طراحی و ساخت وسایل پرنده است، در نتیجه فارغ‌التحصیلان مهندسی هوافضا می‌توانند در صنایع و موسسات تحقیقاتی هواپیمایی، موشکی و ماهواره فعالیت نمایند و همچنین در کلیه سازمان‌هایی که به نحوی از وسایل پرنده استفاده می‌کنند، به عنوان کارشناس و محقق خدمت نمایند. اما علاوه بر اشتغال در مراکز فوق، یک مهندس هوافضا با تسلط بر علوم آئرودینامیک، طراحی سازه و روش‌های طراحی توربو ماشین‌ها توانایی کار در شاخه‌های متعددی از مهندسی و پروژه‌های خارج از حیطه صنایع هوافضایی را نیز دارد.
مهندسی هوافضا از زیرشاخه‌های مهندسی مکانیک است که با توجه به گرایش‌های مختلف مهندسی هوافضا می‌توان این رشته را نزدیک یه گرایش‌های مهندسی مکانیک گرایش سیالات، کنترل، جامدات و حتی مهندسی عمران گرایش سازه دانست و لازم است ذکر شود که کاربرد زمینه‌های مطالعاتی یک مهندس هوافضا تنها به طراحی هواپیما و وسایل پرنده محدود نمی‌شود. برای مثال آیرودینامیک خودرو از برخی جهات شباهت زیادی به آئرودینامیک هواپیما دارد و امروزه در اغلب صنایع خودروسازی با استفاده از تونل باد و علم آئرودینامیک، خودروهای کم مصرف تری می‌سازند. فرایند سیستم‌های کنترل صنعتی نیز با فرایندهای طراحی کنترل در وسایل پرنده بر یک مبنا است و همچنین سازه اتومبیل و کشتی مشترکات زیادی با سازه یک هواپیما دارد و بالاخره توربین‌های گاز یک نیروگاه یا پالایشگاه همانند یک موتور جت تحلیل و طراحی می‌گردند. در نتیجه یک مهندس هوافضا علاوه بر شرکت‌های هوافضایی و ساخت ماهواره، در نیروگاه‌ها، صنایع نفت و گاز، پالایشگاه‌ها، صنایع خودروسازی و فرودگاه‌ها فرصتهای شغلی بسیار خوبی دارد.
در ایران رشته مهندسی هوافضا در سال‌های اخیر پیشرفت چشمگیری نموده و به عنوان رشته اول علمی ایران در نقشه علمی کشور شناخته می‌شود؛ و از نظر استخدام فارغ‌التحصیلان، و تخصیص بودجه به عنوان هدف اول علمی کشور به‌حساب آمده‌است. البته فارغ‌التحصیلان در این رشته در ایران هنوز بسیار اندک هستند و نیاز به فارغ التحصیلان بیشتر در این رشته به‌طور چشمگیری احساس می‌شود. در ایران سالانه حدود ۷۰۰ نفر در مقطع کارشناسی، ۴۰۰ نفر در مقطع کارشناسی ارشد و ۲۵ نفر دکتری فارغ‌التحصیل می‌شوند.
گرایش‌های مهندسی هوافضا خویشاوندی زیادی با گرایش‌های رشته مهندسی مکانیک دارند؛ به‌این جهت دارای شماری درس‌های مشترک با گرایش‌های مهندسی مکانیک مثل مکانیک جامدات و مکانیک شاره‌ها است. در بعضی دانشگاه‌های دنیا، دانشکدهٔ مهندسی مکانیک و هوافضا به‌عنوان یک دانشکدهٔ مستقل وجود دارد.  این رشته از نظر تخصصی و تکنولوژی بسیار پیچیده‌  و سطح علمی بسیار بالایی دارد.
پایهٔ بیشتر درس‌های این رشته بر ریاضی و فیزیک است، مانند دینامیک سیالات برای آیرودینامیک یا معادلات حرکت برای دینامیک پرواز. با این‌همه، اجزای تجربی بسیاری نیز در این رشته وجود دارد. از نظر تاریخی، این اجزاء تجربی از آزمایش مدل‌های کوچک و نمونهٔ اولیه، در تونل باد یا در فضای باز منشأ گرفته‌اند. پیشرفت‌های صنعت رایانه این امکان را به‌وجود آورده که از دینامیک محاسباتی سیالات، و شبیه‌سازی رفتار سیال، بتوان برای کاهش هزینه و زمان صرف شده در آزمایش تونل باد استفاده کرد.
در کل برای ورود به این رشته باید از ریاضیات قوی و همچنین آشنایی کامل با زبان انگلیسی برخوردار بود. در ایران اکثر دانشگاه‌ها دروس اصلی رشته مهندسی هوافضا را در تمام مقاطع به زبان انگلیسی تدریس می‌نمایند و یکی از سخت‌ترین رشته‌های مهندسی به حساب می‌آید.

رشته مهندسی هوافضا در دانشگاه‌های ایران

در ایران، رشتهٔ مهندسی هوافضا در سال ۱۳۶۶ در دانشگاه‌های شریف و امیرکبیر شروع به فعالیت نموده و در سایر دانشگاه‌ها نیز به تدریج فعال گردید. به لحاظ سطح بالای دروس ریاضی و فیزیک، قبولی در این رشته نسبت به رشته‌های دیگر مهندسی دشوارتر است.
این رشته در دانشگاه‌های صنعتی شریف، دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری (وابسته به نیروی هوایی ارتش جمهوری اسلامی ایران)،، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکزی، صنعتی مالک اشتر، صنعتی امیرکبیر، صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، دانشگاه صنعتی ارومیه، دانشگاه فنی و مهندسی بوئین زهرا و دانشگاه آزاد واحد نجف آباد و علوم و تحقیقات در تمام مقاطع تدریس می‌شود.
در دانشگاه آزاد رامسر و نجف آباد و بناب و دانشگاه پیام نور شیراز ،کرج ،مشهد و اصفهان در مقطع کارشناسی؛ و در دانشگاه فردوسی مشهدودانشگاه تهران درمقاطع کارشناسی ارشد و دکتری و در دانشگاه‌های شهید بهشتی، دانشگاه آزاد تهران مرکزی، دانشگاه تبریز، دانشگاه صنعتی شیراز، دانشگاه علم و صنعت ایران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشگاه شاهرود، دانشگاه سمنان و پژوهشگاه هوافضا نیز رشته هوافضا در مقطع کارشناسی ارشد تدریس می‌شود.
در حال حاضر در مقطع کارشناسی ارشد، این رشته در ایران به ۵ گرایش آیرودینامیک، پیشرانش (جلوبرنده)، دینامیک پرواز و کنترل، مهندسی فضایی، سازه‌های هوافضایی تقسیم می‌شود؛ و در مقطع دکترا، این رشته در ایران به ۴ گرایش آیرودینامیک، پیشرانش (جلوبرنده)، دینامیک پرواز و سازه‌های هوافضایی تقسیم می‌شود.

آیرودینامیک

از مهم‌ترین پایه‌های هوافضا به‌شمار می‌رود. علم آیرودینامیک به مطالعه و بررسی جریان هوا و محاسبهٔ نیروها و گشتاورهای ناشی از آن بر روی جسم پرنده، می‌پردازد. مهندسین هوافضا در این گرایش جریان‌های پیچیده در اطراف جسم پرنده را تحلیل می‌کنند و با بدست آوردن نیروهای آیرودینامیکی به بررسی پایداری و طراحی سازهٔ شناور در سیال - بیشتر هوای اطراف زمین که در ارتفاعات مختلف فاکتورهای متفاوت دارد، مورد بحث است - می‌پردازند.
به جز تحلیل، همواره یکی از اصلی‌ترین دغدغه‌های مهندسین آیرودینامیک، طراحی بال‌ها و بدنه‌هایی با بیشترین کاربرد و کمترین هزینه است.

پیشرانش

دانش پیشرانه‌ها به مطالعه و بررسی سامانه‌های جلوبرنده (موتور)، اعم از موتورهای هوازی و غیرهوازی می‌پردازد. موتورهای هوازی شامل موتورهای پیستونی و چرخ‌پره‌ای (توربینی) است که از هوا به‌عنوان اکسیدکننده استفاده نموده و سوخت را با خود حمل می‌کنند. اما موتورهای غیرهوازی مانند موتور موشک‌ها و فضاپیماها است که سوخت و اکسیدکننده را با خود حمل می‌کنند. در این دانش نحوهٔ تولید نیروی رانش و همچنین ساختار کلی انواع موتورهای هوافضایی بررسی و مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد. طراحی و تعیین میزان عملکرد انواع سامانه‌های جلوبرنده نیز بسیار مورد توجه مهندسین پیشرانش هستند. این گرایش بسیار شبیه به مکانیک - تبدیل انرژی و سیستم‌های انرژی می‌باشد و دروس مشترک بسیاری با هم دارند و زمینه‌های کاری بیشتری نسبت به گرایش‌های دیگر هوافضا دارد. (شرکت نفت، ایران خودرو، صنایع دفاع، نیروگاه‌ها و…) عمده دانشجویان و فارغ التحصیلان این گرایش به شبیه‌سازی عددی رفتار سیال [CFD] می‌پردازند.

دینامیک پرواز و کنترل

دینامیک پرواز با بهره‌گیری از داده‌های هواپویشی، هندسی و وزنی، به مطالعه و بررسی رفتار و حرکات هواپیما می‌پردازد. در واقع علم دینامیک پرواز به بررسی برد، مسافت نشست و برخاست (طول باند)، می‌پردازد. به‌طور خلاصه، تحلیل نحوهٔ حرکت یک وسیله در هوا یا فضا و ارائهٔ طرح‌هایی به‌منظور بهینه‌سازی این حرکت، وظیفهٔ دینامیک پرواز و کنترل است.
در مبحث دینامیک پرواز وسایل پرنده در ابتدا تعادل نیرویی پرنده مورد بررسی قرار می‌گیرد و بعد از آن به پایداری پرنده پرداخته می‌شود. این گرایش عهده‌دار طراحی سطوح مختلف کنترلی پرنده در جهت پرواز متناسب یا مأموریت آن است.

سازه‌های هوافضایی

سازه‌های هوافضایی به مطالعه، بررسی و بهینه‌سازی سازه‌های هواپیما و دیگر وسایل پرنده می‌پردازد. هدف اصلی آن طراحی و تحلیل سازه‌هایی است که علاوه بر استواری کافی در مقابل بارهای آیرودینامیکی و دیگر بارهای استاتیکی وارد بر وسایل پرنده، کمترین وزن ممکن را نیز داشته باشند. ضمن اینکه باید بتوانند در برابر ارتعاشات و سایر عوامل محیطی نظیر تغییرات زیاد و سریع دما و رطوبت نیز مقاوم باشند.
گرایش سازه به دلیل تناسب بسیار زیادی که با گرایش جامدات مکانیک دارد مورد توجه مهندسان مکانیک و هوافضا می‌باشد.

مهندسی فضایی

مهندسی فضایی شاخه‌ای از هوافضا است که به بررسی پیشرانش، آیرودینامیک، سازه و مکانیک پرواز حامل (موشک) و پرتابه (ماهواره) در فضا می‌پردازد. علاوه بر آن در این شاخه بیشتر به مبحث طراحی سیستمی پرتابه توجه می‌شود. در این گرایش به مباحث فضایی (صرف نظر از پسا) و در نظر گرفتن شرایط ویژه فضا (پرتوهای کیهانی، الکتریسیته ساکن و…)، همچنین طراحی مسیر پرتاب و مدار ماهواره پرداخته می‌شود. در واقع رویکرد اصلی در این شاخه استفاده از تمامیه دانش گسترده هوافضا به منظور محقق کردن یک هدف فضایی مانند مأموریت‌های علمی، اکتشاف اعماق فضا، مخابراتی و… می‌باشد. در اغلب کشورهای توسعه یافته بلندپروازانه‌ترین پروژه‌ها در زمینه فضایی تعریف می‌شوند که ایران هم با توجه به قابلیت‌های علمی دردسترس از این قاعده مستثنی نیست. مهندسی فضایی در ایران به‌طور چشم‌گیری در حال توسعه و پیشرفت است و ساخت ماهواره و موشک به عنوان یکی از اهداف علمی کشور شناخته می‌شود.