הנדסת אווירונאוטיקה

הנדסת אווירונאוטיקה (גם הנדסת אווירונאוטיקה וחלל והנדסה אווירונאוטית; באנגלית: Aerospace Engineering או Aeronautics Engineering) היא ענף של ההנדסה העוסק בפיתוח יעיל ושיטתי של כלי טיס, לוויינים, חלליות ומערכות הייחודיות להם.
מקצוע הנדסת אווירונאוטיקה הוא מקצוע רב-תחומי העוסק בפיתוח ותחזוקה של כלי טיס על ידי החלה של עקרונות של מדעים מדויקים, הנדסה, ניהול פרויקטים, ידע רלוונטי לכלי הטיס עצמו וכישורים וטכנולוגיות אחרות. כבכול הנדסה, גם בהנדסת אווירונאוטיקה נעשה שימוש במדדים המשמשים לבחינת איכותו של תוצר הפיתוח כגון יעילות, אמינות, וגמישות לשינויים.  
התחום מאופיין בפיתוח כלי הֶרְכֵּב מלא (לדוגמה מטוס) או מערכות מורכבות, המשמשות בעיקר לכלי רכב כאלה, ובהן: מערכות אוויוניות, שהן מערכות אלקטרוניות ייחודיות, מערכות להנחיית טילים, מנועי סילון וכדומה.

אווירודינמיקה

אווירודינמיקה (תורת הזרימה) הוא תחום המחקר העוסק בזרימת זורם סביב אובייקטים, כמו כנף, גוף המטוס או בתוך גופים, כמו מנהרת רוח ובמעברי חום. תורת הזרימה מאפשרת לחשב את הכוחות  הפועלים על כלי הטיס: כח עילוי וכח צד הפועלים בניצב לזרימת האוויר וכח גרר הפועל במורד הזרימה.  (ראו גם אווירונאוטיקה). שקלול כוחות אלה עם כוחות נוספים, כמו כוח הכובד וכוח ההנעה משמשים לחישוב המומנטים ושקול הכוחות הגורמים לתנועה הקווית והזוויתית של כלי הטיס.

תורת ההנעה

תורת ההנעה עוסקת באותן מערכות, המספקות את האנרגיה להזזת הכלי באוויר או בחלל. תחום זה חופף חלקית לתחום הפיתוח של מנועי הרכב, אולם מנועים אווירונאוטיים נדרשים להיות אמינים מעל לסטנדרטים המקובלים בתעשיית הרכב.
מנועים אלה מתחלקים לסוגים הבאים:

מנוע בערה פנימית

מנוע בערה פנימית הוא מנוע בו תהליך שריפת הדלק והמחמצן מתבצע בתהליך פנימי, בתוך חלל סגור. מנועים אלה מתחלקים למנוע ארבע פעימות, הדומה למנוע רכב רגיל, מנוע שתי פעימות, המשמש בעיקר לאופנועים קלים ולמנוע רוטורי, המשתמש בבוכנה מסתובבת ונמצא בשימוש בכלי רכב ייחודיים.
בכלי טיס, מנועי הבערה הפנימית משמשים בדרך כלל להנעת מדחף או מסחב, כלומר ציר שעליו בנויים מספר להבים, שבמהירות סיבובם יוצרים כוח עילוי, הדוחף או סוחב את ציר המנוע, ואיתו את כלי הטיס כולו.

מנוע רקטי

מנועים רקטיים הנם 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.

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 בתכן 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, הנו פרויקט מורכב, הדורש אנשי מקצוע, בעלי התמחות מקצועית בתחומים הבאים:

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.

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 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 מכניקה

מערכות המכניקה של כלי הטיס כוללות בעיקר מערכות הידראוליות המסייעות בטיסה. תכנון המערכות כולל את תכנון כני הנסע, הנועדים לתמוך במשקל המטוס בהמראה ובעיקר בהלמי הנחיתה, ותכנון מערכות הגברת הכוח ההידראוליות האחראיות על הנעת ההגאים של המטוס.

תכנון מערכות עזר

מערכות העזר הן מערכות, שאינן נדרשות להטסת המטוס באופן ישיר, אולם חיוניות לביצוע משימותיו. לדוגמה ניתן לחשוב על מערכות בקרת האקלים ולחץ האוויר במטוס נוסעים. מערכות אלה קריטיות לבריאותם ולבטיחותם של הנוסעים ולכן תכנון מערכות אלה נדרש לעמוד בדרישות מחמירות של בטיחות.

בניית קו-ייצור וייצור סדרתי

לאחר הניסוי מבוצע ניתוח, באמצעות כלים ממוחשבים רבים שבוחנים את התנהגות כלי הטיס על כל מערכותיו. תוצאות הניתוח משפיעות פעמים רבות על שינויי תכן וביצוע עבודות לתיקון תקלות בלתי צפויות בכלי הטיס. תקלות אלה מתוקנות בכלי הטיס הסדרתי.