מבנה כלי טיס

מבנה בהנדסת אווירונאוטיקה הוא שילוב הגורמים המכניים והאווירודינמיים מהם מורכב גוף כלי הטיס כגון קורות תמיכה, כנפיים, סנפירים, תאים מדוחסים וכדומה. בשל המורכבות של דינמיקות הטיסה כלי טיס והסיכונים הלא מבוטלים במקרה של כשל מבני, תחום זה מקבל משנה חשיבות בשלבי התכנון, ניסוי ולאורך חיי כלי הטיס. כלי טיס מוקדמים כללו מנועים שהקנו ביצועים צנועים מאוד. אי לכך היה צורך בשימוש בחומרים קלים ופשוטים ככל הניתן. מבנה עץ מכוסה בבד היה שילוב חומרים הסטנדרטי בתקופה זאת - עד שנות ה-30 המוקדמות. בד כמעטה חיצוני התאפיין בנטייתו להיקרע במהלך פעילות שוטפת ולכן דרש בדיקות ואחזקה מתמדת. כמו כן בדים לא יכלו להקנות קשיחות ותמיכה מבנית ולכן מטוסים שהשתמשו בחומר זה לרוב כללו מבנה מסבך. עם שיפור בביצועי מנועים החלו משתמשים בעץ גם כמעטה חיצוני. העץ הקנה קשיחות ועקב כך מהירות מרבית גבוהה יותר. אט אט בד ועץ הוחלפו באלומיניום ופלדה אם כי אלה הראשונים שימשו בהרבה משטחי היגוי. אם כי היו כלי טיס שעדיין השתמשו בעץ כמרכיב מבני מרכזי. לעיתים קורות של מתכות שונות היו משולבים כאורכנים או כרכיבים מחזקים. עם הוזלת עיבוד האלומיניום במהלך שנות ה-20 אלה החלו לחלחל למבנים של כלי טיס שכן אלומיניום היא מתכת קלה ובעלת נתוני קשיחות טובים יחסית למתכות אחרות ולכן הייתה מועדפת בתעופה. עם כל היתרונות של אלומיניום, המתכת לא יכולה לשמש לכל המרכיבים של כלי הטיס. מקומות בהם טמפרטורות העבודה הן גבוהות במיוחד משתמשים בסוגי מתכות אחרים. פלדת אל-חלד בעלת נתוני קשיחות גבוהים בהרבה מאלומיניום וגם סיבולת לטמפרטורות גבוהות, אבל גם כבדה פי כמה ולכן דורשת צורות מבנה שונות ומורכבות בשביל לפצות על עודף המשקל דוגמת מבנה כוורת. טיטניום היא מתכת בעלת רמת קשיחות דומה לפלדה אבל קלה בהרבה ולכן משמשת כתחליף לאלומיניום. אם כי הקושי בעיבוד ומחירה מקטין את השימוש במתכת. באזורי טמפרטורה קיצונית משתמשים במתכות כגון ניקל. חומרים פלסטיים ומרוכבים שונים שימשו בתעופה בהרבה מרכיבים מבניים שלא נושאים בנטל המבני, כגון ראדום או פנלים משלימי צורה. עם זאת גובר השימוש בחומרים מרוכבים בייצור מרכיבים מבניים מרכזיים כגון חציצים וקורות. כלי טיס מסוימים משתמשים בחומרים מרוכבים במרבית המבנה שלהם. היתרונות העיקריים של חומרים מרוכבים הם: משקל נמוך יחסית למרבית המתכות עם נתוני קשיחות טובים; עמידות גבוהה יותר בפני עייפות החומר; עמידות בטמפרטורות גבוהות; כמו כן מרכיבים מחומרים מרוכבים נוטים להיות חלקים ואווירודינמיים להפליא. עם כל אלה מרכיבים מבניים מחומרים מרוכבים הם קשים לייצור יחסית לעיבוד מתכות, ואופן ייצורם מקשה על אחזקתם ועל זיהוי כשלים מבניים שונים. קורות הן מרכיבי מבנה עיקריים שמיועדים לשאת בנטל המבני של כלי הטיס. לרוב קורות מותקנים באזורי המבנה הקשיחים ביותר דוגמת בתיבת הכנף במטוסים או בתקרה במסוקים. בכנפיים הקורות הן לרות מותקנות לאורך מוטת הכנף מהשורש לקצה. אורכנים הן קורות אורכיות המותקנות לאורך כל כלי הטיס ובהיקיפו ומפזרות את העומס בהיקף כלי הטיס ועל גבי המעטה החיצוני (במקרה של מבנה אחוד-למחצה). חציצים הם מרכיבים מבניים מרכזיים המותקנים ברוחב מבנה כלי הטיס וחוצצים בין חלקיו. חציצים לרוב מחזיקים את האורכנים ומקנים לכלי הטיס את צורתו שכן על גביהם מותקן המעטה החיצוני. תא מדוחס משמש לתאי נוסעים או צוות בכלי טיס שאמורים לטוס בגבהים רמים בהם הלחץ החיצוני הוא נמוך ולכן מסכן בני אדם. תא מדוחס מיועד להיות אטום וקשיח ולרוב מתוחם בחציצים כבדים המפרידים בינו לשאר כלי הטיס, שלא אמור להיות אטום ומדוחס. לעיתים התא המדוחס מתוחם על ידי המעטה החיצוני שגם הוא נוטה להיות מחוזק באזור התא המדוחס, יחסית לשאר כלי הטיס. כמו כן תא מדוחס מתוכנן להתפשטות החומר עקב הלחץ הפנימי הגבוה יותר שלוחץ על דפנות התא ומגדיל בפועל את גודלו. למעשה, במטוסי נוסעים אחד הגורמים העיקריים המגבילים את אורך חיי כלי הטיס הוא התעייפות החומר הנגרם על ידי מחזורים חוזרים ונשנים של התפשטות והתצתמקות של התא המדוחס. בשל כך מטוסי נוסעים לטווחים קצרים ובינוניים נוטים להיות בעלי אורך חיים קצר יחסית למטוסי נוסעים לטווחים ארוכים. שכן אלה הראשונים טסים מספר פעמים ביום ולכן חווים הרבה מחזורים של התפשטות והצתמקות, בעוד אלה האחרונים טסים מספר מצומצם של טיסות ביום ולכן חווים הרבה פחות מחזורים. המעטה החיצוני יוצר את הצורה האווירודינמית של כלי הטיס. בסוג מבנה אחוד-למחצה המעטה החיצוני נושא בחלק מהנטל המבני של כלי הטיס ומקנה לו קשיחות נוספת. לרוב חלקים של המעטה החיצוני - המכונים פנלים - מיועדים לפירוק במהלך אחזקה אלה יחוזקו על ידי ברגים. פנלים מסוימים המיועדים לפתיחה בפעילות שוטפת - המכונים פנלים פתיחה מהירה, יכללו אמצעים לנעילה ופתיחה פשוטים ולרוב יורכבו על ציר, בדומה לדלתות. פנלים אלה לרוב יותקנו בצורה ובאזור בהם הם לא ישאו בשום נטל מבני ולא יגרעו מחוזק וקשיחות המבנה. מבנה מסבך מתאפיין בריבוי של קורות מבניות. יחדיו גורמים אלה יוצרים מעין כלוב עליו מולבש המעטה החיצוני. סוג מבנה זה בא לשימוש בכלי טיס בהם המעטה החיצוני לא מסוגל לשאת בעומס מבני. כגון מעטה מבד, פח ממכת רכה וכדומה. לעיתים משתמשים בכבלים המחוברים בין קורות המבנה המחזקים על ידי מתיחות. לרוב מבנה זה מאפיין כלי טיס מוקדמים וכלי טיס קלים. מבנה מסבך מקנה חוזק קטן יחסית למשקל המוטות המחברות בין המסגרות שלהם. המסגרות נוטות להיות קטנות יחסית ולא מסוגלות לכלול תאים מדוחסים כחלק אינטגרלי מהן. מבנה אחוד (מונוקוק) מתאפיין בחציצים רוחביים המחוברים ביניהם על ידי המעטה החיצוני בלבד. סוג מבנה זה מאפיין כלי טיס קלים וקטנים כגון דאונים וטיסנים בהם המעטה החיצוני מסוגל לשאת בעומס במרבית המצבים. בכלי טיס גדולים יותר, מבנה אחוד מתאפיין בהיווצרות מהירה של סדקים שיש קושי משמעותי לתקן. מבנה אחוד-למחצה (סמי-מונוקוק) מתאפיין בשימוש בקורות אורכיות, אורכנים ומרכיבים נוספים לנשיאת עומס מבני בשילוב עם המעטה החיצוני. סוג מבנה זה הוא נפוץ מאוד בתעופה וישים ברוב סוגי כלי הטיס, מתאים למטוסים בעלי תאים מדוחסים שכן המבנה נוטה להיות מעוגל. ערך מורחב – כנף (תעופה) כנפיים הן המבנה האווירודינמי המרכזי בכלי הטיס היוצרים את העילוי המחזיק את כלי הטיס באוויר והן נושאות את כל משקל כלי הטיס. ברוב המטוסים הכנפיים גם מחזיקות ברוב הדלק של כלי הטיס. בשל כך הכנפיים צריכות להיות חזקות ומורכבות. כנפיים לרוב כוללות קורות המותקנות לאורך המוטה. לאורך חתך הכנף מותקנות צלעות המקנות לכנף את הצורה ומפזרות את הלחץ על גבי המעטה החיצוני. תיבת כנף היא המבנה במטוס התומך בכנף. מפני שהכנף היא המשטח האווירודינמי העיקרי הנושא את משקל המטוס והעומס בטיסה, תיבת הכנף היא לרוב המבנה המשמעותי והקשיח במטוס. מבנה תיבת הכנף מושפע מסוג הכנף, נקודות החיבור ואופן ההתקנה על גבי הגוף. לדוגמה, במטוס בו הכנפיים מותקנות בתחתית הגוף, הגוף למעשה מונח על גבי תיבת הכנף, מה שמפשט את התיבה, שכן לא נדרש ממנה חיזוק ותמיכה. במצב שהכנפיים מותקנות גבוהה בגוף כלל הגוף תלוי למעשה מתחת לתיבת הכנף ולכן נדרש חיזוק ותמיכה גדולה יותר בגוף המטוס וכן תיבה מחוזקת. בהתקנה אמצעית של כנפיים כל היקף הגוף הופך לתיבת כנף בשביל לתמוך בכנפיים. המבנה הקדמי ביותר בכלי הטיס. במטוסי בוכנה חד מנועיים אף המטוס יחזיק את המנוע והמדחף שלו. במטוסים מרובי מנועים אף המטוס ישא לרוב את המכ"ם והכיפה שלו וציוד אוויוני נוסף. במטוסים קטנים יחסית לעיתים האף ישא גם תאי מטען נוסף. בחלק ממטוסי הקרב הסילוניים האף ישא את כונס האוויר של המנוע. בין מבנה האף למבנה הקדמי לרוב יותקן חציץ אש שיתחם את המבנה. לרוב תאים מדוחסים יתחילו בחציץ זה. מבנה קדמי כולל לרוב את תא הטייס. במטוסי הקרב, לרוב כל התא המדוחס ימצא במבנה הקדמי. במטוסי נוסעים התא המדוחס מתחיל במבנה הקדמי ונמשך למבנה המרכזי והאחורי. המבנה המרכזי, המחבר בין המבנה הקדמי לאחורי כולל גם את תיבת הכנף הנושאת ברוב הנטל המבני של הגוף. במטוסי קרב המבנה המרכזי נושא גם חלק גדול מתאי הדלק בגוף המטוס וגם את תחנות החימוש בגוף המטוס. במפציצים ומטוסים חמקנים, המבנה המרכזי יכלול את תאי החימוש הפנימיים. במטוסי הקרב הסילוניים המבנה המרכזי יכלול את הכונסים ואת תעלות האוויר של המנועים. לעיתים הכונסים יפלשו לתוך המבנה הקדמי. בחלק ממטוסי הקרב הסילוניים, המנוע יותקן באזור זה והכונסים יותקנו במבנה הקדמי. המבנה האחורי בכלי טיס נושא את מבנה הזנב. במטוסי קרב ומטוסי נוסעים הנושאים את המנוע על גבי גוף המטוס בתי המנוע והמנועים יותקנו באזור זה. בחלק מהמטוסים המיועדים לשיוט על-קולי יותקנו תאי דלק באזור זה. במטוסי נוסעים בחלק הזה יותקן החציץ האחורי של התא המדוחס. ערך מורחב – זנב (כלי טיס) במטוסים מבנה הזנב לרוב כולל את הגאי הכיוון והגובה. כמו כן הזנב יסגור את מבנה כלי הטיס בצורה אווירודינמית. במטוסי קרב מבנה הזנב לרוב יכלול גם את צינור הפליטה של מנוע הסילון. במטוסי סילון תלת-מנועיים מבנה הזנב יתמוך גם במנוע השלישי. במסוקים הזנב את הרוטור האחורי ומשטחי הייצוב השונים. בגלל המרכזיות של מבנה כלי טיס, כשלים מבניים מהווים סיכון משמעותי ביותר ולרוב נגמרים באסון, ולכן אחזקה ובדיקות של המבנה הן חשובות ביותר לאורך חיי כלי הטיס. כלי הטיס מוגבל לרוב למעטפת טיסה מסוימת בשביל למנוע עומס יתר, וכשלים מבניים. נתונים כגון מהירות מרבית, משקל המראה ונחיתה מרביים, מגבלת תאוצה (כוח ג'י) וכדומה, כל אלה נובעים לרוב משיקולים מבניים, שכן מעבר למגבלות אלו, המבנה יכול להתעוות, להיסדק ולהיכשל. עייפות החומר עשויה לגרום להיווצרות סדקים. סדקים במבנה כלי הטיס ירכזו את העומס על גבי אזור קטן ביותר שימשיך להיסדק עד שהמבנה ישבר. בדיקות ויזואליות, בדיקות אל-הרס וכדומה, מבוצעות במרכיבים מבניים מרכזיים לאורך כל חיי כלי הטיס במהלך ביקורות שונות. ממצאים משמעותיים מבדיקות מבנה לרוב יגיעו ליצרן כלי הטיס ובעקבותיהם הוא יגדיר חיזוקים או שינויים מבניים בשביל למנוע את הסיכון לכל כלי הטיס מהדגם. למעשה, במהלך תהליך הנדסה וייצור כלי טיס חדשים, לרוב ייוצרו יחידות במיוחד בשביל לבחון את המבנה ותכונותיו במצבי כשל שונים. אסון תעופה כנף מבנה כלי טיס, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)