از دیدگاه فنى، چرخه زندگى هر هواپیما به سیاست و تجربه کارخانه سازنده، حمایت‌هاى دولت یا بخش خصوصى، تحولات بازار، و عوامل دیگر بستگى دارد؛ با این حال، روند کلى و مرسومى قابلاستخراج است که در جدول زیر دیده مىشود.
چرخه زندگی عمومی یک هواپیما از دیدگاه فنی
امور فنى مربوط به چرخه زندگى یک هواپیما، مراحلى بسیار تکرارشونده و وابسته به هم هستند، و چه بسا نتایج مراحل بعدى، در طراحى مراحل قبلى هم تغییراتى به وجود آورد و منجر به تکرار فعالیت‌ها شود؛ بنابراین، براى درک بهتر و دقیق‌تر روند فعالیت‌ها، شکل زیر فراهم شده که نماى عمومى موقعیت مراحل مختلف را نسبت به هم، بهویژه در مرحله پیدایش یک هواپیما، مجسم مىکند. بدیهى است که بنا به تجربه و شیوه فعالیت هر گروه طراح، ممکن است که این جریان کار، تغییراتى در اجرا داشته باشد، ولى معمولاً روند درج شده در این شکل تحقق مىیابد؛ همچنین، براى سادگى بیشتر، سعى و خطاهاى مفصلى که بعدا شرح داده مىشود، در این شکل نشان داده نشده است.
جریان کار امور فنی در چرخه زندگی یک هواپیما
سرگذشت هر هواپیما با تعیین مأموریت آغاز مىشود. براى تعریف مأموریت، نیازمندی‌هاى بازار (شرایط زمان حال و دورنماى آینده) طى یک فرایند کارشناسى مبتنى بر نظرخواهىهاى متعدد، در نظر گرفته مىشود؛ مثلاً یک سازنده هواپیماهاى مسافربرى، با توجه به آمار و نظرخواهىهاى انجام شده از خطوط هوایى مختلف، تعداد مسافر و مقدار بار قابلحمل و برد پروازى مورد نیاز در چند سال آینده (یعنى زمانى که هواپیماى ساخته شده، به بازار عرضه خواهد شد) را پیشبینى مىکند، و آنها را در مأموریت طرح آتى خود مىگنجاند.
با توجه به نیازهاى ارزیابى شده، مواد مورد نیاز طراحان در قالب مأموریت فراهم مىشود. با وجود در نظر گرفتن تنها یک مأموریت اصلى براى هر هواپیما، معمولاً از همان ابتدا امکان اجراى مأموریت‌هاى دیگر هم پیشبینى مىشود؛ مثلاً در طرح یک هواپیماى مسافربرى، بررسى امکان تبدیل به یک سوخترسان، موضوع بسیار مرسوم است. به طور کلى معمولاً جزئیات مأموریت یک هواپیما، نظامى یا غیرنظامى، شامل موارد زیر است: نوع و میزان بارمزد یا بار جنگى، بیشترین وزن برخاستن، نیازمندی‌هاى مربوط به برد پروازى یا پرواز تأخیرى، ارتفاع و سرعت پرواز کروز، مشخصات میدان برخاستن و فرود، مقدار سوخت ذخیره، نیازمندی‌هاى مربوط به مانور (بهویژه در صعود) چه در حالت عادى و چه در صورت خرابى یک موتور، نحوه تخلیه تسلیحات براى هواپیماهاى رزمى، و…
چون مصنوعات پرنده مستقیماً با جان انسانها سروکار دارند، سازمان‌هاى هواپیمایى کشورى آییننامههایى را فراهم کردهاند که ضمن معرفى استانداردهاى عملیاتى، کمترین عوامل لازم در یک طرح را براى حفظ ایمنى قابلقبول مطرح مى‌کنند؛ مثلاً سقف بالاى سرعت واماندگى مشخص مىشود تا به باند فرود کوتاه‌ترى براى هواپیماهاى ساخته شده نیاز باشد. آییننامههاى معروف عبارتاند از: آییننامه امریکایى مصوب FAA، آییننامه مشترک اروپایى مصوب EASA و آییننامه نظامى میل. آئیننامه مبناى طراحى باید در تعریف مأموریت مشخص شده باشد. در جدول زیر، مأموریت نمادینى براى یک هواپیماى جنگنده-تهاجمى دوموتوره آمده است، و ترسیمه آن مأموریت هم در شکل بعدی دیده مىشود.
مأموریت نمادین یک هواپیمای جنگنده-تهاجمی دوموتوره
ترسیمه مأموریت مثالی جدول فوق
پس از تعیین مشخصات مأموریت، باید بازدهى اقتصادى طرح براى اطمینان از سوددهى بررسى شود. البته در مواردى که بخش‌هاى نظامى و یا دیگر ارگان‌هاى معظم دولتى یک کشور، متقاضى طرحى باشند، نگرانى نسبتاً جدى از جنبههاى اقتصادى وجود نخواهد داشت؛ حتى در چنین صورتى هم، به دلیل سرعت تحولات در دنیاى معاصر، منطقى است که سازنده با زیر نظر داشتن شرایط بازار آزاد، همواره پیشبینىهاى لازم براى هر گونه تحولى را پیشاپیش تدبیر کند.
معمولاً در کشورهاى غربى، نیروى هوایى یا خطوط هوایى معظم، با پیشبینى شرایط آینده، نیازهایشان را در قالب مأموریتى تقریبى به سازندگان باسابقه اعلام مى‌کنند؛ این عمل را در فرهنگ نظامى ایالات متحده اصطلاحاً «تقاضا براى پیشنهاد» (آر.اف.پى.) مىنامند. بهترین پیشنهاد دریافتى از سازندگان، که حتى شاید دقیقا با مأموریت درخواستى اولیه تطابق نداشته باشد، پذیرفته مىشود، و نهاد مذکور با پیشنهاددهنده قراردادى براى ساختن هواپیما مىبندد.
با تدوین نهایى پارامترهاى مأموریت، فعالیت زیرگروه‌هاى مختلف طراحى آغاز مىشود، و تخصص‌هاى متفاوتى در زمینههاى آئرودینامیک، سازه، دینامیک پرواز، پیشرانه، مواد و روش‌هاى ساخت و تولید، سیستم‌هاى مختلف هیدرولیکى و بادى و الکتریکى، اوزان و بارگذارى، تسلیحات، بازاریابى، و … به کار گرفته مىشوند. هدایت و کنترل همه این فعالیت‌ها را یک مدیر باتجربه، آگاه، و مسلط انجام مىدهد تا به طور بهینه از امکانات، بودجه، و زمان استفاده شود. از مهمترین وظایف سرگروه طراح، تشخیص دقیق اولویت‌ها و به گردش در آوردن منطقى اطلاعات در بین زیرگروه‌هاى مختلف است.
سایز کردن اولیه جزو نخستین فعالیت‌هاى طراحان است. در این مرحله با توجه به رده طرح مورد نظر و بر اساس آمار هواپیماهاى موجود در همان رده، تقریب اولیهاى از پارامترهاى بسیار مهم به دست مى‌آید؛ مثلاً براى همه ردههاى مندرج در جدول زیر، آمار مشخصات کلان بسیارى از هواپیماها به صورت نمودارها و روابط ریاضى به دست آمده که براى تقریب اولیه بسیار مفیدند. به این ترتیب، تخمین‌هایى از وزن، هندسه بال، پیشرانش، و ویژگیهاى دیگر به دست مى‌آید که براى مراحل بعدى مورد نیاز است.
همچنین حساسیت بعضى از پارامترهاى مهم، نسبت به یکدیگر محاسبه مىشود تا ضمن تشخیص عوامل تعیینکنندهتر در روند طراحى، مشخص شود که براى دستیابى به بعضى قابلیت‌هاى جدید در مأموریت، تغییرات تکنولوژیکى چگونه باید باشد، و همچنین، تأثیر خوش‌بینانه یا بدبینانه بودن پارامترهاى انتخابى در سایزکردن اولیه آشکار شود.
یک نوع رده‌بندی انواع هواپیماها
به دلیل محدودیتهایى که معمولاً در مراحل بعدى پیش مى‌آید، معمولاً گروه طراح در همین مرحله چند طرح مختلف را به طور همزمان بررسى مىکند، و مراحل بعدى را به طور یکسان براى همه آنها ادامه مىدهد، تا جایى که مشخصاً یکى از طرح‌ها به نتایج بهترى برسد، و پیشنهادهاى دیگر کنار گذاشته شوند.
نکته مهم آن است که نتایج هیچیک از مراحل طراحى، قطعى و نهایى نیستند، و بر اساس این استنباط رایج که «یک هواپیما همانند یک موجود زنده، دائماً مىتواند اصلاح شود» اصلاح و تغییر آن، موضوعى عادى و طبیعى است. تغییر هر یک از پارامترهاى طرح، حتى اگر جزو پارامترهاى اساسى هم نباشد، همه طرح را متحول مىکند، و بازگشت به مراحل قبلى و تکرار آنها (این بار با پارامتر اصلاح شده) الزامى خواهد بود؛ به همین دلیل، طراحى هواپیما همواره فرایندى بازگشتپذیر و تکرارشونده معرفى مىشود. با توجه به حجم زیاد فعالیت‌ها در هر مرحله از طرح، مىتوان درک کرد که بازگشت‌هاى مکرر طراحان به مراحل قبلى و تغییر دادن پارامترهاى قبلاً تثبیتشده، چه فشار سنگینى را بر همه اعضاى گروه طراح وارد مىکند. براى وضوح بیشتر، در شکل پیشین این ویژگى تکرارشونده نشان داده نشده است، ولى باید همواره آنرا در نظر داشت. در شکل‌هاى زیر، که طرح اولیه و طرح نهایى حاصله از طراحى بمبافکن انگلیسى ولکان را نشان مىدهد، اهمیت تغییرات حین طراحى بهخوبى قابلدرک است.
ترسیمه‌ای تاریخی نشان‌دهنده اولین پیش‌بینی ترکیب‌بندی هواپیمای بال‌مثلثی ولکان
هواپیمای ساخته شده ولکان بر اساس طرح اولیه شکل قبلی
سرانجام، طراحى تفصیلى آغاز مىشود. در این مرحله، همه جزئیات طرح، از ابعاد برونى و سیستم‌هاى درونى گرفته تا تعداد و محل پرچ‌ها و پیچ‌ها، طراحى شده، پیشبینىهاى لازم براى تولید و مونتاژ انجام مىشود. استفاده از تجربههاى قبلى در پیشبینى مشکلات آینده و اجراى سناریوهاى «چه پیش مى‌آید اگر» در این مرحله بسیار مهم است. علاوه بر آزمایش‌هاى مفصل در تونل‌هاى باد مختلف، که از دیرباز جزیى مهم در کار طراحى بوده، روش‌هاى پیشرفته رایانهاى در شبیهسازى جریان هواى پیرامون هواپیما هم اخیراً به‌طور گستردهاى در صنایع هوایى مرسوم شده، و در طراحى تفصیلى استفاده مىشود. اطلاعات حاصل از این فرایندها، در اصلاح طرح بسیار مفید است، و به همین دلیل هم سازندگان، سرمایه و زمان قابلتوجهى را به آنها اختصاص مىدهند.
ساخت ماکآپ و چیدن تجهیزات درونى (صندلی‌ها، آلات دقیق، سیستم‌ها، و…)، جاگیرى مناسب قسمتهاى مختلف نسبت به هم آزمایش مىشود، و تدارک یک «پرنده آهنین» هم براى آزمودن کارکردسطوح کنترل مفید است. از اواخر دهه ۱۹۸۰ و با ظهور پدیده «نمونه مجازى»، امکان شبیهسازى در زمان واقعى هم فراهم شده است. با استفاده از این تکنولوژى جدید، محیط درونى هواپیمابه کمک رایانه شبیهسازى مىشود و کاربر مىتواند از هر زاویه و جهت دلخواه، درون هواپیما و نحوه چیدن اجزاى مختلف را مشاهده کند. این پدیده، باعث کاهش چشمگیر در هزینههاى ساخت ماکآپ شده است.
معمولاً پس از پایان طراحى تفصیلى، پارامترهاى حاصله از طراحى اولیه تغییرات قابلتوجه (عموماً نامطلوب) خواهند کرد. این موضوع، بهویژه در مناقصههاى بزرگ، دشواری‌هایى جدى براى پیمانکار به دنبال خواهد آورد. مثلاً افزایش وزن یک طرح (نسبت به پیشبینى اولیه)، باعث مصرف مصالح بیشتر، و نتیجتاً افزایش هزینههاست. طبیعتاً براى اجتناب از این امتیاز منفى، سازنده تلاش خواهد کرد که افزایش وزن را به کمترین مقدار کاهش دهد که این کار باعث کاهش مقاومت سازهاى و کم شدن ایمنى هواپیما مىشود.
به عنوان یک نمونه، در رقابتى براى طراحى و ساخت یک هواپیماى ترابرى سنگین براى «نیروى هوایى ایالات متحده»، شرکت لاکهید طرح سى.-۵ را عرضه کرد که گرچه به دلیل قیمت کمتر و منافع دیگر، بر طرح‌هاى رقیب پیروز شد، اما وزن طرح نهایى و قیمت تمامشدهاش آنچنان بیشتر از مقدار پیشبینى شده اولیه بود که به صورت یک مصیبت اقتصادى براى سازنده درآمد؛ با وجود تولید سى.-۵ اى.، سازنده طبق قراردادى تکمیلى موظف شد که در تمام هواپیماهاى تولید شده، اصلاحات سازهاى مهمى را انجام دهد که هزینه گزاف و بحث‌هاى مفصلى را به دنبال داشت.
با وجود پیشرفت امکانات و ابزار طراحى، و تجربههاى باارزش به دست آمده از ده‌ها سال فعالیت صنایع هوایى، ساخت هواپیماهاى پیشنمونه همچنان سنتى پایدار باقى مانده است. البته تعداد این پیشنمونهها به پیچیدگى طرح، تجربه تیم طراح و کارخانه سازنده، و حساسیت‌هاى جنبى دیگر بستگى دارد، و معمولاً تعداد مورد نیاز آن، از دو تا پنج فروند تغییر مىکند، و حتى ممکن است که در مواردى، از این تعداد هم فراتر رود.
هدف از ساخت پیشنمونهها، اجراى آزمایش‌هاى مختلف زمینى و پروازى براى اطمینان از صحت محاسبات طراحى و اجراى اصلاحات لازم است. در آزمایش‌هاى استاتیکى، بارگذارى متناوب یا پیوستهاى بر روى یک سازه تنها (بدون سیستم‌ها و تجهیزات درونى) تا مرحله شکست سازه پیش مىرود؛ به این ترتیب، مقاومت نهایى سازه معلوم شده، مىتوان آنرا با بیشترین مقدار بار پیشبینى شده مقایسه کرد. در آزمایش‌هاى زمینى، حرکت پیشنمونه بر روى باند پرواز بررسى شده، کیفیت و کنترل حرکت هواپیما بر روى زمین، کارآیى چرخ‌ها در برخورد با موانع، و عملکرد موتورها آزمایش مىشود.
با اصلاح اشکالات آشکار شده در مراحل بالا، سرانجام هواپیما در آزمایش‌هاى پروازى آزموده مىشود. بعضى از موارد مهم مورد توجه در این آزمایش‌ها عبارتاند از:
- تنظیم آلات دقیق کابین مثل سرعتسنج،
- به دست آوردن عملکرد پرواز عملى بر اساس شرایط پایا و ناپایا،
- ارزیابى پاکت پروازى،
- عملکرد موتور،
- آزمایش تعادل و کنترل هواپیما،
- و…
اجراى آزمایش‌هاى پروازى نیازمند صبر و حوصله فراوانى است، و کارشناسان ضمن صرف دقت و توجه فراوان در زمان اجراى آزمایش، نباید از اجراى مکرر یک آزمایش خسته شده، کوچکترین نکتهاى را نادیده بگیرند. اهمیت این نکته به دلیل آن است که هر آزمایش ساده، مستلزم تنظیم و لحاظ کردن عوامل مختلفى است، و اندکى بى‌دقتى یا سهل انگارى حتى یک نفر از مجریان اجراى آزمایش، مىتواند باعث بروز اشتباهات فاحش در نتایج و از دست رفتن حاصل تلاش همه گروه آزمایشگر شود. آزمایش‌هاى استاتیکى، زمینى، و پروازى همواره فهرست نسبتاً بلندى از تغییرات و اصلاحات را در اختیار طراحان قرار مىدهد که پس از اجراى آنها، براى حصول اطمینان کامل، آزمایش‌هاى مربوطه مجدداً باید تکرار شوند. این روند تا رسیدن به بهترین نتایج و دریافت «گواهینامه صلاحیت پروازى» بر اساس آییننامههاى مورد تایید کشور سازنده تکرار مىشود. گاهى اوقات به دلیل اعتبار و سابقه طولانى بعضى از آییننامهها، و یا حتى براى جلب بازار کشورهاى دیگر، هواپیماهاى ساخته شده در یک کشور ممکن است براى دریافت گواهینامه صلاحیت پروازى از کشورهاى دیگر هم اقدام کند؛ مثلاً اغلب سازندگان هواپیما در خارج از ایالات متحده و اروپا، گواهینامههاى امریکایی و اروپایی را هم براى محصولاتشان دریافت مى‌کنند. اولین گواهینامه یک هواپیماى جدید، «گواهینامه صلاحیت نوعى» است که نوع هواپیما را تأیید مىکند. پس از کسب این گواهینامه و تولید هواپیما، براى هر فروند هواپیماى تولیدى باید گواهینامه جداگانهاى تقاضا شود.
به دلیل طولانى بودن فرایند ساخت، معمولاً سازندگان از اولین مراحل آغاز طراحى تا زمان تولید انبوه، براى جلب رضایت قطعى مشتری‌ها (بهویژه براى هواپیماهاى غیرنظامى) با مشتری‌ها در ارتباط بوده، تبلیغات مفصلى را براى جلب نظرها به راه مىاندازند. گاهى این مشتری‌ها با مطرح کردن خود در نقش سرمایهگذار و خریدار قطعى، نظرات خود را به گروه طراح تحمیل مى‌کنند. در تاریخ توسعه هواپیماها کمتر موردى را مىتوان یافت که به تغییرات ناشى از نظرات مشتری‌ها، که گاهى صرفاً سلیقهاى است، دچار نشده باشد.
عمر فعال یک هواپیماى موفق حدود سى سال است، و بهتر است که هر هفت سال با اجراى اصلاحاتى قابلتوجه، مدل‌هاى جدیدى عرضه شود، تا شرایط روز دائماً لحاظ شود. پس از خاتمه تولید، هواپیماى ساخته شده تا سال‌ها همچنان در خدمت باقى مىماند، و سازنده موظف است که در این مدت، لوازم یدکى و دیگر خدمات مورد نیاز کاربران را تأمین کند.
همزمان با ورود هواپیما به خط تولید، سازنده فعالیت‌هاى جانبى ولى حیاتى دیگرى را هم آغاز مىکند. عرضه آموزش‌هاى لازم براى نیروهاى خدمات تعمیر و نگهدارى و عملیات پروازى، و تهیه منابع و مراجع مناسب قابلاستفاده آنها (کتاب، میکروفیلم، و …) بعضى از این فعالیتهاست. شبیهسازهاى پرواز هم امروزه کاربرد وسیعى در امور آموزشى پیدا کردهاند. یک شبیهساز پرواز معمولاً به صورت کابینى با ادوات مشابه کابین پرواز هواپیماى واقعى است، و با فرمان آموزشگیرنده و به کمک جک‌هاى هیدرولیکى یا الکتریکى، وضعیت قرارگیرى یک هواپیماى واقعى را شبیهسازى مىکند، و آموزشگیرنده هم از پنجره کابین خود، منظرهاى بسیار مشابه با منظره پرواز واقعى را مشاهده مىکند. صرفهجویى در هزینههاى کلان هر پرواز، ایمنى از سانحه، و امکان استفاده درازمدت، بدون مستهلک شدن هواپیماهاى واقعى، از منافع مهم شبیهسازهاست. امور جانبى برشمرده اگر چه معمولاً در مقایسه با پیچیدگی‌ها و مخارج ساخت هواپیما به چشم نمىآید، اما با توجه به ظرافت‌ها و حساسیت‌هاى موجود، حجم فعالیت عظیمى را به خود اختصاص مىدهد.
گاهى چند فروند از هواپیماهایى که با دقت بیشترى ساخته شدهاند، براى تحقیقات و اصلاحات انتخاب مىشوند. آنها را اصطلاحاً هواپیماهاى «آر. اند دى.» مىنامند. اصلاحاتى مطلوب براى تدارک مدل‌هاى جدید، قبلاً بر روى هواپیماهاى «آر. اند دى.» آزمایش مىشوند. براى مدل‌هاى بعدى یک هواپیما هم باید گواهینامه صلاحیت پروازى جداگانه تقاضا کرد.
معمولاً چند فروند از هواپیماهایى که طرح ممتاز، عملکرد پرواز برجسته، و کنترلپذیرى زیادى دارند، به عنوان مهدآزمون برگزیده مىشوند. از مهدآزمون‌ها براى آزمایش اجزاى طرح‌هاى جدید استفاده مىشود. مثلاً بال طراحى شده براى یک هواپیماى جدید، با بال مهدآزمونى از همان رده هواپیما تعویض شده، رفتار پروازى آن بررسى مىشود. هواپیماهاى ۷۴۷ و سى.-۱۳۰ از مهدآزمون‌هاى معروف هستند. براى یک سازنده حرفهاى، تولید یک هواپیما به منزله پایان کار نیست. گروه طراح باید حاصل دسترنج خود را دقیقاً بررسى، و نقاط قوت و ضعف آنرا همانند تجاربى ارزشمند ثبت کند، تا به منزله روح در کالبد طرح بعدى دمیده شود. اصطلاح «چرخه زندگى» تعبیرى از همین معناست.