موتورهای جت طوری طراحی شده‌اند که سخت‌ترین شرایط پروازی از دماهای زیر صفر در ارتفاع ۳۵ هزار پایی گرفته تا مکش آب باران، تگرگ و خاکستر آتشفشانی را تحمل کنند. موتورهای جدید باید تحت بیشترین فشار، با عملکردی کاملا بی‌نقص پرواز کنند.
با این حال، شاید غیرقابل‌پیش‌بینی‌ترین تهدید، برخورد پرندگان با هواپیما باشد که به‌راحتی می‌تواند به موتورها یا سازه هواپیما آسیب وارد کند. اگرچه بیشتر این برخوردها بدون پیامد جدی سپری می‌شوند، تجربه نشان داده که تنها چند ثانیه تماس با پرنده می‌تواند مرز باریکی میان فرود ایمن و یک فاجعه را رقم بزند. برای اطمینان از حفظ عملکرد و ایمنی موتور حتی در مواجهه با حوادث غیرمنتظره، هر موتور تاییدشده تحت آزمایش‌های دقیق و سخت‌گیرانه برخورد با پرندگان قرار می‌گیرد.
واقعیت برخورد با پرندگان
برخورد با پرندگان زمانی رخ می‌دهد که هواپیماها هنگام برخاستن، فرودآمدن یا پرواز در ارتفاع پایین قرار دارند. اگرچه این برخوردها بیشتر اوقات در ارتفاع کمتر از 3 هزار پا، یعنی محدوده‌ای که بیشتر پرندگان در آن پرواز می‌کنند، اتفاق می‌افتند، اما می‌توانند خطر آسیب به سازه هواپیما و موتورهای آن را به همراه داشته باشند. بر اساس گزارش اداره هوانوردی فدرال آمریکا FAA، تنها در آمریکا سالانه بیش از 17 هزار مورد برخورد هواپیما با پرندگان رخ می‌دهد.
در سراسر جهان، این حوادث سالانه بیش از یک میلیارد دلار هزینه به صنعت هواپیمایی تحمیل می‌کنند که شامل هزینه‌های تعمیرات، تاخیرها و اختلال در عملیات است. اکثریت قریب‌به‌اتفاق برخوردهای پرندگان، هیچ آسیب قابل‌توجهی ایجاد نمی‌کنند یا آسیب آن‌ها ناچیز است. با این حال، هنگامی که برخورد با پرندگان بزرگ یا دسته‌ای از پرندگان رخ می‌دهد، پیامدها می‌تواند بسیار جدی باشد.
انرژی برخورد با مجذور سرعت افزایش می‌یابد. به‌گونه‌ای که برخورد یک پرنده ۳٫۶ کیلوگرمی با هواپیمایی که با سرعت 460 کیلومتر بر ساعت در حال حرکت است، نیرویی بیش از ۲۵ تن در محل برخورد ایجاد می‌کند. در مورد روتوری که با سرعت هزاران دور در دقیقه در حال چرخش است، حتی قطعات کوچک نیز می‌توانند باعث تشدید خرابی‌های مکانیکی و ایجاد زنجیره‌ای از آسیب‌های فزآینده شوند.
ساختار گواهینامه
برای مقابله با این تهدیدها، مراجع هوانوردی ذی‌صلاح مانند اداره هوانوردی فدرال آمریکا FAA و آژانس ایمنی هوانوردی اروپا یاسا، استانداردهای دقیق و مشخصی را برای صدور گواهینامه تعیین کرده‌اند. این الزامات عمدتا در قوانین پارت 33 آمریکا (برای موتورهای هواپیما) و متممCS-E 800 یاسا تشریح شده‌اند و تولیدکنندگان ملزم می‌شوند که نشان دهند که موتورها می‌توانند بلعیده‌شدن پرنده را بدون از کار افتادن موتور تحمل کنند.
آزمایش‌های صدور گواهینامه برای بلعیده‌شدن پرندگان توسط موتور، پارامترهای مشخصی را بر اساس نوع و وزن پرنده و سناریوی آزمایش در نظر می‌گیرند. برای پرندگان کوچک با وزن حدود ۰٫۸۵ کیلوگرم، حداکثر ۱۶ آزمایش بلعیدن پرنده انجام می‌شود تا اطمینان حاصل شود که موتور به‌طور کامل از کار نمی‌افتد و می‌تواند به مدت ۲۰ دقیقه همچنان نیروی پیشران تولید کند، هرچند این نیروی پیشرانش کاهش می‌یابد.
در آزمایش مربوط به پرندگان متوسط، پرندگانی با وزن تقریبی ۱٫۱۵ کیلوگرم بکار گرفته می‌شوند و حداکثر ۷ مورد بلعیدن پرنده توسط موتور انجام می‌شود که در این شرایط موتور باید بتواند حداقل ۲۰ دقیقه نیروی پیشران تولید کند. در آزمایش مربوط به پرندگان بزرگ، منظور پرندگانی با وزن ۱٫۸ تا ۳٫۶۵ کیلوگرم است و در هر مورد آزمایش، تنها یک پرنده وارد موتور می‌شود، موتور نباید دچار آتش‌سوزی یا خرابی مهارنشده شود و باید پس از برخورد، به مدت ۱۴ دقیقه حداقل ۵۰ درصد نیروی پیشران را حفظ کند.
این الزامات آزمایش به طراحی موتور و مساحت ورودی هوا بستگی دارند و آزمایش‌ها در شرایط برخاستن انجام می‌شوند، یعنی زمانی که موتور در حال تولید حداکثر نیروی پیشران است و در عین حال، بیشترین خطر برخورد با پرندگان را دارد.
فرآیند آزمایش موتورهای جت
آزمایش برخورد با پرندگان در تاسیسات آزمایشی ویژه و طراحی‌شده برای این منظور و در محیط‌هایی با الزامات و کنترل‌های سخت‌گیرانه انجام می‌شود. ویژگی شاخص این آزمایش، استفاده از یک پرتابگر پنوماتیکی است که با نام توپ شلیک پرنده نیز شناخته می‌شود. این سامانه، جسم پرتاب‌شونده ژلاتینی را با سرعت بالا به سمت موتور جت در حال کار پرتاب می‌کند. پرندگان شبیه‌سازی‌شده به‌گونه‌ای ساخته می‌شوند که وزن و چگالی بافت پرندگان واقعی را بازسازی کنند، اما در عین حال امکان انجام آزمایش‌هایی یکنواخت، ایمن و قابل‌تکرار را فراهم می‌کنند.
موتورها در طول آزمایش با توان برخاست کار می‌کنند و سرعت چرخش آن‌ها به بیش از 10 هزار دور در دقیقه می‌رسد. در این آزمایش، هواپیما با سرعت277 تا 1481 کیلومتر بر ساعت به سمت پره‌های فن حرکت داده می‌شود. هدف آزمایش، جلوگیری از آسیب‌دیدگی موتور نیست، بلکه اطمینان از این است که قابلیت مهار آسیب موتور بتواند ضربه را بدون ایجاد آتش‌سوزی، جداشدن و پرتاب مهارنشده پره‌هایا خاموشی سریع موتور تحمل کند.
کرنش‌سنج‌ها، دوربین‌های سرعت‌بالا و سامانه‌های جمع‌آوری داده تمام لحظات برخورد را در مقیاس میلی‌ثانیه ثبت می‌کنند. مهندسان با بررسی الگوهای ارتعاش، تغییرشکل پره‌ها و عملکرد هسته موتور اطمینان حاصل می‌کنند که موتور الزامات و استانداردهای صدور گواهینامه را برآورده می‌کند.
مهار پره و علم مواد
یکی از نتایج کلیدی این آزمایش‌ها، اعتبارسنجی قابلیت سامانه مهار پره موتور در نگه‌داشتن پره‌های فن شکسته‌شده در داخل پوسته موتور است. این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا در صورت وقوع خرابی مهارنشده، قطعات و ذراتی که با سرعت بسیار بالا پرتاب می‌شوند، می‌توانند بدنه هواپیما یا مخازن سوخت را سوراخ کرده و به آن‌ها آسیب جدی وارد کنند.
موتورهای جدید همچنین به حلقه‌های مهارکننده تقویت‌شده با الیاف کولار و پره‌های فن کامپوزیتی مجهز شده‌اند که با هدف دستیابی به دوام و چقرمگی بالا طراحی شده‌اند. این مواد، انرژی ناشی از ضربه را کاهش داده و از خروج قطعات شکسته و ترکش‌ها از داخل ناسل جلوگیری می‌کنند. شرکت‌های رولزرویس، جنرال الکتریک و پرت‌اندویتنی سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی در طراحی نسل جدید پره‌های کامپوزیتی انجام داده‌اند و در این طراحی‌ها، کاهش وزن و بهره‌وری را در کنار افزایش دوام مدنظر قرار داده‌اند.
آزمایش جداشدن پره، مکمل آزمایش برخورد با پرندگان است. در این آزمایش، یک پره توربین یا فن به‌صورت عمدی در حالی که با سرعت کاری در حال چرخش است، شکسته می‌شود تا اطمینان حاصل شود که پوسته موتور می‌تواند قطعات حاصل از شکست را در داخل خود مهار کند. هدف از این آزمایش‌ها اطمینان از این است که آسیب ایجادشده در داخل موتور باقی بماند و به خارج از آن منتقل نشود.
پرواز ۱۵۴۹ شرکت یواس ایرویز
حادثه معروف معجزه روی هادسون یک رویداد واقعی بود که در سال ۲۰۰۹ برای پرواز ۱۵۴۹ شرکت یواس ایرویز رخ داد. در این حادثه، چندین غاز کانادایی که وزن هر یک از آن‌ها به ۴٫۵ کیلوگرم می‌رسید، اندکی پس از برخاستن هواپیما از فرودگاه لاگواردیا نیویورک وارد هر دو موتور CFM56 یک فروند ایرباس A320 شدند. از دست رفتن هم‌زمان توان هر دو موتور، خدمه را ناچار کرد یک فرود اضطراری روی رودخانه هادسون انجام دهند.
این حادثه موجب شد نهادهای نظارتی و سازندگان موتور، آزمایش‌های مربوط به بلعیدن هم‌زمان چند پرنده را افزایش دهند و قابلیت مهار آسیب و قطعات جداشده در موتورهای توربوفن با نسبت کنارگذرهی بالا را مورد بازبینی قرار دهند.
یکپارچه‌سازی با فرآیند توسعه موتور
آزمایش برخورد با پرندگان، تنها یکی از مراحل فرآیند جامع تایید صلاحیت موتور است. این فرآیند شامل آزمایش‌های دوام، ورود یخ، آب و اجسام خارجی نیز می‌شود که همگی با هدف ارزیابی دوام و قابلیت‌اطمینان موتور در طیف وسیعی از شرایط و تنش‌های عملیاتی انجام می‌شوند. آزمایش‌های دوام قابلیت‌اطمینان موتور را طی بیش از ۱۵۰ ساعت و در تنظیمات مختلف توان ارزیابی می‌کنند. در مقابل، آزمایش ورود یخ با واردکردن ذرات یخ به موتور در حال چرخش، عملکرد سامانه‌های ضدیخ را بررسی می‌کند.
آزمایش ورود آب عملکرد موتور را در شرایط بارندگی شدید و با استفاده از پاشش آب با سرعت بالا ارزیابی می‌کند. همچنین، آزمایش ورود اجسام خارجی اثرات ناشی از ورود اجسام موجود در باند پرواز، مانند شن و ماسه یا سنگ‌ریزه را شبیه‌سازی می‌کند. در مقابل، در آزمایش برخورد با پرندگان از جسم‌های پرتاب‌شونده ژلاتینی استفاده می‌شود که با سرعت 277 تا 1481 کیلومتر بر ساعت به سمت موتور پرتاب می‌شوند تا شرایط برخورد با پرنده شبیه‌سازی شود.
این آزمایش‌ها در تاسیسات آزمایشی تخصصی روباز و سلول‌های آزمایش متعلق به سازندگانی مانند جنرال الکتریک، رولزرویس و پرت‌اندویتنی انجام می‌شوند. موتورها نیز به صدها حسگر مجهز می‌شوند تا داده‌های مربوط به عملکرد و رفتار موتور را در شرایطی ثبت کنند که از بسیاری جهات تنش‌زاتر از شرایط واقعی عملیات در حین پرواز هستند.
صدور گواهینامه و مقررات
سازمان هوانوردی آمریکا FAA و آژانس ایمنی هوانوردی اروپا یاسا، فرآیند تایید صلاحیت موتور در برابر برخورد با پرندگان را از طریق مشاهده مستقیم، بررسی و راستی‌آزمایی داده‌ها و اجرای چرخه‌های تکرارشونده آزمایش نظارت و تنظیم می‌کنند. نهادهای نظارتی مشخص می‌کنند که عملکرد موتور پس از برخورد با پرنده باید شامل کاهش کنترل‌شده نیروی پیشران، ادامه کار پایدار موتور و عدم وقوع خرابی مهارنشده باشد.
فرآیند صدور گواهینامه ممکن است چندین سال به طول بی‌انجامد و شامل ثبت و اصلاح پارامترها و داده‌های مختلف در هر مرحله از آزمایش با هدف دستیابی به نتایج بهتر است. پس از برآورده‌شدن تمامی الزامات، سازنده گواهینامه نوع را صادر و دریافت می‌کند که تایید می‌کند نوع مشخصی از موتور تمامی آزمایش‌ها و استانداردهای موردنیاز را با موفقیت پشت سر گذاشته‌است.
حتی پس از دریافت این گواهینامه نیز سازندگان اصلی تجهیزات همچنان مسئول مدیریت و حفظ صلاحیت پروازی محصولات خود هستند. همچنین، داده‌های واقعی موتورهای در حال خدمت در ناوگان شرکت‌های هواپیمایی به‌طور مستمر برای شناسایی ناهنجاری‌ها و اطمینان از قابلیت‌اطمینان و انطباق طولانی‌مدت مورد پایش قرار می‌گیرند.
پیشرفت‌ها در زمینه برخورد با پرندگان
از آنجا که حمل‌ونقل هوایی یکی از بزرگ‌ترین صنایع جهان محسوب می‌شود، امروزه تعداد هواپیماهایی که در سراسر جهان برخاست و فرود انجام می‌دهند، بیش از هر زمان دیگری است. این افزایش سریع تعداد پروازها باعث شده که سازندگان هواپیما و موتور و همچنین مسئولان فرودگاه‌ها از فناوری‌های پیشرفته برای کاهش خطر برخورد با پرندگان در محدوده فرودگاه‌ها استفاده کنند.
سامانه‌های راداری در برخی از فرودگاه‌های بین‌المللی بزرگ اروپا و آمریکا، اطلاعات لحظه‌ای از فعالیت پرندگان در محدوده باندهای پروازی ارائه می‌کنند. این اطلاعات به مسئولان کمک می‌کند تا پیش از ایجاد هرگونه تهدید جدی، اقدامات لازم را از قبل انجام دهند. همچنین، سامانه‌های بازدارنده لیزری و صوتی به دورکردن پرندگان از مراحل و مسیرهای حساس پرواز، مانند اوج‌گیری و تقرب کمک می‌کنند، زیرا آسیب به موتور یا سازه هواپیما در این مراحل می‌تواند به وقوع یک حادثه منجر شود. علاوه بر این، با گسترش هوش مصنوعی، استفاده از شبیه‌سازی‌های پیش‌بینانه مبتنی بر هوش مصنوعی نیز امکان پیش‌بینی و شناسایی فعالیت‌های احتمالی پرندگان را آسان‌تر کرده‌است.
از نظر طراحی نیز، شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای مبتنی بر دوقلوی دیجیتال، امکان مدل‌سازی مجازی رویدادهای بلعیدن پرنده توسط موتور را فراهم کرده‌اند. این فناوری نیاز به انجام گسترده آزمایش‌های نمونه اولیه در دنیای واقعی را کاهش می‌دهد، هزینه‌ها را پایین می‌آورد و امکان ارزیابی و بهینه‌سازی دقیق‌تر ملاحظات ایمنی را فراهم می‌کند.
فراتر از الزامات: حرکت به‌سوی تاب‌آوری
موتورهایی که امروزه در حال خدمت هستند، نه‌تنها مطابق با حداقل الزامات و مشخصات استاندارد گواهی شده‌اند، بلکه به‌گونه‌ای مهندسی شده‌اند که از این الزامات فراتر بروند. استفاده از کامپوزیت‌های با استحکام بالا، فناوری‌های پیشرفته مهار قطعات و سامانه‌های پایش لحظه‌ای سلامت موتور، خطر وقوع خرابی فاجعه‌بار موتور را به میزان قابل‌توجهی کاهش داده‌است.
با وجود انجام هزاران پرواز در روز، موارد جدی برخورد پرنده با موتور که منجر به پیامدهای قابل‌توجه شوند، بسیار نادر هستند. این سطح از ایمنی، نتیجه مستقیم دهه‌ها همکاری میان مهندسان، انجام آزمایش‌های گسترده و تدوین و اجرای مقررات است. رویکرد مهندسی‌شده برای مواجهه با حوادث غیرمنتظره تضمین می‌کند که حتی در صورت وقوع رویدادهایی که تصور آن‌ها دشوار است، هواپیما بتواند پرواز و فرود خود را با ایمنی ادامه دهد.
جمع‌بندی
موتورهای جت از جمله پیچیده‌ترین ماشین‌های ساخته‌شده به دست بشر هستند و می‌توانند هزاران تن هوا را با دقت بالا به نیروی پیشران تبدیل کنند. با این حال، قدرت واقعی آن‌ها صرفا در عملکرد بالا خلاصه نمی‌شود، بلکه استحکام و توانایی تحمل شرایط سخت نیز بخش مهمی از قابلیت آن‌ها است. آزمایش برخورد با پرندگان، نمونه‌ای از تعهد مستمر صنعت هوانوردی به ایمنی است و موتور را در معرض یکی از غیرقابل‌پیش‌بینی‌ترین شرایط ممکن در حین پرواز قرار می‌دهد.
از آزمایش‌های زمینی نمونه‌های اولیه گرفته تا آزمایش‌های کامل برای صدور گواهینامه، هر موتور پیش از آنکه حتی یک مسافر را به آسمان ببرد، در محیط‌های آزمایشگاهی تحت آزمایش‌های تنش و فشار بسیار فراتر از شرایط عادی عملیاتی قرار می‌گیرد. حوادثی مانند فرود اضطراری پرواز ۱۵۴۹ روی رودخانه هادسون به‌خوبی نشان می‌دهند که چرا چنین آزمایش‌های سخت‌گیرانه‌ای ضروری هستند و چرا این الزامات همچنان در حال گسترش و توسعه هستند. در صنعت هوانوردی، ایمنی هرگز امری بدیهی و مفروض نیست، بلکه با دقت موردبررسی قرار می‌گیرد، اعتبارسنجی می‌شود و با شواهد و آزمایش‌های مستند به اثبات می‌رسد.
منبع:
