راز گوشههای گرد پنجره هواپیما؛ چرا پنجره هواپیماها دیگر مستطیلی نیست؟
Shutterstock
پنجرههای هواپیما یکی از آشناترین بخشهای کابین هستند، اما شکل گرد یا بیضیشکل آنها فقط یک انتخاب زیباییشناختی نیست. این طراحی نتیجه درسهای تلخی است که صنعت هوانوردی در دهه ۱۹۵۰ از چند سانحه مرگبار گرفت؛ زمانی که پنجرههای تقریبا مربعی به یکی از نقاط ضعف ساختاری هواپیما تبدیل شدند. (Reader's Digest)
اگر تا امروز هنگام نشستن کنار پنجره هواپیما به این فکر کردهاید که چرا سازندگان از پنجرههای مربعی و بزرگتر استفاده نمیکنند، پاسخ را باید در رفتار سازه هواپیما هنگام پرواز جستوجو کرد. بدنه هواپیما بارها تحت فشار و کاهش فشار کابین قرار میگیرد و همین چرخه مداوم میتواند کوچکترین ضعفهای ساختاری را به ترکهای خطرناک تبدیل کند.
زمانی که پنجرهها گوشههای تیز داشتند
در نخستین سالهای توسعه هواپیماهای مسافربری، پنجرههای بدنه معمولا شکل مربعی داشتند. ساخت و نصب چنین پنجرههایی سادهتر بود و در آن زمان مهندسان هنوز از خطری که گوشههای تیز میتوانستند برای سازه ایجاد کنند، شناخت کافی نداشتند.
این مسئله با ورود هواپیماهای جت به صنعت پرواز، اهمیت بیشتری پیدا کرد. هواپیماهای جت در ارتفاع بسیار بالاتری پرواز میکردند و برای حفظ شرایط مناسب داخل کابین، بدنه آنها باید در برابر اختلاف فشار قابلتوجهی مقاومت میکرد.
یکی از نخستین هواپیماهایی که این مشکل را به شکلی دردناک آشکار کرد، de Havilland Comet بود؛ یکی از نخستین جتهای مسافربری تجاری جهان.
سه سقوط که صنعت هوانوردی را تکان داد
مشکل از آنجا شروع شد که در کمتر از یک سال، سه فروند Comet هنگام پرواز از هم متلاشی شدند. نخستین حادثه در ۲ مه ۱۹۵۳ برای پرواز BOAC 783 رخ داد. هواپیما کمی پس از برخاستن از کلکته، هنگام صعود از هم پاشید و هر ۴۳ سرنشین آن جان باختند. بازرسان در ابتدا احتمال دادند که تلاطم شدید یا کنترل بیشازحد هواپیما در جریان طوفان باعث وارد شدن فشار بیش از اندازه به سازه شده باشد.
حادثه دوم در ۱۰ ژانویه ۱۹۵۴ رخ داد. پرواز BOAC 781 هنگام صعود در ارتفاع حدود ۲۷ هزار پایی در نزدیکی جزیره اِلبا در ایتالیا متلاشی شد و تمام ۳۵ سرنشین آن جان باختند. پس از این سانحه، ناوگان Comet برای مدتی از پرواز خارج شد تا مهندسان بتوانند علت شکست سازه را پیدا کنند.
اما در ۸ آوریل همان سال، سومین حادثه رخ داد. پرواز South African Airways 201 که از رم به مقصد قاهره پرواز میکرد، هنگام صعود در نزدیکی ناپل از هم پاشید و ۲۱ سرنشین آن کشته شدند. شباهت این حادثه با سقوط نزدیک اِلبا نشان داد که احتمالا مشکل از خود طراحی هواپیما ناشی میشود.
در پی این اتفاق، گواهی صلاحیت پروازی تمام Cometها لغو شد و ناوگان این هواپیما بهطور نامحدود زمینگیر شد.
گوشههای پنجره؛ دلیل اصلی حادثههای مرگبار
مهندسان پس از بررسی لاشهها و انجام آزمایشهای گسترده، به نکتهای مهم رسیدند: پنجرههای تقریبا مربعی Comet در گوشههای خود تنش زیادی ایجاد میکردند.
بدنه هواپیما هنگام پرواز تحت فشار کابین قرار میگیرد و پس از فرود دوباره این فشار کاهش پیدا میکند. بنابراین سازه هواپیما در هر پرواز بارها این چرخه را تجربه میکند. گوشههای تیز پنجره باعث میشد فشار در یک ناحیه کوچک از بدنه متمرکز شود. این تمرکز تنش میتوانست بهمرور ترکهای بسیار ریزی ایجاد کند. ترکها نیز با تکرار چرخههای فشار و کاهش فشار، بهتدریج گسترش پیدا میکردند.
در مورد Comet، بررسیهای بعدی نشان داد که شکست بدنه از ناحیه اطراف گوشه پنجرهها آغاز شده بود. وقتی یک ترک به اندازه کافی گسترش پیدا میکرد، فشار داخلی کابین میتوانست به شکست ناگهانی بدنه منجر شود.
به زبان ساده، مشکل خود شیشه پنجره نبود؛ قاب و شکل گوشههای آن نقطهای ایجاد میکرد که فشار زیادی را تحمل میکرد.
چرا فرم دایره برای پنجره هواپیما بهتر از مربع است؟
مهندسان برای حل این مشکل به یک اصل ساده در طراحی سازهها تکیه کردند: گوشههای تیز محل مناسبی برای تجمع تنش نیستند.
در یک پنجره گرد، فشار در اطراف قاب بسیار یکنواختتر توزیع میشود. برخلاف یک پنجره مربعی که چهار گوشه میتواند به محل تمرکز تنش تبدیل شود، پنجره گرد گوشهای ندارد که فشار در آن جمع شود.
به همین دلیل، پس از بررسی حوادث Comet، طراحی پنجرههای هواپیما تغییر کرد. پنجرههای کاملا گرد یا پنجرههایی با گوشههای بسیار نرم جایگزین مدلهای مربعی شدند تا احتمال شکلگیری و گسترش ترکهای خستگی کاهش پیدا کند.
این اصل فقط در هواپیماها کاربرد ندارد. در بسیاری از سازههایی که باید در برابر فشار مقاومت کنند، گوشههای تیز را حذف یا نرم میکنند تا تنش در یک نقطه متمرکز نشود. پنجرههای زیردریایی و برخی سازههای تحت فشار نیز از همین منطق پیروی میکنند.
چرا پنجرهها را بزرگتر و مربعی نمیسازند؟
پنجره گرد لزوما بهترین شکل برای دیدن منظره بیرون نیست. حتی ساخت بدنه با پنجرههای گرد نیز پیچیدگی و هزینه بیشتری نسبت به پنجرههای سادهتر دارد.
هدف اصلی این طراحی، افزایش میدان دید مسافران نیست؛ ایمنی سازه اهمیت بیشتری دارد. هواپیما باید هزاران چرخه پرواز، فشار و کاهش فشار را بدون ایجاد ترکهای خطرناک تحمل کند و شکل پنجره بخشی از این طراحی ایمن است.
البته پنجرههای هواپیما در واقع کاملا گرد نیستند و بسیاری از آنها ظاهری بیضیشکل یا مستطیلی با گوشههای بسیار گرد دارند؛ نکته مهم این است که طراحان از گوشههای تیز فاصله گرفتهاند.
میراث تلخ Comet
ماجرای Comet یکی از مهمترین درسهای تاریخ هوانوردی را به مهندسان داد. پیش از این حوادث، آزمایشهای زمینی نمیتوانستند بهطور کامل نشان دهند که بدنه هواپیما در شرایط واقعی و پس از چرخههای متعدد فشار چگونه رفتار میکند.
بررسی هواپیماهای سقوطکرده و آزمایشهای بعدی نشان دادند که خستگی فلز میتواند در اثر فشارهای تکرارشونده، حتی از نقاطی بسیار کوچک آغاز شود. پنجرهای که در نگاه اول فقط یک بخش معمولی از کابین به نظر میرسید، در واقع میتوانست به یکی از حساسترین نقاط بدنه تبدیل شود.
به همین دلیل، هر بار که از کنار پنجره هواپیما به آسمان نگاه میکنید، این شکل گرد را میتوان نتیجه یکی از مهمترین درسهای مهندسی هوانوردی دانست؛ درسی که با هزینه سنگینی به دست آمد و بعدها به یکی از اصول اساسی طراحی هواپیما تبدیل شد.
