چرا پنجره هواپیماها گرد هستند و گوشه تیز ندارند؟

تقریبا تمام جت‌های مدرن امروزی پنجره‌هایی با گوشه‌های گرد دارند، انتخاب این ساختار چه دلیلی دارد؟

اگر به پنجره‌های هواپیما دقت کنید، احتمالاً متوجه می‌شوید که بیشتر آن‌ها کاملاً دایره‌ای نیستند؛ اما تقریباً هیچ‌کدام گوشه‌ی تیز و زاویه‌ی ۹۰ درجه ندارند. این طراحی اتفاقی نیست؛ شکل پنجره مستقیماً با ایمنی بدنه‌ی هواپیما ارتباط دارد.

دلیل اصلی را باید در فشار داخل کابین جست‌وجو کرد. در ارتفاع بالا، فشار هوای بیرون بسیار کمتر از فشار داخل کابین است. در نتیجه، بدنه‌ی هواپیما دائماً تحت فشار قرار دارد و این نیرو باید به‌شکلی یکنواخت در ساختار آن توزیع شود. ایجاد هرگونه سوراخ یا بریدگی در بدنه، به‌طور طبیعی ساختار را ضعیف‌تر می‌کند؛ اما شکل این بریدگی می‌تواند میزان خطر را به‌شدت تغییر دهد.

در مهندسی سازه، گوشه‌ی تیز محل مناسبی برای ایجاد تمرکز تنش است. یعنی نیرویی که در حالت عادی در سطح وسیعی از بدنه توزیع می‌شود، در گوشه‌ی یک بریدگی می‌تواند در ناحیه‌ای کوچک متمرکز شود.

در پنجره با گوشه‌های تیز، مسیر انتقال تنش هنگام فشار و کاهش فشار کابین، ناگهان تغییر می‌کند

در یک پنجره‌ی چهارگوش با گوشه‌های تیز، مسیر انتقال تنش هنگام فشار و کاهش فشار کابین ناگهان تغییر می‌کند. همین موضوع باعث می‌شود تنش در گوشه‌ها بسیار بیشتر از قسمت‌های اطراف باشد. اگر این وضعیت بارها تکرار شود، احتمال شکل‌گیری ترک‌های ناشی از خستگی فلز افزایش پیدا می‌کند. ناسا نیز در گزارش‌های مهندسی خود توضیح می‌دهد که گوشه‌های تیزِ بریدگی‌ها نقاطی با تمرکز تنش بالا هستند و پنجره‌های امروزی با لبه‌های گرد برای کاهش همین مشکل طراحی می‌شوند.

در مقابل، لبه‌ی منحنی باعث می‌شود نیرو مسیر روان‌تری در اطراف بازشو پیدا کند و تنش با شدت کمتری در یک نقطه متمرکز شود. به همین دلیل، آنچه در هواپیما می‌بینیم بیشتر مستطیل با گوشه‌های گرد است تا یک دایره‌ی کامل.

یکی از معروف‌ترین نمونه‌های تاریخی، هواپیمای مسافربری دِ هاویلند کامت است؛ نخستین هواپیمای مسافربری جت تحت فشار. در سال ۱۹۵۴، دو فروند کامت در فاصله‌ی چند ماه در حوادث مرگبار از هم متلاشی شدند و تحقیقات گسترده‌ای برای پیدا کردن علت آغاز شد.

مهندسان در آزمایش‌های فشاری، یک بدنه‌ی کامت را بارها تحت فشار قرار دادند تا شرایط پرواز را شبیه‌سازی کنند. این بدنه در نهایت در ناحیه‌ی گوشه‌ی یکی از بازشوهای چهارگوش دچار شکست شد. بررسی‌ها نشان داد که گوشه‌های پنجره و قاب آن، تمرکز تنش زیادی ایجاد می‌کنند و ترک‌های ناشی از خستگی می‌توانند از همین نقاط آغاز شوند و در ساختار بدنه گسترش پیدا کنند.

گزارش‌های فنی ناسا نیز کامت را یکی از نمونه‌های مهم در تاریخ مهندسی خستگی هواپیما می‌دانند؛ در این هواپیما ترک‌ها از نواحی اطراف بازشوهای دارای گوشه‌ی تیز آغاز شده بودند. یکی از درس‌های مهم این حوادث، استفاده از پنجره‌هایی با لبه‌های گرد و کاهش تمرکز تنش در اطراف بازشوها بود.

یک پنجره‌ی کاملاً دایره‌ای از نظر توزیع تنش گزینه‌ی بسیار خوبی است و حتی ناسا اشاره می‌کند که پنجره‌های دایره‌ای از نظر سازه‌ای مقاومت مناسبی در برابر ایجاد ترک دارند. بااین‌حال، شکل پنجره باید با نیازهای مختلفی مثل میدان دید، فضای داخلی، ساختار بدنه و طراحی کابین نیز سازگار باشد. به همین دلیل، در هواپیماهای مسافربری معمولاً از پنجره‌هایی با گوشه‌های کاملاً گرد و لبه‌های منحنی استفاده می‌شود، نه الزاماً دایره‌ی کامل.

البته شکل پنجره تنها عامل ایمنی بدنه نیست. قاب و ساختار اطراف پنجره نیز تقویت می‌شوند و طراحی بدنه، مواد، ضخامت ورق‌ها و نحوه‌ی تحمل چرخه‌های متعدد فشار و کاهش فشار هم اهمیت زیادی دارند. مقررات هوانوردی نیز برای طراحی سازه‌ی پنجره‌های هواپیماهای دارای کابین تحت فشار الزامات مشخصی در نظر گرفته‌اند.

در نهایت، شکل غیرعادی پنجره‌ی هواپیما یک مثال جالب از این است که در مهندسی هوانوردی، حتی یک گوشه‌ی کوچک هم می‌تواند اهمیت بزرگی داشته باشد. گوشه‌ی تیز می‌تواند تنش را متمرکز کند، اما یک منحنی مناسب این نیرو را بهتر در ساختار پخش می‌کند؛ به همین دلیل پنجره‌های امروزی تقریباً همیشه گوشه‌های گرد دارند.