วิศวกรรมการบินและอวกาศ

วิศวกร ของ NASAในศูนย์ควบคุมภารกิจ ตรวจสอบความปลอดภัยของนักบินอวกาศบนยานอวกาศApollo 13ในปี 1970
อาชีพ
ชื่อ	วิศวกรรมการบินและอวกาศ, วิศวกรรมการบิน
ประเภทอาชีพ	วิชาชีพ
ภาคกิจกรรม	การบิน , อวกาศ , วิทยาศาสตร์
คำอธิบาย
สมรรถนะ	ความรู้ทางเทคนิค ทักษะการวิเคราะห์ ทักษะการจัดการ (ดูเพิ่มเติมในคำศัพท์เฉพาะทางด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศ )
ต้องมีการศึกษา	ปริญญาตรี[ 1 ] [ 2 ]
สาขาอาชีพ	เทคโนโลยีวิทยาศาสตร์การสำรวจอวกาศการทหาร

วิศวกรรมการบินและอวกาศเป็นสาขาวิศวกรรม หลัก ที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาเครื่องบินและยานอวกาศ [ ^{3 ] มี} สองสาขาหลักที่ทับซ้อนกัน ได้แก่ วิศวกรรม การบินและวิศวกรรม อวกาศ วิศวกรรม อิเล็กทรอนิกส์การบินก็คล้ายกัน แต่เกี่ยวข้องกับ ด้าน อิเล็กทรอนิกส์ของวิศวกรรมการบินและอวกาศ

"วิศวกรรมการบิน" เป็นคำเดิมที่ใช้เรียกสาขานี้ เมื่อเทคโนโลยีการบินก้าวหน้าขึ้นจนรวมถึงยานพาหนะที่ปฏิบัติการในอวกาศจึงมีการใช้คำที่กว้างขึ้นว่า " วิศวกรรม การบินและอวกาศ " ^{[ 4 ]} วิศวกรรมการบินและอวกาศ โดยเฉพาะสาขาการบินอวกาศ มักถูกเรียกกันทั่วไปว่า "วิทยาศาสตร์จรวด" ^{[ 5 ] [ a ]}

ยานบินต้องเผชิญกับสภาวะที่ท้าทาย เช่น การเปลี่ยนแปลงของความดันบรรยากาศและอุณหภูมิรวมถึงภาระโครงสร้างที่กระทำต่อชิ้นส่วนของยาน ดังนั้น ยานบินจึงมักเป็นผลผลิตจากสาขาวิชาเทคโนโลยีและวิศวกรรมต่างๆ รวมถึงอากาศพลศาสตร์การขับเคลื่อนทางอากาศระบบอิเล็กทรอนิกส์การบิน วิทยาศาสตร์วัสดุการวิเคราะห์โครงสร้างและการผลิตปฏิสัมพันธ์ระหว่างเทคโนโลยีเหล่านี้เรียกว่าวิศวกรรมการบินและอวกาศ เนื่องจากความซับซ้อนและจำนวนสาขาวิชาที่เกี่ยวข้อง วิศวกรรมการบินและอวกาศจึงดำเนินการโดยทีมวิศวกร โดยแต่ละคนมีความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านของตนเอง^{[ 7 ]}

จุดเริ่มต้นของวิศวกรรมการบินและอวกาศสามารถสืบย้อนไปถึงผู้บุกเบิกด้านการบินในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 ถึงต้นศตวรรษที่ 20 ได้ แม้ว่าผลงานของเซอร์จอร์จ เคย์ลีย์จะอยู่ในช่วงทศวรรษสุดท้ายของศตวรรษที่ 18 ถึงกลางศตวรรษที่ 19 ก็ตาม เคย์ลีย์เป็นหนึ่งในบุคคลสำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์การบิน^{[ 8 ]}และเป็นผู้บุกเบิกด้านวิศวกรรมการบิน^{[ 9 ]}เขาได้รับการยกย่องว่าเป็นคนแรกที่แยกแรงยกและแรงต้านซึ่งส่งผลต่อยานบินในชั้นบรรยากาศ^{[ 10 ]}

ความรู้ด้านวิศวกรรมการบินในยุคแรกส่วนใหญ่เป็นความรู้เชิงประจักษ์ โดยมีการนำแนวคิดและทักษะบางอย่างมาจากสาขาวิศวกรรมอื่นๆ^{[ 11 ]}องค์ประกอบสำคัญบางอย่าง เช่นพลศาสตร์ของไหลเป็นที่เข้าใจกันในหมู่นักวิทยาศาสตร์ในศตวรรษที่ 18 ^{[ 12 ]}

ในเดือนธันวาคม ค.ศ. 1903 สองพี่น้องไรท์ได้ทำการบินควบคุมต่อเนื่องครั้งแรกของเครื่องบินที่หนักกว่าอากาศซึ่งขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ โดยบินได้นาน 12 วินาที ทศวรรษ ค.ศ. 1910 ได้เห็นการพัฒนาด้านวิศวกรรมการบินผ่านการออกแบบเครื่องบินรบ ในสงครามโลกครั้งที่ 1

ในปี พ.ศ. 2457 โรเบิร์ต ก็อดดาร์ดได้รับสิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกา 2 ฉบับ สำหรับจรวดที่ใช้เชื้อเพลิงแข็ง เชื้อเพลิงเหลว ประจุเชื้อเพลิงหลายชนิด และการออกแบบหลายขั้นตอน^{[ 13 ]}ซึ่งจะเป็นการวางรากฐานสำหรับการใช้งานในอนาคตของระบบขับเคลื่อนหลายขั้นตอนสำหรับอวกาศ

เมื่อวันที่ 3 มีนาคม พ.ศ. 2458 รัฐสภาสหรัฐฯ ได้จัดตั้งหน่วยงานบริหารงานวิจัยด้านการบินแห่งแรกขึ้น ซึ่งรู้จักกันในชื่อคณะกรรมการที่ปรึกษาแห่งชาติเพื่อการบินหรือ NACA ^{[ 14 ]}นับเป็นองค์กรที่ได้รับการสนับสนุนจากรัฐบาลแห่งแรกที่สนับสนุนงานวิจัยด้านการบิน^{[ 13 ]}แม้ว่าในตอนแรกจะตั้งใจให้เป็นคณะกรรมการที่ปรึกษา แต่ห้องปฏิบัติการการบินแลงลีย์ก็กลายเป็นสถานที่วิจัยและทดสอบที่ได้รับการสนับสนุนแห่งแรกในปี พ.ศ. 2463 ^{[ 15 ]}ต่อมาองค์กรนี้จะถูกเปลี่ยนชื่อเป็น NASA หรือองค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ

ระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 1 และ 2 มีความก้าวหน้าอย่างมากในสาขานี้ โดยได้รับการเร่งให้เร็วขึ้นจากการเกิดขึ้นของการบินพลเรือนกระแสหลัก เครื่องบินที่โดดเด่นในยุคนี้ ได้แก่Curtiss JN 4 , Farman F.60 GoliathและFokker Trimotorเครื่องบินทหารที่โดดเด่นในยุคนี้ ได้แก่Mitsubishi A6M Zero , Supermarine SpitfireและMesserschmitt Bf 109จากญี่ปุ่น สหราชอาณาจักร และเยอรมนี ตามลำดับ การพัฒนาที่สำคัญเกิดขึ้นกับเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์เจ็ทลำ แรกที่ใช้งานได้จริง คือ Messerschmitt Me 262ซึ่งเข้าประจำการในปี 1944 ในช่วงปลายสงครามโลกครั้งที่ 2 ^{[ 16 ]}

นิยามแรกของวิศวกรรมการบินและอวกาศปรากฏขึ้นในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2501 ^{[ 4 ]}โดยพิจารณาชั้นบรรยากาศของโลกและอวกาศภายนอกเป็นอาณาจักรเดียวกัน จึงครอบคลุมทั้งเครื่องบิน ( aero ) และยานอวกาศ ( space ) ภายใต้คำว่า aerospace ที่เพิ่งบัญญัติ ขึ้น ใหม่

เพื่อตอบโต้การที่สหภาพโซเวียตส่งดาวเทียมดวงแรกสปุตนิกขึ้นสู่อวกาศเมื่อวันที่ 4 ตุลาคม พ.ศ. 2490 วิศวกรการบินและอวกาศของสหรัฐฯ จึงส่งดาวเทียมอเมริกันดวงแรก ขึ้นสู่ อวกาศเมื่อวันที่ 31 มกราคม พ.ศ. 2491 องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA)ก่อตั้งขึ้นในปี พ.ศ. 2491 หลังวิกฤตการณ์สปุตนิกในปี พ.ศ. 2512 ภารกิจ อะพอลโล 11ซึ่งเป็นภารกิจอวกาศครั้งแรกของมนุษย์ที่ลงจอดบน ดวงจันทร์ ได้เกิดขึ้น โดยมีนักบินอวกาศ 3 คน โคจรรอบดวงจันทร์ โดยนีล อาร์มสตรองและบัซ อัลดริน 2 คน ได้ไปเยือนพื้นผิวดวงจันทร์ ส่วนนักบินอวกาศคนที่ 3 ไมเคิล คอลลินส์อยู่ในวงโคจรเพื่อพบกับอาร์มสตรองและอัลดรินหลังจากที่พวกเขาไปเยือนดวงจันทร์แล้ว^{[ 17 ]}

นวัตกรรมที่สำคัญเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 30 มกราคม พ.ศ. 2513 เมื่อเครื่องบินโบอิ้ง 747ทำการบินเชิงพาณิชย์เที่ยวแรกจากนิวยอร์กไปยังลอนดอน เครื่องบินลำนี้สร้างประวัติศาสตร์และกลายเป็นที่รู้จักในชื่อ "จัมโบ้เจ็ท" หรือ "ราชินีแห่งท้องฟ้า" ^{[ 18 ]}เนื่องจากสามารถบรรทุกผู้โดยสารได้ถึง 480 คน

การพัฒนาที่สำคัญอีกประการหนึ่งเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2519 ด้วยการพัฒนาเครื่องบินโดยสารความเร็วเหนือ เสียงลำแรก คือ คองคอร์ดการพัฒนาเครื่องบินลำนี้ได้รับการตกลงร่วมกันระหว่างฝรั่งเศสและอังกฤษเมื่อวันที่ 29 พฤศจิกายน พ.ศ. 2505 ^{[ 19 ]}

เมื่อวันที่ 21 ธันวาคม พ.ศ. 2531 เครื่องบินขนส่งสินค้า Antonov An-225 Mriyaเริ่มทำการบินครั้งแรก เครื่องบินลำนี้ครองสถิติเป็นเครื่องบินที่หนักที่สุดในโลก ขนส่งสินค้าทางอากาศได้หนักที่สุด และขนส่งสินค้าทางอากาศได้ไกลที่สุดในบรรดาเครื่องบินที่ใช้งานอยู่^{[ 20 ]}

เมื่อวันที่ 25 ตุลาคม พ.ศ. 2550 เครื่องบินแอร์บัส A380ได้ทำการบินเชิงพาณิชย์เที่ยวแรกจากสิงคโปร์ไปยังซิดนีย์ ประเทศออสเตรเลีย เครื่องบินลำนี้เป็นเครื่องบินโดยสารลำแรกที่เหนือกว่าโบอิ้ง 747ในแง่ของความจุผู้โดยสาร โดยสามารถบรรทุกผู้โดยสารได้สูงสุด 853 คน แม้ว่าการพัฒนาเครื่องบินลำนี้จะเริ่มต้นในปี พ.ศ. 2531 เพื่อเป็นคู่แข่งกับ 747 แต่ A380 ได้ทำการบินทดสอบครั้งแรกในเดือนเมษายน พ.ศ. 2548 ^{[ 21 ]}

องค์ประกอบบางส่วนของวิศวกรรมการบินและอวกาศ ได้แก่: ^{[ 22 ] [ 23 ]}

• พื้นที่หน้าตัดเรดาร์  – การศึกษาลักษณะเฉพาะของยานพาหนะที่ปรากฏให้เห็นได้จากการตรวจจับระยะไกลด้วยเรดาร์
• กลศาสตร์ของไหล  – การศึกษาการไหลของของไหลรอบวัตถุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอากาศพลศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการไหลของอากาศเหนือวัตถุ เช่นปีกหรือผ่านวัตถุ เช่นอุโมงค์ลม (ดูเพิ่มเติมที่ แรงยกและการบิน )
• พลศาสตร์ดาราศาสตร์  – การศึกษาเกี่ยวกับกลศาสตร์วงโคจรรวมถึงการทำนายองค์ประกอบของวงโคจรเมื่อกำหนดตัวแปรเพียงไม่กี่ตัว แม้ว่าจะมีเพียงไม่กี่สถาบันในสหรัฐอเมริกาที่สอนวิชานี้ในระดับปริญญาตรี แต่หลายแห่งมีหลักสูตรระดับบัณฑิตศึกษาที่ครอบคลุมหัวข้อนี้ (โดยปกติจะร่วมกับภาควิชาฟิสิกส์ของวิทยาลัยหรือมหาวิทยาลัยนั้นๆ)
• สถิตศาสตร์และพลศาสตร์ (กลศาสตร์วิศวกรรม) – การศึกษาเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ แรง และโมเมนต์ในระบบกลไก
• คณิตศาสตร์  โดยเฉพาะอย่างยิ่งแคลคูลัสสม การ เชิงอนุพันธ์และพีชคณิตเชิงเส้น
• เทคโนโลยีไฟฟ้า  – การศึกษาด้านอิเล็กทรอนิกส์ในสาขาวิศวกรรม
• ระบบขับเคลื่อน  – พลังงานที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายยานพาหนะผ่านอากาศ (หรือในอวกาศ) ได้มาจากเครื่องยนต์สันดาปภายในเครื่องยนต์ไอพ่นและเครื่องจักรเทอร์โบหรือจรวด (ดูเพิ่มเติมที่ใบพัดและระบบขับเคลื่อนยานอวกาศ ) ส่วนเพิ่มเติมล่าสุดในหัวข้อนี้ได้แก่ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าและระบบขับเคลื่อนด้วยไอออน
• วิศวกรรมควบคุม  – คือการศึกษาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของ พฤติกรรม พลวัตของระบบและการออกแบบระบบเหล่านั้น โดยปกติจะใช้สัญญาณป้อนกลับ เพื่อให้พฤติกรรมพลวัตของระบบเป็นไปตามที่ต้องการ (เสถียร ไม่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน และมีข้อผิดพลาดน้อยที่สุด) ซึ่งสามารถนำไปใช้กับพฤติกรรมพลวัตของอากาศยาน ยานอวกาศ ระบบขับเคลื่อน และระบบย่อยต่างๆ ที่มีอยู่ในยานอวกาศ
• โครงสร้างเครื่องบิน  – การออกแบบโครงสร้างทางกายภาพของยานเพื่อทนต่อแรงที่เกิดขึ้นระหว่างการบิน วิศวกรรมการบินและอวกาศมีเป้าหมายเพื่อให้โครงสร้างมีน้ำหนักเบาและต้นทุนต่ำในขณะที่ยังคงรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้^{[ 24 ]}
• วิทยาศาสตร์วัสดุ  – เกี่ยวข้องกับโครงสร้าง วิศวกรรมการบินและอวกาศยังศึกษาวัสดุที่จะใช้ในการสร้างโครงสร้างอากาศยานด้วย มีการคิดค้นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเฉพาะเจาะจง หรือดัดแปลงวัสดุที่มีอยู่แล้วเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ
• กลศาสตร์ของแข็ง  – กลศาสตร์ของแข็งมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับวิทยาศาสตร์วัสดุ โดยเน้นการวิเคราะห์ความเค้นและความเครียดของชิ้นส่วนต่างๆ ในยานยนต์ ปัจจุบันมีโปรแกรมไฟไนต์เอเลเมนต์หลายโปรแกรม เช่น MSC Patran/Nastran ที่ช่วยวิศวกรในกระบวนการวิเคราะห์
• แอโรอิลาสติก  – ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแรงทางอากาศพลศาสตร์และความยืดหยุ่นของโครงสร้าง ซึ่งอาจก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนการเบี่ยงเบน ฯลฯ
• ระบบอิเล็กทรอนิกส์การบิน  – การออกแบบและการเขียนโปรแกรมระบบคอมพิวเตอร์บนเครื่องบินหรือยานอวกาศ และการจำลองระบบต่างๆ
• ซอฟต์แวร์  – การกำหนดคุณสมบัติ การออกแบบ การพัฒนา การทดสอบ และการใช้งานซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์สำหรับงานด้านอวกาศ รวมถึงซอฟต์แวร์การบินซอฟต์แวร์ควบคุมภาคพื้นดินซอฟต์แวร์ทดสอบและประเมินผล เป็นต้น
• ความเสี่ยงและความน่าเชื่อถือ  – การศึกษาเทคนิคการประเมินความเสี่ยงและความน่าเชื่อถือ รวมถึงคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับวิธีการเชิงปริมาณ
• การควบคุมเสียงรบกวน  – การศึกษาเกี่ยวกับกลไกการส่งผ่านเสียง
• อากาศพลศาสตร์เชิงเสียง  – การศึกษาการเกิดเสียงผ่านการเคลื่อนที่ของของไหลแบบปั่นป่วน หรือแรงทางอากาศพลศาสตร์ที่ปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิว
• การทดสอบการบิน  – การออกแบบและดำเนินการโปรแกรมทดสอบการบินเพื่อรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลด้านสมรรถนะและคุณสมบัติการควบคุมเพื่อพิจารณาว่าอากาศยานนั้นตรงตามเป้าหมายด้านการออกแบบและสมรรถนะ รวมถึงข้อกำหนดการรับรองหรือไม่

พื้นฐานขององค์ประกอบส่วนใหญ่เหล่านี้มาจากฟิสิกส์ เชิงทฤษฎี เช่นพลศาสตร์ของไหลสำหรับอากาศพลศาสตร์ หรือสมการการเคลื่อนที่สำหรับพลศาสตร์การบินนอกจากนี้ยังมี ส่วนประกอบ เชิงประจักษ์ จำนวนมาก ในอดีต ส่วนประกอบเชิงประจักษ์นี้ได้มาจากการทดสอบแบบจำลองขนาดเล็กและต้นแบบ ทั้งในอุโมงค์ลมหรือในบรรยากาศอิสระ เมื่อไม่นานมานี้ ความก้าวหน้าทางด้านคอมพิวเตอร์ทำให้สามารถใช้พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณเพื่อจำลองพฤติกรรมของไหล ลดเวลาและค่าใช้จ่ายในการทดสอบในอุโมงค์ลม ผู้ที่ศึกษาด้านอุทกพลศาสตร์หรืออุทกเสียงมักจะสำเร็จการศึกษาในสาขาวิศวกรรมการบินและอวกาศ

นอกจากนี้ วิศวกรรมการบินและอวกาศยังเกี่ยวข้องกับการบูรณาการส่วนประกอบทั้งหมดที่ประกอบขึ้นเป็นยานอวกาศ (ระบบย่อยต่างๆ รวมถึงพลังงานตลับลูกปืนการสื่อสารการควบคุมอุณหภูมิระบบช่วยชีวิตฯลฯ) และวงจรชีวิตของยานอวกาศ (การออกแบบ อุณหภูมิ ความดันรังสีความเร็วอายุการใช้งาน )

วิศวกรรมการบินและอวกาศสามารถศึกษาได้ในระดับอนุปริญญาขั้นสูง ปริญญาตรีปริญญาโทและปริญญาเอกในภาควิชาวิศวกรรมการบินและอวกาศของมหาวิทยาลัยหลายแห่ง และใน ภาควิชา วิศวกรรมเครื่องกลของมหาวิทยาลัยอื่นๆ บางภาควิชาเปิดสอนหลักสูตรปริญญาด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศโดยเฉพาะ บางสถาบันแยกความแตกต่างระหว่างวิศวกรรมการบินและวิศวกรรมการบินและอวกาศ มีการเปิดสอนหลักสูตรระดับบัณฑิตศึกษาในสาขาขั้นสูงหรือสาขาเฉพาะทางสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

พื้นฐานความรู้ด้านเคมี ฟิสิกส์ วิทยาการคอมพิวเตอร์ และคณิตศาสตร์มีความสำคัญสำหรับนักศึกษาที่ต้องการศึกษาต่อในสาขาวิศวกรรมการบินและอวกาศ^{[ 25 ]}

บางครั้ง คำว่า " นักวิทยาศาสตร์จรวด " ถูกใช้เพื่ออธิบายบุคคลที่มีสติปัญญา สูง เนื่องจากวิทยาศาสตร์จรวดถือเป็นการปฏิบัติที่ต้องใช้ความสามารถทางจิตใจสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านเทคนิคและคณิตศาสตร์ คำนี้ถูกใช้ในเชิงเสียดสีในสำนวน "ไม่ใช่เรื่องยากอะไร" เพื่อบ่งชี้ว่างานนั้นง่าย^{[ 26 ]}ตามหลักแล้ว การใช้คำว่า "วิทยาศาสตร์" ใน "วิทยาศาสตร์จรวด" เป็นคำที่ไม่ถูกต้อง เนื่องจากวิทยาศาสตร์คือการทำความเข้าใจต้นกำเนิด ธรรมชาติ และพฤติกรรมของจักรวาล ส่วนวิศวกรรมคือการใช้หลักการทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมเพื่อแก้ปัญหาและพัฒนาเทคโนโลยีใหม่^{[ 5 ] [ 6 ]} คำที่ถูกต้องตามหลัก นิรุกติศาสตร์มากกว่าสำหรับวลีนี้คือ "วิศวกรจรวด" อย่างไรก็ตาม "วิทยาศาสตร์" และ "วิศวกรรม" มักถูกใช้ผิดเป็นคำพ้องความหมาย^{[ 5 ] [ 6 ] [ 27 ]}

• Dharmahinder Singh Chand. อุณหพลศาสตร์วิศวกรรมการบินและอวกาศ . Knowledge Curve, 2017. ISBN 978-93-84389-16-1.

Wikiversity มีแหล่งข้อมูลการเรียนรู้เกี่ยวกับวิศวกรรมการบินและอวกาศ

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับวิศวกรรมการบินและอวกาศ

• NDTAeroTech.com ชุมชนออนไลน์สำหรับผู้เชี่ยวชาญด้านการตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
• Kroo, Ilan. "การออกแบบเครื่องบิน: การสังเคราะห์และการวิเคราะห์" . มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด. เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อวันที่ 23 กุมภาพันธ์ 2544. สืบค้นเมื่อ17 มกราคม 2558 .
• การฝึกอบรมบริการทางอากาศ การบำรุงรักษาการบิน สหราชอาณาจักร
• คำถามและคำตอบที่เก็บถาวรไว้เมื่อวันที่ 14 พฤศจิกายน 2021 ในWayback Machine
• DTIC ADA032206: พจนานุกรมการบินและอวกาศภาษาจีน-อังกฤษ