در طراحی هواپیماهای مسافربری مدرن، انتخاب شکل ظاهری هر جزء بر اساس ده‌ها معیار فنی، مهندسی، ایمنی و عملیاتی صورت می‌گیرد. یکی از این اجزاء که از نگاه مسافر ممکن است صرفاً جنبه‌ی زیبایی یا طراحی داخلی داشته باشد، پنجره‌های کابین مسافری است. اما در واقع، شکل گرد یا بیضوی پنجره‌های هواپیما یک انتخاب صرفاً ظاهری نیست؛ بلکه نتیجه‌ی مستقیم تحلیل‌های دقیق ساختاری، مهندسی فشار و درس‌های آموخته‌شده از فجایع تاریخی صنعت هوانوردی است.
فشار کابین و مفهوم “کابین تحت فشار”
هواپیماهای مسافربری در ارتفاع پروازی معمول خود (معمولاً بین ۳۰٬۰۰۰ تا ۴۰٬۰۰۰ پا معادل ۹ تا ۱۲ کیلومتر)، در شرایطی پرواز می‌کنند که فشار هوای محیط بیرونی بسیار پایین و برای تنفس انسان ناکافی است. به همین دلیل، فضای داخل کابین با استفاده از سیستم‌های کنترل فشار، تحت فشار مصنوعی (Pressurization) قرار می‌گیرد تا محیطی مشابه سطح زمین ایجاد شود.
اما این اختلاف فشار بین داخل و خارج هواپیما، نیروی فشاری قابل‌توجهی را به بدنه وارد می‌کند. برای مثال، در ارتفاع ۳۵٬۰۰۰ پا، فشار داخل کابین ممکن است حدود 75 کیلوپاسکال باشد، در حالی که فشار بیرونی حدود 25 کیلوپاسکال است. این اختلاف 50 کیلوپاسکالی به بدنه، و به‌طور خاص، به مناطق دارای بازشو مثل درب‌ها و پنجره‌ها وارد می‌شود.
تنش مکانیکی در اطراف بازشوها
در مهندسی مکانیک، تمرکز تنش (Stress Concentration) پدیده‌ای شناخته‌شده است که نشان می‌دهد هرگونه ناپیوستگی در یک ساختار (مانند سوراخ‌ها، لبه‌ها یا گوشه‌های تیز)، موجب افزایش شدید تنش در اطراف آن نقطه می‌شود.در مورد پنجره‌های مستطیلی، گوشه‌های تیز چهارگوشه، نقاط کلاسیک تمرکز تنش هستند؛ جایی که تنش مکانیکی می‌تواند تا چندین برابر مقدار متوسط آن در بدنه افزایش یابد. این پدیده باعث می‌شود که، در طول چرخه‌های فشرده‌سازی و کاهش فشار (pressurization/depressurization) در هر پرواز، این گوشه‌ها بیشتر در معرض خستگی فلزات (Metal Fatigue) و ایجاد ترک‌های ریز قرار گیرند.
فاجعه‌های تاریخی
در دهه ۱۹۵۰، شرکت بریتانیایی De Havilland نخستین هواپیمای مسافربری جت تجاری به‌نام Comet را معرفی کرد. این هواپیما به‌دلیل نوآوری‌های بی‌سابقه در طراحی، به‌شدت محبوب بود. اما ظرف چند سال، چندین سانحه‌ی مرگبار ناشی از شکست ساختاری در بدنه رخ داد که به از دست رفتن کامل هواپیماها در حین پرواز منجر شد.
تحقیقات فنی نشان داد که علت اصلی این فجایع، ترک‌های ایجادشده از گوشه‌های تیز پنجره‌های مستطیلی بود. این ترک‌ها، به‌دلیل تنش‌های متمرکز، در اثر خستگی فلزات، گسترش یافته و در نهایت باعث شکستن بدنه در پرواز شدند. پس از این حوادث، شرکت‌های هواپیماسازی در طراحی پنجره‌های هواپیما بازنگری اساسی کردند.
راه‌حل مهندسی
چرا پنجره باید گرد یا بیضوی باشد؟
پنجره‌های گرد یا بیضوی، بر خلاف پنجره‌های چهارگوش، هیچ نقطه متمرکز تنش ندارند. انحنای مداوم آن‌ها موجب می‌شود که تنش‌های وارد بر بدنه هواپیما به‌صورت یکنواخت توزیع شوند. این مسأله سبب می‌شود:
- تنش تجمعی در هیچ نقطه‌ای به مقادیر بحرانی نرسد.
- خطر خستگی فلزات به‌طور چشمگیری کاهش یابد.
- عمر سازه‌ای بدنه در برابر سیکل‌های فشار بالا رود.
- احتمال آغاز ترک (Crack Initiation) به حداقل برسد.
در واقع، از منظر علم مکانیک محیط‌های پیوسته (Continuum Mechanics) و تحلیل اجزاء محدود (FEA)، پنجره‌های بیضوی یا دایره‌ای پروفیل تنش بهینه دارند.
نکات طراحی
۱. ساختار چندلایه‌ی پنجره‌ها
پنجره‌های هواپیما از چندین لایه پلی‌کربنات و اکریلیک تشکیل شده‌اند. لایه داخلی معمولاً قابل تعویض است، در حالی که لایه‌های بیرونی تحمل اصلی فشار را بر عهده دارند.
۲. سوراخ تعادل فشار (Breather Hole)
در پنجره‌های هواپیما، معمولاً سوراخ کوچکی روی لایه میانی تعبیه شده است که وظیفه‌ی تعادل تدریجی فشار بین لایه‌ها را دارد تا از شکست ناگهانی جلوگیری شود.
۳.استفاده از طراحی بیضوی در سایر بخش‌ها
نه‌تنها پنجره‌ها، بلکه درب‌های هواپیما نیز دارای گوشه‌های گرد هستند. حتی ساختار کلی بدنه نیز استوانه‌ای طراحی شده تا به‌طور یکنواخت تنش‌ها را توزیع کند.
شکل گرد یا بیضوی پنجره‌های هواپیما انتخابی زیبایی‌شناسانه نیست، بلکه تصمیمی بر پایه‌ی اصول بنیادی مکانیک شکست، طراحی ساختاری، ایمنی پروازی و تجربیات تاریخی است. این طراحی، نقش مستقیم در حفظ یکپارچگی ساختاری بدنه، پیشگیری از ایجاد ترک، و در نهایت حفظ ایمنی پرواز دارد. پنجره‌های گرد، نماد عینی از پیوند علم مهندسی با ایمنی در صنعت هوانوردی مدرن‌اند.