کاربردهای متنوع کامپوزیت ها در صنعت هوا فضا

[P O U R I A]

محققان برای جلوگیری از سقوط وسائط نقلیه هوایی باید تا حد امکان وزن سازه های مذکور را کاهش دهند. از زمانی که بشر برای اولین بار موفق شد پرواز کردن را تجربه کند، همواره سعی در آن بوده است که در وسایل پروازی، نسبت نیروی رانش به وزن کاهش یابد تا از خطر سقوط جلوگیری شود. امروزه کامپوزیت ها در کاهش وزن هواپیماها نقش مهمی را ایفا میکنند. از میان این کامپوزیت ها می توان به کامپوزیت رزین اپوکسی و الیاف کربن، شیشه و آرامید اشاره نمود. در صنعت هوافضا کامپوزیت های مذکور کاربرد فراوانی دارند اما کامپوزیت رزین اپوکسی و الیاف بور نیز تا حدودی در این صنعت مورد استفاده قرار می گیرند . در واقع الیاف بور، کامپوزیتی است که از رسوب بخار شیمیایی عنصر بور بر روی هسته تنگستن تشکیل می شود.از سال 1987 میلادی به بعد، طی هر دوره زمانی 5ساله، استفاده از کامپوزیت ها در صنعت هوافضا دو برابر شده است. ضمناً در این مدت کامپوزیت های جدیدی نیز تولید شده اند.


استفاده از کامپوزیت ها در بخش های مختلف وسائل نقلیه هوایی
کامپوزیت ها از چنان کارایی بالایی برخوردار می باشند که هم در اجزای سازه ای و هم در قطعات هواپیماها و فضاپیماها مورد استفاده قرار می گیرند. از بالن های هوای گرم و هواپیماهای بدون موتور گرفته تا هواپیماهای مسافربری و جنگی و شاتل های فضایی، همگی از مزایای کامپوزیت ها بهره مند می گردند. گاهی کل هواپیما از کامپوزیت ساخته می شود، نظیر اولین هواپیمای کامپوزیتی بیچ استار شیپ، گاهی نیز تنها قطعاتی نظیر بال، ملخ بالگرد، پروانه هواپیما و صندلیها و یا تزئینات داخلی آنها با استفاده از کامپوزیت ها تولید می گردند.
انواع مختلف کامپوزیت ها از خود خواص مکانیکی متفاوتی را نشان می دهند به همین علت است که هر بخش از هواپیما با یک نوع کامپوزیت خاص تولید می گردد. به عنوان مثال الیاف کربن در برابر خستگی از خود مقاومت بالایی نشان می دهند اما در دهه 1960 میلادی شرکت رولز-رویس متوجه شد که کمپرسور موتور جت این شرکت که از سری RB211 محصولات الیاف کربن شرکت رولز-رویس می باشد، در اثر برخورد پرندگان به پروانه هواپیما می شکند. بنابراین شرکت مذکور دریافت که الیاف کربن برای تولید این قطعه مناسب نیست چون کمپرسور مذکور باید از سفتی بالایی برخوردار باشد. در آن زمان باور این بود که بال های آلومینیومی هواپیما در مقابل خستگی تا حد معینی مقاومت می کنند اما در مورد الیاف کربن چنین باوری وجود نداشت. با این وجود تولید کنندگان الیاف مذکور پیوسته خواص مکانیکی آن را ارتقا دادند و به این ترتیب امروزه مقاومت این الیاف در مقابل خستگی و ضربه بسیار افزایش یافته است. الیاف بور نیز در مقابل خستگی به خوبی مقاومت می کنند، به همین علت الیاف مذکور در بال های هواپیمای جنگی تَکتیکال مورد استفاده قرار گرفت.
الیاف آرامید که تولید آن در انحصار شرکت دوپانت می باشد و با نام تجاری کولار شناخته می گردد، در صفحات لانه زنبوری جدار داخلی مخازن سوخت و کف هواپیماها به کار می رود و ضمن کاهش دادن وزن قسمت های مذکور، بر سفتی آنها می افزاید. از الیاف آرامید در لبه حمله و لبه فرار بال هواپیما نیز استفاده می گردد. توضیح اینکه لبه حمله قسمت جلویی بال است که مستقیماً هوا را می شکافد و اولین قسمتی است که در آغاز پرواز با هوا برخورد می کند. لبه فرار نیز قسمت انتهایی بال و آخرین نقطه ای است هوا پس از عبور از سطوح بالا و پایینی بال، از آن می گذرد.
شرکت بوئینگ در یک برنامه آزمایشی 11000 قطعه فلزی یک بالگرد را با 1500 قطعه یکپارچه کامپوزیتی جایگزین نمود. با این اقدام، دوره تعمیر و نگهداری قطعات مذکور افزایش یافت و مدتی نگذشت که در هواپیماهای تجاری و تفریحی نیز همین جایگزینی اتفاق افتاد. در صنعت هوافضا از الیاف کربن بیش از سایر الیاف استفاده می گردد.



منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت

 

[P O U R I A]

استفاده از کامپوزیت ها در وسائط نقلیه هوایی علاوه بر اینکه باعث کاهش وزن 50-20 درصدی سازه های مذکور میگردد، مزایای زیر را نیز به همراه دارد:

- با استفاده از روش های خودکار شکل دهی کامپوزیت و با بهره گیری از فرآیند قالب گیری دورانی می توان قطعاتی که شکل پیچیده ای دارند را به صورت یکپارچه تولید نمود. لازم به ذکر است که برای تولید قطعات توخالی و بدون درز، در شکل ها و اندازه های مختلف، از فناوری قالب گیری دورانی استفاده می گردد. مخازن مایعات، توپ فوتبال، کلاه ایمنی و حتی بدنه قایق با استفاده از این فناوری تولید می شود.
- سازه های کامپوزیتی که به صورت یکپارچه تولید می گردند، علاوه بر سبک بودن از استحکام بالایی برخوردار می باشند.
- با افزودن بر طول الیاف، بهینه کردن جهت قرار گرفتن آنها در رزین و با افزایش تعداد لایه های رزین و الیاف، می توان خواص مکانیکی کامپوزیت ها را ارتقاء بخشید.
- کامپوزیتها از پایداری حرارتی بالایی برخوردارند. به این ترتیب که با تغییرات دمایی، زیاد دچار انبساط و انقباض نمی گردند، بنابراین تَرَک بر نمی دارند. به عنوان مثال قطعات کامپوزیتی هواپیما می توانند در ارتفاع 11000 متری از سطح زمین، به مدت چند دقیقه تغییرات دمایی بین 55- الی 32 درجه سانتیگراد که در آن ناحیه اتفاق می افتد را تحمل کنند.
- کامپوزیت ها در برابر ضربه از خود مقاومت بالایی نشان می دهند. به عنوان مثال الیاف آرامید که در هواپیماهای نظامی مورد استفاده قرار می گیرند، باعث می گردد که هنگام بروز سوانح هوایی به پایلون (روکش) موتور آسیب کمتری وارد شود. توضیح اینکه پایلون رابطی است میان بدنه هواپیما و بعضی از متعلقات آن که موتور و محفظه سوخت را نیز در بر می گیرد.
- کامپوزیت ها از تلورانس آسیب بالایی برخوردار می باشند بنابراین هنگام بروز تصادف از جان سرنشینان وسائط نقلیه هوایی به خوبی محافظت می کنند.
- استفاده از کامپوزیت ها باعث می گردد که از بروز خوردگی گالوانیکی جلوگیری گردد. خوردگی گالوانیکی یک نوع خوردگی الکتروشیمیایی می باشد. به عبارت دیگر وجود اختلاف پتانسیل بین دو فلز غیر همجنس سبب می شود که بین آنها جریان های الکتریکی ایجاد گردد که در نهایت به خوردگی منجر می شود. در محیط های دریایی که میزان رطوبت در آنها بالاست، خوردگی گالوانیکی بیشتر رخ می دهد. از آنجا که پلاستیک های تقویت شده با الیاف شیشه نارسانا هستند در این گونه محیط ها از کارایی بالایی برخوردار می باشند.
- با استفاده از کامپوزیت ها می توان مشکلات ناشی از خستگی و خوردگی در سازه هواپیما (نظیر ایجاد تَرَک) را به حداقل رساند.​

آینده کامپوزیت ها در صنعت هوافضا
از آنجا که قیمت سوخت همواره در حال افزایش است، تولید کنندگان هواپیماهای تجاری ملزم گشته اند که با ارتقاء دادن کارایی محصولات خود، مصرف سوخت در آنها را کاهش دهند و به این ترتیب از محیط زیست نیز حفاظت کنند. کاستن از وزن هواپیماها یک عامل کلیدی است که می تواند تولید کنندگان را در رسیدن به هر دو هدف مذکور یاری رساند. استفاده از کامپوزیت ها باعث می شود که از بروز خوردگی در هواپیماها جلوگیری شود. به این ترتیب هزینه تعمیر و نگهداری روزانه هواپیماها به طور چشمگیری کاهش خواهد یافت. در نتیجه شرکتهای هواپیمایی که از هر فرصتی استفاده می کنند تا هزینه های تولید خود را پایین آورد، می توانند محصولات بیشتری به بازار وارد کنند و از شرکتهای رقیب خود پیشی بگیرند. در صنایع نظامی نیز چنین رقابتی به چشم می خورد. به عبارت دیگر باید تولید کنندگان هواپیماها و موشک های نظامی ظرفیت حمل بار، تنوع و عملکرد محصول خود را افزایش دهند و امنیت سرنشینان را تأمین نمایند تا بتوانند در صحنه رقابت باقی بمانند.
فناوری تولید کامپوزیت ها، پیوسته در حال پیشرفت است و روی کار آمدن مواد پیشرفته ای نظیر الیاف بازالت و نانولوله های کربن که از خواص مکانیکی بالای برخوردار میباشند، به استفاده از کامپوزیت ها در صنعت هوافضا شتاب بیشتری بخشیده است. بنابراین ملاحظه می گردد که در صنعت هوافضا برای کامپوزیت ها کاربرد های فراوانی وجود دارد.