کامپوزیت‌های مخصوص صنعت هوافضا

کامپوزیت‌های مورد استفاده در صنعت هوافضا

از زمان پیدایش صنعت هوانوردی، طراحان پیوسته در تلاش بوده‌اند تا نسبت نیروی تحمل بار به وزن هواپیماها را بهبود بخشند. با این حال، یک نوآوری مهم و فزاینده در صنعت هوافضا، استفاده از مواد کامپوزیتی است زیرا این مواد طراحان را قادر می‌سازد تا بر موانع ایجاد شده با استفاده از فلزات غلبه کنند.

مواد کامپوزیت نقش عمده‌ای در کاهش وزن قطعات داشته و از این رو، هم برای کاربردهای سازه‌ای و هم برای ساخت قطعات فضاپیماها و هواپیماها، از گلایدرها و بالن‌های هوای گرم گرفته تا هواپیماهای جنگنده، شاتل فضایی و هواپیماهای مسافربری مورد استفاده قرار می‌گیرند. کامپوزیت‌ها اساسا موادی هستند که از دو یا چند فاز یا جزء تشکیل ‌دهنده تشکیل شده‌اند که عمدتا پلاستیک‌های تقویت ‌شده با الیاف کربن هستند. آنها همچنین می‌توانند به شکل‌های مختلفی قالب گیری شوند تا استحکامشان افزایش یافته و با الیافی که در جهات مختلف قرار دارند، لایه ‌بندی شوند تا طراحان بتوانند سازه‌هایی با خواص منحصر به فرد ایجاد کنند.

بدون شک، توسعه مواد کامپوزیتی نسل بعدی با وزن سبک و مقاومت در برابر دمای بالا به طراحی هواپیماهای با کارایی بالا و اقتصادی کمک خواهد کرد. اگر برخی از مسائل مربوط به هزینه‌های مواد کامپوزیتی حل شوند، کامپوزیت‌های پیشرفته می‌توانند آینده‌ی هوافضا را تضمین کنند.

تاریخچه مختصری از مواد کامپوزیت در هوافضا

فایبرگلاس متشکل از الیاف شیشه‌ای است که در یک ماتریس رزینی قرار گرفته‌اند، رایج‌ ترین ماده کامپوزیتی است و اولین بار در دهه ۱۹۵۰ برای طراحی جت مسافربری بوئینگ ۷۰۷ مورد توجه قرار گرفت. پره‌های کمپرسور موتور جت RB211 که توسط رولز رویس در دهه ۱۹۶۰ توسعه داده شد، از الیاف کربن ساخته شده بودند که شکننده است و رفتار خستگی استثنایی دارد. مواد کامپوزیتی الیافی در ابتدا در دهه ۱۹۶۰ به مقدار کم در هواپیماهای نظامی و از دهه ۱۹۷۰ در هوانوردی غیرنظامی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. از دهه ۱۹۸۰، کامپوزیت‌ها عمدتا برای قطعات ثانویه بال و دم مانند پنل‌های لبه بال و سکان‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

هر نسل از هواپیماهای جدید توسعه ‌یافته توسط بوئینگ درصد بیشتری از مواد کامپوزیتی را به خود اختصاص داده به طوری که بالاترین آن ۵۰ درصد در بوئینگ ۷۸۷ دریم‌ لاینر است. عناصر ساختاری اصلی بوئینگ ۷۸۷ دریم‌ لاینر از کامپوزیت‌های "ساندویچی" کربنی و لمینت کربنی پیشرفته ساخته شده‌اند که نشان ‌دهنده‌ی تغییر از کامپوزیت‌های فایبرگلاس قدیمی است. از سوی دیگر، الیاف آرامید به طور گسترده برای ساخت قطعات بال‌های جلو، بال‌های عقب، دیواره‌های بسیار سفت و سبک، مخازن سوخت و کف هواپیما استفاده می‌شوند. کامپوزیت‌های پیشرفته متشکل از ترکیبی از الیاف سفت و با استحکام بالا هستند که در یک ماده ماتریس مشترک جاسازی شده و به طور گسترده در صنعت هوافضا نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مزایای استفاده از کامپوزیت‌ها در هوافضا

از جمله مزایای کلیدی استفاده از کامپوزیت‌ها در کاربردهای هوافضا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

1. کاهش وزن از 20 تا 50 درصد: سازه‌های قالب‌ گیری شده تک پوسته، استحکام بالاتری را در وزن کمتر فراهم می‌کنند. وزن کمتر به معنای مصرف سوخت پایین‌تر، افزایش برد پروازی و کاهش هزینه‌های عملیاتی است.

2. مقاومت بالا در برابر ضربه: به عنوان مثال، سپرهای زرهی کولار (آرامید) در هواپیماها، آسیب تصادفی به پایلون‌های موتور که لوله‌های سوخت و کنترل‌های موتور را حمل می‌کنند، را به حداقل می‌رسانند.

3. پایداری حرارتی بالا

4. مقاوم در برابر خستگی/خوردگی: اجزای سازه‌ای ساخته شده از مواد کامپوزیتی به راحتی مونتاژ می‌شوند.

5. افزایش مقاومت مکانیکی: کامپوزیت‌ها می‌توانند تنش‌های شدید، ارتعاشات و فشارهای بالا را بدون تغییر شکل یا شکست تحمل کنند.

6. انعطاف ‌پذیری در طراحی: امکان ساخت قطعات با اشکال پیچیده، بهینه ‌سازی آیرودینامیکی و کاهش تعداد اتصالات مکانیکی را فراهم می‌کند.

7. کاهش هزینه‌های نگهداری و افزایش عمر مفید: دوام بالا و مقاومت در برابر فرسایش باعث کاهش نیاز به تعمیرات مکرر می‌شود.

هواپیماهای کامپوزیتی و محیط زیست

بازیافت قطعات استفاده شده از هواپیماهای از رده خارج شده، یکی دیگر از گزینه‌های موجود در هنگام استفاده از کامپوزیت‌های هوافضا است. شرکت بوئینگ با بازیافت تمام مواد هواپیماهایی که با استفاده از کامپوزیت‌ها تولید می‌شوند، به طور ویژه در بهبود عملکرد زیست‌ محیطی صنعت هوافضا مشارکت دارد. بازیافت کامپوزیت‌ها یک فرآیند دو مرحله‌ای است که شامل جداسازی کامپوزیت‌ها از سایر مواد سازنده هواپیما در طول عدم کارایی مفید هواپیما و بازیابی الیاف با کیفیت خوب به منظور استفاده مجدد به عنوان منبع مواد در تولید هوافضا می‌شود.

اگرچه بازیافت سازه هواپیما فرآیندی پیچیده و پرهزینه است اما می‌تواند در خرید قطعات دست اول گران ‌قیمت صرفه‌ جویی کند.

آینده کامپوزیت‌ها در هوافضا

با افزایش هزینه‌های سوخت، تولید کنندگان هوافضای تجاری تحت فشار هستند تا عملکرد هواپیماها را افزایش دهند و در این راستا کاهش وزن یک عامل کلیدی است. با توجه به پیشرفت‌هایی که در تکنیک‌های ساخت کامپوزیت حاصل شده است، انتظار می‌رود نسل بعدی هواپیما با استفاده از مواد کامپوزیتی ساخته شود. با این حال، هنوز موانعی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد تا کامپوزیت‌ها بتوانند به طور کامل جایگزین آلومینیوم و سایر آلیاژهای فلزی شوند، به ویژه در مورد هواپیماهای بزرگ.

کامپوزیت‌ها مواد گرانی هستند و به نیروی کار زیاد و همچنین ماشین ‌آلات ساخت پیچیده و گران ‌قیمت نیاز دارند. فناوری کامپوزیت همچنان در حال پیشرفت است و اختراع انواع جدید کامپوزیت‌ها مانند نانولوله‌های کربنی و اشکال بازالت، استفاده از کامپوزیت را بیش از پیش تسریع خواهد کرد.

استفاده از کامپوزیت‌ها در صنعت هوافضا: تحول در طراحی، عملکرد و بهره‌ وری

صنعت هوافضا همواره در جست‌ و جوی موادی بوده است که بتوانند عملکرد بالا، وزن کم، مقاومت مکانیکی و حرارتی زیاد، و دوام طولانی را هم ‌زمان تضمین کنند. در این مسیر، کامپوزیت‌ها به عنوان یکی از مهم‌ترین نوآوری‌های مواد مهندسی، به جایگاه ویژه‌ای رسیده‌اند. این مواد با ترکیب خواص چند ماده مختلف، امکان ساخت سازه‌هایی سبک، مقاوم و قابل طراحی دقیق را فراهم کرده‌اند که در ساخت هواپیماها، فضاپیماها، ماهواره‌ها و تجهیزات پروازی نقشی حیاتی ایفا می‌کنند.

کامپوزیت چیست؟

به طور کلی، کامپوزیت‌ها موادی هستند که از ترکیب دو یا چند ماده با خواص متفاوت تشکیل می‌شوند و معمولا شامل فاز تقویت‌ کننده (مانند الیاف کربن، شیشه یا سرامیک) و ماتریس زمینه‌ای (مانند رزین‌های پلیمری، فلزی یا سرامیکی) هستند. این ترکیب باعث می‌شود ماده نهایی خواصی فراتر از اجزای تشکیل ‌دهنده خود داشته باشد؛ مانند استحکام بالا، وزن کم، مقاومت در برابر خوردگی و انعطاف ‌پذیری در طراحی.

کاربردهای عملی کامپوزیت‌ها در هوافضا

1. هواپیماهای تجاری و نظامی: هواپیماهایی مانند بوئینگ 787 و ایرباس A350 بیش از 50 درصد از وزن سازه‌ای خود را از کامپوزیت‌ها تشکیل داده‌اند.

2. فضاپیماها و ماهواره‌ها: کامپوزیت‌ها در ساخت بدنه، آنتن‌ها، پنل‌های خورشیدی و سپرهای حرارتی استفاده می‌شوند.

3. موشک‌ها و راکت‌ها: استفاده در نازل‌ها، مخازن سوخت، و بدنه موشک برای تحمل فشار و دمای بالا

4. تجهیزات داخلی: صندلی‌ها، پنل‌های دیوار، کف ‌پوش‌ها و تجهیزات کابین با کامپوزیت‌های سبک و مقاوم ساخته می‌شوند.

و در پایان

به طور خلاصه، کامپوزیت‌ها نه ‌تنها یک انتخاب مهندسی، بلکه یک تحول بنیادین در طراحی و ساخت تجهیزات هوافضا هستند. با ترکیب خواص مکانیکی، حرارتی و طراحی ‌پذیری بالا، این مواد توانسته‌اند محدودیت‌های سنتی فلزات را پشت سر گذاشته و راه را برای نسل جدیدی از پرنده‌های هوایی و فضایی هموار کنند. آینده هوافضا بدون شک با کامپوزیت‌ها گره خورده است.