کامپوزیتهای الیاف طبیعی برای ساخت موشکهای مدل پایدار: بامبو و جوت به عنوان جایگزینهایی برای فایبرگلاس
جستجو باهدف یافتن جایگزینهای پایدار برای کامپوزیتهای مصنوعی به طور فزایندهای در آموزش مهندسی هوافضا و موشک سازی اهمیت پیدا کرده است. فایبرگلاس به دلیل برقراری تعادل مطلوب بین عملکرد و هزینه، کاربرد فراوانی در ساخت بدنه موشکها دارد اما انرژیبر، غیر زیست تخریب پذیر و ازنظر زیست محیطی نیز ناگوار است. این مطالعه اولین نمایش کامپوزیتهای الیاف طبیعی اعمال شده بر بدنه موشکها را ارائه داده و بامبو و جوت را به عنوان جایگزینهای پایدار برای فایبرگلاس در تیم Rocket Wolf ارزیابی میکند. لمینتهای فایبرگلاس، بامبو و جوت طبق رویههای تیم تحقیقاتی در CEFET/RJ ساخته شدند. بدنهها نیز با آزمایشات پرتاب چتر نجات، تجزیه و تحلیل زبری سطح و شبیه سازیهای پرواز با استفاده از نرم افزار Open Rocket بررسی شدند. همچنین دادههای اضافی مانند جرم لمینت، ضخامت دیواره، نسبت الیاف به رزین و تجزیه و تحلیل هزینه برای ارائه یک ارزیابی جامع گنجانده شدند.
نتایج به دست آمده رفتارهای متضادی را نشان داد؛ در کامپوزیتهای بامبو بدون تیمار، اشباع رزین ضعیف، رفتار شکننده و عدم پایداری ساختاری مشاهده شد که عدم مناسب بودن آنها را بدون تیمار شیمیایی تأیید میکند. درمقابل، کامپوزیتهای جوت، درمقایسه با فایبرگلاس با رنگ (۶۲ میکرومتر) یا پوشش (۵۲ میکرومتر)، به اشباع کافی، هندسه استوانهای و زبری سطح برتر (Ra=37 میکرومتر) دست یافتند. بدنههای فایبرگلاس و جوت هر دو با موفقیت آزمایشات پرتاب با چتر نجات را پشت سر گذاشتند درحالی که شبیه سازیها پیکهای نزدیک به ۱ کیلومتر را نشان دادند که الزامات رقابت را برآورده میکرد. بدنه جوت همچنین حاشیه پایداری نسبتا بهبود یافتهای داشت. ازنظر اقتصادی، جوت درمقایسه با فایبرگلاس به تنهایی، حدود ۴۹۲ درصد ارزانتر از فایبرگلاس بود اما رزین بیشتری جذب میکرد. با این وجود، قیمتهای خرید واقعی به نفع جوت بود.
این یافتهها تأیید میکنند که کامپوزیتهای جوت ازنظر فنی، جایگزینی مقرون به صرفه، پایدار و قابل قبولی برای فایبرگلاس در بدنه موشکهای پروژه دانشجویی هستند. فراتر از اعتبارسنجی فنی، این کار مزایای آموزشی و زیست محیطی ادغام الیاف طبیعی در موشک سازی دانشگاهی را نشان میدهد که پایداری، عملکرد و نوآوری را به هم پیوند میدهد.
امروزه، کامپوزیتهای الیاف طبیعی به عنوان جایگزینهای پایدار برای تقویت کنندههای مصنوعی بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. درمقایسه با الیاف شیشه و کربن، الیاف طبیعی مزایای متمایزی دارند؛ آنها تجدیدپذیر و زیست تخریب پذیر هستند، انرژی تجسمی کمتری دارند و درطول چرخه عمر خود ردپای محیطی کمتری ایجاد میکنند. علاوه براین، الیاف طبیعی میتوانند در استراتژیهای کاهش گازهای گلخانهای نقش داشته باشند زیرا محتوای کربن آنها پس از دفع میتواند بازیابی شده و یا در اعتبارات کربن لحاظ شود. برخی محققان کلاسیک ازجمله بایلی، جان و توماس مفهوم "کامپوزیتهای سبز" را معرفی کردند درحالی که بررسیهای جدیدتر نشان میدهند که این مواد اکنون فراتر از مزایای زیست محیطی پیشرفت میکنند و حتی عملکرد مکانیکی امیدوارکنندهای را در کاربردهای سبک وزن نیز به همراه دارند.
بامبو و جوت ازجمله الیاف طبیعی هستند که بیشترین مطالعه روی آنها انجام شده است. بامبو به دلیل استحکام کششی بالا، سختی و پتانسیل آن در کاربردهای سازهای شناخته شده است. چن بامبو را یک کامپوزیت تقویت شده با الیاف بهینه شده طبیعی توصیف کرد، اگرچه چالشهای پردازش مانند ناخالصیهای سطحی و نفوذ ناپذیری رزین همچنان پابرجاست. بررسیهای اخیر توسط بهرا و همکاران و همچنین شتیگار و همکاران نشان داد که کامپوزیتهای بامبو تنها زمانی میتوانند به دوام طولانی مدت و عملکرد رقابتی دست یابند که عملیات شیمیایی مانند قلیایی سازی یا اصلاح سیلان اعمال شود. درمقابل، الیاف جوت درحال حاضر به طور گسترده در منسوجات و کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند و مطالعات متعددی پتانسیل آنها را به عنوان تقویت کنندههای پایدار در ماتریسهای پلیمری تأیید میکنند. یک بررسی در سال 2025 توسط اقبال و همکاران جوت را یکی از امیدوارکنندهترین الیاف برای مقیاس بندی کامپوزیتهای پایدار درنظر گرفت، درحالی که مدینا و همکاران به صورت تجربی نشان دادند که چگونه کسر حجمی الیاف جوت در اپوکسی به شدت بر خواص کششی و خمشی تأثیر میگذارد.
علاقه به الیاف طبیعی به صنایع هوافضا و خودرو نیز گسترش یافته است. بالو و همکاران با بررسی کاربردهای اولیه هوافضا، پتانسیل آن را برای سازههای ثانویه و پنلهای داخلی نشان دادند. همچنین ساراسینی و همکاران و پکاس و همکاران در گزارشی از کاربردهای کامپوزیتهای الیاف طبیعی، کاهش وزن و انتشار دی اکسید کربن (CO₂) را نشان دادند. اخیرا، مطالعات تأیید کردهاند که الیاف طبیعی میتوانند در سازهها گنجانده شوند و نه تنها به عملکرد، بلکه به پایداری نیز کمک میکنند. یودا و همکاران با بررسی کامپوزیتهای هیبریدی که الیاف بامبو و شیشه را ترکیب میکنند، بحث را پیش برده و نشان دادند که هیبریداسیون ممکن است بر محدودیتهای کامپوزیتهای تک الیاف غلبه کند.
باوجود این پیشرفتها، چالشها همچنان باقی هستند. الیاف طبیعی به دلیل گونهها، شرایط رشد و فرآوری دارای خواص متعددی هستند. آنها آبدوست هستند و رطوبت را جذب میکنند که پایداری ابعادی را به خطر میاندازد. برای پرداختن به این موضوع، تکنیکهای اصلاح سطح متعددی ازجمله عملیات قلیایی، سیلان، استیلاسیون و آنزیمی توسعه یافتهاند که چسبندگی ماتریسهای پلیمری را بهبود بخشیده و دوام را افزایش میدهند. اسلام و همکاران نشان دادند که الیاف کوتاه بامبوی فرآوری شده میتوانند به خواص مکانیکی رقابتی دست یابند درحالی که پرویز و همکاران تأکید کردند که اصلاحات شیمیایی برای قابلیت اطمینان در سطح هوافضا ضروری هستند. کامپوزیتهای جوت نیز به طور مشابه از پردازش مدرن بهره مند شدهاند، سلطانا و همکاران عملکرد ترمومکانیکی رقابتی را در پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف کوتاه جوت نشان دادند و داس و همکاران نیز مقاومت کششی و ضربهای کامپوزیتهای جوت-اپوکسی قابل مقایسه با فایبرگلاس را تأیید کردند. طرحهای پیشرفتهتر مانند کامپوزیتهای جوت اکوستیک، پتانسیل آنها را برای کاربردهای جذب انرژی بیشتر گسترش میدهند.
موشکهای مدل زمینهای ایده آل برای بررسی این مواد پایدار فراهم میکنند. این یک فعالیت دانشگاهی چند رشتهای است که نیروی محرکه، آیرودینامیک، بازیابی، اویونیک و سازهها را با هم ادغام میکند. زیرسیستم سازهای، به ویژه بدنه، نه تنها برای پشتیبانی از سایر زیرسیستمها بلکه برای تأثیرگذاری بر نیروی پسای آیرودینامیکی ازطریق زبری سطح آن نیز حیاتی است. بدنههای سنتی به دلیل تعادل مطلوب هزینه و عملکرد، با فایبرگلاس ساخته میشوند اما توجیه بار زیست محیطی کامپوزیتهای مصنوعی در زمینههای آموزشی به طور فزایندهای دشوار است. علاوه براین، شبیه سازیهایOpen Rocket و تحلیلهای آیرودینامیکی نشان میدهند که پیشرفتهای کوچک در زبری سطح میتواند به طور قابل توجهی بر نیروی پسا و اوج تأثیر بگذارد و اهمیت بررسی مواد جایگزین بدنه را نیز تقویت کند.
این مطالعه با بررسی کامپوزیتهای بامبو و جوت به عنوان مواد بدنه برای موشکهای دانشگاهی، به بررسی این شکاف میپردازد. لمینتها با پیروی از رویههای اتخاذ شده توسط این تیم تحقیقاتی در موشک Helder 1 که برای چالش فضایی آمریکای لاتین 2023 (LASC) توسعه داده شده بود، ساخته شدند. تجزیه و تحلیلهای مقایسهای شامل آزمایشات آب بندی و پرتاب چتر نجات، بررسی زبری سطح و شبیه سازیهای پرواز بود. این تحقیق همچنین با ترکیب نتایج تجربی و مقایسههای انتقادی با یافتههای علمی، ارزیابی میکند که آیا الیاف طبیعی میتوانند به عنوان جایگزینهای مقرون به صرفه، پایدار و ازنظر فنی امکان پذیر برای فایبرگلاس در موشک سازی دانشجویی عمل کنند یا خیر.
ساخت لمینتهای پایه فایبرگلاس
تیم دانشجویی Rocket Wolf در CEFET/RJ به طور سنتی از فایبرگلاس برای ساخت بدنه موشک استفاده میکند و همچنین از لولههای PVC به عنوان قالبهای استوانهای استفاده کرد. هر لوله PVC روی یک تکیه گاه لمینت سفارشی قرار میگیرد تا جابجایی را تسهیل کرده و ثبات ابعادی را درطول پردازش تضمین کند. برای جلوگیری از چسبندگی بین رزین و قالب، ابتدا لوله با عامل جداکننده Marbocote PR5050 (Redelease، سائوپائولو، برزیل) که با اپوکسی، پلی استر و لاستیکهای سیلیکونی سازگار است تیمار میشود. پس از خشک شدن، قالب با دو تا سه لایه فیلم سلفون پیچیده میشود تا از قالب گیری کارآمد اطمینان حاصل شود. الیاف قبل از لمینت کردن وزن میشوند و از این جرم برای محاسبه مخلوط رزین-هاردنر استفاده میشود که در دو سوم جرم الیاف تنظیم شده است. رزین اپوکسی 2001 (Redelease) و هاردنر 3154 (Redelease) با نسبت 2:1 و زمان کار حدود 30 دقیقه مخلوط شدند. درطول این مدت، رزین به طور مساوی در سراسر الیاف توزیع شد تا قبل از شروع پخت گرماده، اشباع همگن تضمین شود.
یک لایه نازک از پارچه نایلونی روی سطح بیرونی اعمال شد که نه تنها کیفیت نهایی را بهبود میبخشد بلکه از تجمع بیش از حد رزین نیز جلوگیری میکند. هر لمینت یک مرحله پخت اولیه 24 ساعته را طی کرده، سپس لوله از قالب خارج شده و لایه لایه دور انداخته میشود. 24 تا 48 ساعت پخت دوباره پس از خشک شدن در شرایط محیطی، فرآیند را تکمیل میکند. در این کار، بخش بدنه فایبرگلاس با چهار لایه از حصیرهای فایبرگلاس بافته شده ساخته شد که بدنه بالایی نهایی با طول 97.5 سانتیمتر، جرم 1053 گرم و ضخامت دیواره متوسط 0.24 سانتیمتر را تشکیل داد. نسبت الیاف به رزین 3:2 حفظ شد و تمام فرآیندها در دمای 22 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 86 درصد انجام شد. فایبرگلاس مورد استفاده یک حصیر رشتهای خرد شده تجاری (Redelease برزیل) بود که معمولا توسط تیم Rocket Wolf برای ساخت بدنه استفاده میشود. نسبت جرم الیاف به رزین 3:2 حفظ شد که مربوط به کسر حجمی تقریبی الیاف 40 درصد است. علاوه براین، سیستم اپوکسی مورد استفاده در تمام لایه بندیها شامل رزین اپوکسی 2001 (Redelease برزیل) و هاردنر 3154 (Redelease برزیل) بود که با نسبت جرمی 2:1 و زمان کاری تقریبا 30 دقیقه مخلوط شدند. این فرمولاسیون به دلیل سازگاری اثبات شده آن با الیاف شیشه و طبیعی و استفاده از آن در ساخت بدنه نمونه قبلی این تیم تحقیقاتی انتخاب شد.
لایههای الیاف بامبو
الیاف بامبو از تامین کنندگان تجاری در برزیل تهیه شدند که معمولا دارای کاربردهای صنعتی یا نساجی هستند (شکل 1).
شکل 1: الیاف خام بامبو که توسط فروشندگان محلی تهیه شده است
اگرچه بامبو به دلیل استحکام کششی و سختی بالای خود شناخته شده است اما الیاف خام آن دچار مشکلاتی همچون نفوذناپذیری و چسبندگی ضعیف به رزینهای پلیمری هستند. الیاف بامبو به صورت دستی به طول متوسط 20 تا 30 میلیمتر برش داده شدند که مربوط به نسبت ابعادی تقریبا 40:1 است. بررسی میکروسکوپی این الیاف یکی از اهداف برنامه ریزی شده برای مطالعات آینده است زیرا این مطالعه حاضر بر آزمایش امکان سنجی ماکروسکوپی متمرکز است. برای ارزیابی اولیه رفتار الیاف، لایه بندیها ابتدا در صفحات مسطح به جای قالبهای استوانهای انجام شدند که تجزیه و تحلیل اشباع رزین و امکان سنجی مکانیکی را سادهتر میکرد.
قالبهای پایه چوبی با دو لایه عامل رهاساز Marbocote PR 5050 آماده شدند. از نوارهای آلومینیومی و چوبی برای محدود کردن ابعاد لمینت مستطیلی و ایجاد فشار جانبی درطول پخت استفاده شد. الیاف به نوارهای کوچک و یکنواخت بریده شده و به طور تصادفی روی قالب توزیع شدند. مخلوط رزین-هاردنر همانطور که قبلا توضیح داده شد، با دستکاری ۳۰ دقیقهای تهیه شد. حصیرهای فایبرگلاس به عنوان پایه لمینت شده و حصیرها در لایههای متوالی ۹۰ درجه چرخانده شدند تا تقویت لایه به لایه آنها تضمین شود. بامبو، که فاقد حصیرهای بافته شده بود، به جای آن به صورت الیاف کوتاه تصادفی لمینت شد. پس از آغشته سازی، لمینتها به مدت ۲۴ ساعت قبل از جدا شدن از قالب، پخت شدند و سپس، ۲۴ ساعت دیگر پس از پخت تحت شرایط کنترل شده قرار گرفتند. باوجود این تلاشها، الیاف خام بامبو جذب رزین ضعیفی نشان دادند. رزین در پایه لمینت بدون نفوذ به الیاف جمع شد و کامپوزیتهای شکنندهای با یکپارچگی مکانیکی ضعیف ایجاد کرد (شکل ۲).
شکل 2: اولین لایه بندی الیاف بامبو در داخل قالب
نتایج به دست آمده نشان میدهند که عملیات قلیایی میتواند لیگنین و مومها را حذف کند، ترشوندگی و چسبندگی را بهبود بخشیده و در نتیجه، کاربردهای ساختاری را امکان پذیر سازد. در اینجا، فقط دو لایه از الیاف بامبو مورد آزمایش قرار گرفت اما لایههای حاصل نتوانستند به اشباع یکنواختی دست یابند و این امر مانع از اندازه گیریهای قابل اعتماد جرم و ضخامت شد.
لایههای الیاف جوت
الیاف جوت به شکل حصیر بافته شده (شکل 3) به دست آمدند که به طور قابل توجهی لایه بندی را به لولههای استوانهای تسهیل کرد.
شکل 3: الیاف جوت به شکل حصیر بافته شده
این فرآیند همان مراحل بدنه موشک Helder 1 را دنبال کرد، با یک تفاوت کلیدی: به دلیل نفوذپذیری بالاتر الیاف طبیعی، مصرف رزین و هاردنر تقریبا 2.5 برابر بیشتر از مقدار مورد نیاز برای فایبرگلاس با جرم الیاف معادل بود. برای اطمینان از اشباع کافی، از بازرسی بصری درطول لایه بندی استفاده شد. پس از پخت، لولههای جوت سمباده زده با استون تمیز و با یک پوشش پلیمری ارزان قیمت که معمولا برای پرداخت مبلمان استفاده میشود، پوشانده شدند (شکل ۴).
شکل 4: فرآیند پیچیدن لوله الیاف جوت با پوشش پلیمری
پوشش پلیمری خارجی اعمال شده روی بدنه جوت، یک فیلم تجاری مبتنی بر پلی اتیلن (بدون PVC) بود که معمولا برای پرداخت سطح مبلمان استفاده میشود. این مرحله باعث بهبود پرداخت سطح و کاهش زبری شد و نقش رنگ خودرو یا پوششهای محافظ مورد استفاده در موشکهای فایبرگلاس را تقلید کرد. کامپوزیتهای جوت حاصل، با هندسه استوانهای، عدم وجود حفرههای قابل مشاهده و مقاومت کششی و خمشی امیدوارکنندهای را درمقایسه با لولههای فایبرگلاس نشان دادند (شکل ۵).
شکل 5: لوله الیاف جوت چندلایه پس از پخت
بخش بدنه جوت با دو لایه حصیر بافته شده تولید شد که درنتیجه، بدنه بالایی نهایی به طول ۹۷.۵ سانتیمتر، جرم ۲۷۳۴ گرم و ضخامت دیواره متوسط ۰.۹۸ سانتیمتر به دست آمد. همانند فایبرگلاس، نسبت فیبر به رزین در شرایط محیطی ۲۲ درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی ۸۶ درصد، ۳:۲ نگه داشته شد.
آزمایشات تجربی
سه مجموعه آزمایش برای ارزیابی عملکرد کامپوزیت انجام شد:
1. آزمایش آب بندی و پرتاب: ابتدا به عنوان یک آزمایش هیدرواستاتیک در نظر گرفته شد اما به دلیل محدودیتهای تجهیزات، ظرفیت آب بندی ازطریق آزمایشات پرتاب چتر نجات ارزیابی شد. لولههای فایبرگلاس و کنف با استفاده از پارامترهای یکسان آزمایش شدند: 4 گرم پودر سیاه، طول لوله 17 سانتیمتر و فاصله معادل چتر نجات تا سیستم بازیابی (شکل 6).
شکل 6: پشتیبانی سیستم بازیابی موشک Helder 1 برای آزمایشات پرتاب
پرتاب موفقیت آمیز، قابلیت اطمینان سیستم را تأیید کرد.
2. آزمایش زبری سطح: زبری سطح با استفاده از پروفیلمتر Surftest S210 (Mitutoyo, IL, USA) اندازه گیری شد که قادر به ثبت Ra (زبری متوسط)، Rz (متوسط ارتفاع نقطه اوج)، Ry (حداکثر ارتفاع) و Rt (زبری کل) است. هر لوله تحت پنج اندازه گیری قرار گرفت. نمونهها شامل لوله فایبرگلاس رنگ آمیزی شده با پوشش خودرو (Helder 1)، لوله فایبرگلاس با پوشش محافظ خودرو (Helder 2) در دست ساخت و لوله کنفی با پوشش مبلمان بودند.
3. شبیه سازی پرواز Open Rocket v15.03: یک نرم افزار شبیه سازی متن باز است که برای مقایسه موشکهای فایبرگلاس و کنفی استفاده شد. تمام اجزای موشک (موتور، اویونیک، بازیابی، بالهها، مخروط دماغه و سازههای داخلی) ثابت نگه داشته شدند و فقط مواد بدنه اصلاح شد. چگالی هر بدنه چندلایه به صورت تجربی با استفاده از نسبت جرم به حجم مستقیم (شکل 7) براساس هندسه استوانهای نمونهها پس از 48 ساعت پخت در شرایط محیطی کنترل شده (22 درجه سانتیگراد و 86 درصد رطوبت نسبی) تعیین شد.
شکل 7: تنظیمات تجربی برای اندازه گیری چگالی بخشهای بدنه چندلایه
این امر پارامترهای ورودی واقع بینانهای را برای شبیه سازیهای Open Rocket تضمین میکرد. چگالی کنفی مورد استفاده در شبیه سازی 1.037 گرم بر سانتیمتر مکعب بود؛ مقداری مشابه پلی استایرن. خواص آیرودینامیکی و زبری سطح در مدلها ادغام شدند (شکل ۸).
شکل 8: مونتاژ موشک Helder 1 در نرم افزار Open Rocket
تحلیل هزینه
هزینههای مواد تحت دو رویکرد محاسبه شدند: برآورد نظری و مقادیر واقعی خرید.
هزینه فقط الیاف (به ازای تعداد لایهها): فایبرگلاس = ۵۲.۹۷ رئال؛ جوت = ۸.۹۵ رئال. جوت تقریباً ۴۹۲ درصد ارزانتر است.
هزینه کل (مصرف الیاف + رزین): فایبرگلاس = ۶۵.۹۵ رئال؛ جوت = ۹۲.۴۲ رئال. جوت به دلیل جذب رزین بالاتر تقریباً ۴۱.۵ درصد گرانتر است.
هزینههای واقعی خرید (در زمان ساخت): فایبرگلاس تقریبا ۲۵ رئال؛ جوت تقریبا 19 رئال.
تحلیل هزینه فقط به جنس بدنه اشاره دارد. تمام زیرسیستمهای دیگر (مخروط دماغه، بالهها، سیستم بازیابی و اویونیک) بدون تغییر باقی ماندند. بنابراین، این مقایسه فقط اثر جایگزینی فایبرگلاس با کامپوزیتهای الیاف طبیعی را در پوسته ساختاری جدا میکند. این رویکرد تضمین میکند که تفاوت هزینهها نشان دهنده جایگزینی مواد است نه طراحی مجدد کامل.
نتایج به دست آمده
آزمایش آب بندی و پرتاب
ظرفیت آب بندی لولههای کامپوزیتی ازطریق آزمایشات پرتاب چتر نجات ارزیابی شد. اگرچه در ابتدا آزمایش هیدرواستاتیک درنظر گرفته شده بود، اما به دلیل نفوذپذیری الیاف طبیعی و عدم وجود تجهیزات مناسب، با آزمایش پرتاب جایگزین شد. لولههای فایبرگلاس و جوت تحت شرایط یکسان آزمایش شدند: 4 گرم باروت سیاه، طول لوله 17 سانتیمتر و فاصله معادل چتر نجات تا سیستم بازیابی (شکل 6 را ببینید). هر دو لوله با موفقیت چتر نجات را بیرون انداختند و این امر، ظرفیت ساختاری لایهها را برای مقاومت در برابر افزایش ناگهانی فشار ایجاد شده درطول رویدادهای بازیابی نشان دادند. این نتیجه گیری تأیید کرد که کامپوزیتهای جوت خواص آب بندی کافی، قابل مقایسه با فایبرگلاس، را دارند و بنابراین میتوانند به عنوان یک ماده بدنه مناسب برای سیستمهای بازیابی در موشک سازی دانشجویی در نظر گرفته شوند.
به دلیل محدودیتهای تجهیزات، میزان نشت و فشار انفجار را نمیتوان مستقیم اندازه گیری کرد. درعوض، اعتبارسنجی عملکردی ازطریق بیرون انداختن موفقیت آمیز چتر نجات تحت شرایط آزمایش تکرارپذیر انجام شد که آب بندی کافی و ظرفیت حفظ فشار را برای استفاده عملیاتی تأیید میکرد.
آزمایش زبری سطح
زبری سطح مستقیم بر کشش آیرودینامیکی و درنتیجه، عملکرد پرواز تأثیر میگذارد. زبری لولههای فایبرگلاس و جوت نیز با استفاده از پروفیلمتر Mitutoyo Surftest S210 که Ra (زبری متوسط)، Rz (متوسط ارتفاع اوج)، Ry (حداکثر ارتفاع) و Rt (زبری کل) را اندازه گیری میکرد، تجزیه و تحلیل شد. سه نمونه بدنه فایبرگلاس پرداخت شده با رنگ خودرو (Helder 1)، بدنه فایبرگلاس با پوشش محافظ خودرو (Helder 2 در دست ساخت) و بدنه کنفی با پوشش پلیمری مبلمان آزمایش شدند.
هر لوله تحت پنج اندازه گیری قرار گرفت. نتایج در جدول ۱ (مقادیر خام) و جدول ۲ (مقادیر میانگین ± انحراف معیار) خلاصه شدهاند. بدنه کنفی کمترین میانگین Ra (37 میکرومتر) را درمقایسه با فایبرگلاس با پوشش (52 میکرومتر) و با رنگ (62 میکرومتر) نشان داد. مقادیر Ra پایینتر نشان دهنده کاهش نیروی پسای آیرودینامیکی و پروفایلهای پروازی بالقوه کارآمدتر است. انحراف معیار نسبتا پایین نیز نشان دهنده کیفیت سطح ثابت در بین نمونهها است.
جدول 1: اندازه گیریهای زبری خام (میکرومتر)
جدول 2: مقادیر میانگین زبری با انحراف معیار (میکرومتر)
مقادیر Ra پایینتر اما Ry نسبتا بالاتر مشاهده شده برای نمونه جوت با پوشش، ناشی از بافت دورهای حصیرهای جوت بافته شده است. این ریزساختار، پیکهای ارتفاع موضعی را بدون افزایش قابل توجه زبری سطح متوسط ایجاد میکند؛ ویژگی که در مطالعات قبلی کامپوزیت جوت نیز گزارش شده است. این نتیجه گیری نشان میدهد که لمینت جوت، علیرغم منشأ طبیعی آن، میتواند در ترکیب با پوششهای کم هزینه، به پرداخت سطحی بهتری دست یابد و به طور بالقوه درگ آیرودینامیکی را نیز کاهش دهد. این نتایج در شبیه سازیهای Open Rocket گنجانده شدند تا دقت پیش بینی عملکرد آیرودینامیکی را بهبود بخشند.
شبیه سازیهای پرواز
برای ارزیابی تأثیر مواد بدنه بر عملکرد پرواز از Open Rocket v15.03 استفاده شد. این نرم افزار امکان مدل سازی دقیق هندسه موشک، نیروی رانش موتور، سیستمهای بازیابی و شرایط محیطی را فراهم میکند. در این کار، تمام پارامترها (موتور، اویونیک، سیستم بازیابی، بالهها، مخروط دماغه و اجزای داخلی چاپ سه بعدی) ثابت نگه داشته شدند. فقط ماده بدنه تغییر داده شد. مدل فایبرگلاس از چگالی شناخته شده کامپوزیتهای شیشه استفاده کرد درحالی که مدل جوت چگالی تجربی تعیین شده ۱.۰۳۷ گرم بر سانتیمتر مکعب را که پس از لایه بندی اندازه گیری شده بود، در نظر گرفت. این مقدار نزدیک به چگالی پلی استایرن است و قابلیت مقایسه کافی بین مدلها را تضمین میکند. اگرچه نرم افزار Open Rocket اجازه ورود مستقیم پارامترهای زبری سطح را نمیدهد، مقادیر Ra پایینتر به دست آمده برای جوت (بخش ۳.۲) به صورت کیفی در تجزیه و تحلیل درنظر گرفته شدند زیرا انتظار میرود سطوح صافتر، نیروی پسای آیرودینامیکی را کاهش دهند.
نتایج حاصل از شبیه سازی نشان دهنده تفاوتهای حداقلی بین موشکهای فایبرگلاس و جوت ازنظر اوج، زمان پرواز و سرعت فرود بود (جدول ۳) است.
جدول 3: مقادیر میانگین زبری با انحراف معیار
هر دو مدل به اوجی نزدیک به ۱ کیلومتر، یکی از معیارهای اصلی رقابت، دست یافتند. موشک جوت همچنین حاشیه پایداری کمی بهبود یافتهای را نشان داد که احتمالا با چگالی بالاتر و زبری سطح اندازه گیری شده پایینتر آن مرتبط است. به طور کلی، شبیه سازیها امکان جایگزینی فایبرگلاس با کامپوزیتهای جوت را در موشکهای دانشگاهی بدون به خطر انداختن عملکرد پرواز تقویت میکنند. علاوه براین، ترکیب اوجهای قابل مقایسه، پایداری ساختاری و مزایای آیرودینامیکی بالقوه قابلیت استفاده عملی از بدنههای جوت را در پروژههای موشک سازی دانشجویی نشان میدهد.
برآورد هزینهها
هزینههای مواد، بسته به رویکرد ارزیابی، نتایج متضادی را نشان داد:
مقایسه فقط با فیبر: جوت تقریبا ۴۹۲ درصد ارزانتر از فایبرگلاس بود (۸.۹۵ رئال درمقابل ۵۲.۹۷ رئال)
هزینه کل با مصرف رزین: فایبرگلاس ارزانتر ماند (۶۵.۹۵ رئال درمقابل ۹۲.۴۲ رئال) زیرا جوت رزین بیشتری را جذب میکرد.
قیمتهای واقعی بازار (در زمان خرید): فایبرگلاس تقریبا ۲۵ رئال؛ جوت حدود ۱۹ رئال که نشان میدهد جوت عملا گزینه اقتصادیتری بود.
روی هم رفته، این نتایج تأیید میکنند که کامپوزیتهای جوت، علیرغم هزینههای اولیه بالاتر مربوط به رزین، نحوه عملکرد (پرتاب چتر نجات و پایداری ساختاری)، پتانسیل آیرودینامیکی (Ra کمتر) و قابلیت دوام اقتصادی (ارزانتر در عمل) را با هم ترکیب میکنند.
نتایج تجربی، تضادهای واضحی را بین کامپوزیتهای بامبو و جوت نشان میدهد درحالی که بینشهایی را درمورد پیامدهای گستردهتر آنها برای کاربردهای هوافضای پایدار نیز ارائه دادند. لازم به ذکر است که این مطالعه به عنوان یک اعتبارسنجی اثبات مفهوم در زمینه موشک سازی آموزشی طراحی شده است و آزمایش عملیاتی (پرتاب و شبیه سازی) را بر توصیف کامل مکانیکی اولویت میدهد. اگرچه آزمایشات کششی، خمشی و ضربه در اینجا انجام نشد اما چنین تحلیلهای مکانیکی درحال حاضر درحال توسعه هستند و در مطالعات آینده ارائه خواهند شد. این شفاف سازی، دامنه کار حاضر را بدون به خطر انداختن ارتباط آن با کاربردهای هوافضای عملکردی مشخص میکند.
الیاف بامبوی فرآوری نشده لمینتهای شکنندهای با اشباع رزین ضعیف تولید کردند که با مطالعاتی که مومها، لیگنین و همی سلولز را به عنوان موانع چسبندگی توصیف میکنند سازگار است. این نتایج تأیید میکنند که بامبوی خام برای استفاده ساختاری در موشک سازی نامناسب است. با این حال، این محدودیت نباید به عنوان یک مانع قطعی تعبیر شود. مطالعات نشان دادهاند که عملیات شیمیایی مانند روشهای قلیایی، سیلان یا آنزیمی میتواند نفوذ ماتریس و پیوند بین سطحی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. به عنوان مثال، اسلام و همکاران گزارش دادند که الیاف کوتاه بامبو اصلاح شده شیمیایی به خواص کششی و خمشی نزدیک به کامپوزیتهای مصنوعی معمولی دست یافتهاند. به طور مشابه، پرویز و همکاران نیز تأکید کردند که ورقههای بامبوی اصلاح شده، پایداری بلندمدت بهبود یافتهای را نشان میدهند که برای محیطهای هوافضا ضروری است. از این نظر، یافتههای حاضر این دیدگاه را تقویت میکند که بامبو پتانسیل این کار را دارد اما تنها در صورتی که با فرآیندهای اصلاح سطح مناسب ادغام شود.
اگرچه چسبندگی بین سطحی در این کار کمیّ سازی نشد اما بازرسی بصری درطول لایه بندی و پس از پخت، خیس شدن خوب رزین در کامپوزیتهای جوت و اشباع ضعیف در الیاف بامبوی اصلاح نشده را نشان داد. این مشاهده با نقش شناخته شده لایههای لیگنین و موم در محدود کردن چسبندگی ماتریس همسو است. درمقابل، لمینتهای جوت ساخته شده با حصیرهای بافته شده سازگاری عالی با رزین اپوکسی نشان دادند که منجر به هندسه استوانهای یکنواخت و پایداری ساختاری پایدار شد. نتایج زبری سطح به ویژه قابل توجه بود: لولههای جوت، Ra برابر با 37 میکرومتر را نشان دادند که از هر دو بدنه فایبرگلاس با رنگ (62 میکرومتر) و پوششهای محافظ (52 میکرومتر) صافتر است. این نتیجه با گزارشات قبلی مبنی بر اینکه کامپوزیتهای جوت میتوانند درمقایسه با کامپوزیتهای شیشهای، پرداخت سطحی رقابتی یا حتی برتر ارائه دهند، همسو است.
مطالعات اخیر این یافتهها را بیشتر تأیید میکنند: سلطانا و همکاران استحکام ترمومکانیکی کامپوزیتهای جوت-پلی پروپیلن را نشان دادند درحالی که داس و همکاران نشان دادند که لمینتهای جوت-اپوکسی به مقاومت کششی و ضربهای قابل مقایسه با فایبرگلاس دست یافتند. سطح صافتر مشاهده شده در این کار نشان میدهد که جوت حتی میتواند مزایای آیرودینامیکی را در پروازهای واقعی ارائه دهد؛ مزیتی که اغلب با الیاف طبیعی مرتبط نیست. آزمایشات پرتاب چتر نجات تأیید کرد که بدنههای فایبرگلاس و جوت میتوانند بارهای فشاری مرتبط با فعال سازی سیستم بازیابی را تحمل کرده و قابلیت اطمینان عملیاتی را تضمین کنند. شبیه سازیهای Open Rocket این موضوع را تأیید کرد و هر دو موشک به اوج نزدیک به ۱ کیلومتر رسیدند که شرط اصلی رقابت است. جالب توجه است که مدل جوت حاشیه پایداری کمی بالاتری را نشان داد. اگرچه Open Rocket امکان ادغام مستقیم پارامترهای زبری سطح را فراهم نمیکند اما مقادیر Ra پایینتر به دست آمده به صورت تجربی نشان میدهد که میتوان در شرایط واقعی، نیروی پسای آیرودینامیکی بدنههای جوت را کاهش داده و به طور بالقوه منجر به عملکرد حتی بهتر از آنچه در شبیه سازیها نشان داده شده است، شد.
ارزیابی هزینه، سناریوی ظریفی را نشان داد. اگرچه جذب رزین، هزینه اولیه جوت را افزایش داد (حدود ۴۱.۵ درصد بیشتر از فایبرگلاس) اما قیمت خرید واقعی برای جوت کمتر بود (۱۹ رئال درمقابل ۲۵ رئال). این یافتههای موجود در مقالات علمی را منعکس میکند که در آنها الیاف طبیعی بسته به تقاضای رزین و الزامات پردازش، همزمان مقرون به صرفه و نیازمند منابع توصیف میشوند. برای تیمهای دانشجویی که با بودجه محدود فعالیت میکنند، مزیت هزینه عملی جوت یک عامل تعیین کننده است حتی اگر مدلهای هزینه آزمایشگاهی خلاف آن را نشان دهند. این دوگانگی، اهمیت تجزیه و تحلیل پایداری را نه تنها از دیدگاه فنی، بلکه ازنظر دسترسی و مقرون به صرفه بودن در دنیای واقعی نیز برجسته میکند.
تفاوت در ضخامت و جرم دیواره بین بدنههای فایبرگلاس و جوت، در درجه اول ناشی از نفوذپذیری بالاتر و جذب رزین الیاف طبیعی است. این تغییرات کمّی سازی و در شبیه سازیهای پرواز مبتنی بر چگالی ادغام شدند تا از مقایسه پذیری مداوم اطمینان حاصل شود. تنظیمات اولیه تأیید کردند که تفاوتهای مشاهده شده در عملکرد پرواز ناشی از تغییر جرم نیستند بلکه منعکس کننده خواص مواد و ویژگیهای سطح هستند. نتایج به دست آمده در اینجا با مطالعات بین المللی گستردهتر درمورد کامپوزیتهای الیاف طبیعی همخوانی دارد. ساراسینی و همکاران و بالو و همکاران پتانسیل الیاف طبیعی را در پنلهای سبک وزن هوافضا بررسی کردند درحالی که پکاس و همکاران بر مزایای زیست محیطی آنها در کاربردهای خودرو تأکید کردند. خان و همکاران و یودا و همکاران درمورد استراتژیهای هیبریداسیون که الیاف طبیعی را با شیشه یا نانوذرات ترکیب میکنند و به دوام و عملکرد مکانیکی بهبود یافته درعین حفظ مزایای پایداری دست مییابند، بحث کردند. همچنین طاهر و همکاران کامپوزیتهای جوت اکستیک با جذب انرژی افزایش یافته را معرفی کردند که این امر، جوت را به عنوان یک ماده همه کاره برای کاربردهای پیشرفته، همچنان درحال تکامل معرفی میکند. در این زمینه، مطالعه حاضر با پرداختن به بدنههای موشکهای دانشجویی، کاربردی که به ندرت مورد بررسی قرار گرفته و در آن پایداری ساختاری و کیفیت سطح آیرودینامیکی برای موفقیت ماموریت حیاتی هستند، نوآوری جدیدی را به ارمغان میآورد.
فراتر از بعد فنی، این کار یک پیام آموزشی مهم را در بر دارد. با نشان دادن اینکه الیاف طبیعی میتوانند جایگزین فایبرگلاس در موشکهای دانشجویی شوند، دری را برای مسابقات و برنامههای آموزشی آینده برای پذیرش مواد پایدار باز میکند. این امر نه تنها اثرات زیست محیطی را کاهش میدهد بلکه پایداری را به عنوان بخش جدایی ناپذیر آموزش هوافضا ارتقا میدهد. چنین ادغامی، پروژههای دانشگاهی را با اولویتهای جهانی برای نوآوری زیست محیطی همسو کرده و مهندسان آینده را برای طراحی با درنظر گرفتن عملکرد و مسئولیت پذیری آماده میکند. به طور خلاصه، این بحث نشان میدهد که بامبوی فرآوری نشده درحال حاضر برای بدنههای موشک نامناسب است اما درصورت اصلاح شیمیایی، امیدوارکننده باقی میماند. ازسوی دیگر، کامپوزیتهای جوت، از قبل، قابلیت دوام ساختاری، سطوح صافتر، هزینههای رقابتی و قابلیت اطمینان عملکردی را نشان دادهاند. این یافتهها جوت را به عنوان یک کاندیدای قوی برای پذیرش فوری در موشک سازی آموزشی معرفی میکند و درعین حال، بامبو را به عنوان مادهای که در آینده مورد توجه قرار خواهد گرفت، درصورت نیاز به فرآوری مناسب، نشان میدهد.
برای تثبیت این یافتهها، مطالعات آینده باید دوام طولانی مدت را در شرایط رطوبتی-حرارتی، همانطور که در تحقیقات اخیر کامپوزیت هوافضا توصیه شده است، همراه با تجزیه و تحلیل رفتار حرارتی مانند تجزیه و تحلیل گرماسنجی حرارتی (TGA) و گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC) ارزیابی کنند. علاوه براین، استراتژیهای هیبریداسیون (به عنوان مثال، جوت + شیشه، بامبو + نانوذرات) ممکن است پایداری را با عملکرد بهبود یافته متعادل کنند. آزمایشات مکانیکی مانند کشش، خمش، ضربه و خستگی در مطالعات آینده برای گسترش درک کمی از رفتار ساختاری گنجانده خواهند شد.
سخن پایانی
این مطالعه کامپوزیتهای الیاف بامبو و جوت را به عنوان جایگزینهای پایدار برای فایبرگلاس در ساخت بدنه موشکهای دانشجویی بررسی کرد که طبق روش اتخاذ شده توسط تیم Rocket Wolf در CEFET/RJ ساخته و آزمایش شدند. نتایج به دست آمده تصویر جامعی از امکان سنجی ساختاری، آیرودینامیکی، اقتصادی و آموزشی الیاف طبیعی در آموزش هوافضا را ارائه داد.
کامپوزیتهای بامبو: الیاف بامبوی عمل آوری نشده نامناسب بودند و ورقههای شکنندهای با اشباع رزین ضعیف و ضعف ساختاری تولید میکردند. باوجود پتانسیل شناخته شده بامبو به دلیل استحکام کششی بالا، این مطالعه تأیید کرد که بدون اصلاح شیمیایی، نمیتوان از آن برای صنعت هوافضا استفاده کرد. این امر، اجماع موجود در مقالات را تقویت میکند که عملیات شیمیایی مانند قلیایی سازی، سیلان یا اصلاح آنزیمی برای حذف موانع سطحی و بهبود چسبندگی ضروری هستند و برای تحقیقات آینده نیز توصیه میشود. محدودیتی که در اینجا با آن مواجه شدیم، یک جهت کلیدی تحقیق را نشان میدهد: تطبیق بامبو ازطریق اصلاح سطح مناسب برای کاربرد آینده آن در کامپوزیتهای هوافضا ضروری است.
کامپوزیتهای جوت: درمقابل، ورقههای جوت قابلیت پردازش و عملکرد عالی از خود را نشان دادند. با دو لایه حصیر بافته شده، بدنههای جوت به هندسه استوانهای یکنواخت، اشباع رزین کافی و جرم نهایی 2734 گرم با ضخامت 0.98 سانتیمتر دست یافتند، درمقایسه با بدنههای فایبرگلاس با 1053 گرم و ضخامت 0.24 سانتیمتر. نتایج زبری سطح به طور ویژه امیدوارکننده بود: جوت دارای Ra، 37 میکرومتر بود که کمتر از فایبرگلاس با رنگ خودرو (62 میکرومتر) و فایبرگلاس با پوشش محافظ (52 میکرومتر) است. این پرداخت صافتر نشان دهنده کاهش پتانسیل کشش آیرودینامیکی است؛ مزیتی که معمولا به الیاف طبیعی نسبت داده نمیشود.
اعتبارسنجی عملکرد: آزمایشات عملکردی قابلیت فنی بدنههای جوت را تأیید کردند. هر دو کامپوزیت فایبرگلاس و جوت با موفقیت در برابر پرتاب چتر نجات مقاومت کردند و مقاومت در برابر پیکهای ناگهانی فشار داخلی را نشان دادند. شبیه سازیهای Open Rocket با استفاده از چگالیهای اندازه گیری شده (فایبرگلاس استاندارد در مقابل جوت ۱.۰۳۷ گرم بر سانتیمتر مکعب)، اوجهای قابل مقایسه (حدود ۱ کیلومتر)، زمان پرواز و سرعت نزول را نشان دادند درحالی که جوت حاشیه پایداری کمی بالاتری را نشان داد. اگرچه زبری سطح را نمیتوان مستقیما در نرم افزار ادغام کرد، اما دادههای تجربی نشان میدهند که بدنههای جوت صافتر ممکن است مزایای آیرودینامیکی بیشتری را در پروازهای واقعی ارائه دهند.
دیدگاه اقتصادی: تجزیه و تحلیل اقتصادی نتایج دوگانهای را نشان داد. با درنظر گرفتن تنها هزینههای الیاف، جوت تقریبا ۴۹۲ درصد ارزانتر از فایبرگلاس بود (۸.۹۵ درمقابل ۵۲.۹۷ رئال). با این حال، هنگامی که مصرف رزین در نظر گرفته شد، جوت تقریبا ۴۱.۵ درصد گرانتر به نظر میرسید (۹۲.۴۲ درمقابل ۶۵.۹۵ رئال). نکته مهم این است که قیمتهای واقعی خرید در زمان ساخت به نفع جوت بود (۱۹ رئال درمقابل ۲۵ رئال). این دوگانگی نشان میدهد که اگرچه الیاف طبیعی ممکن است تقاضای رزین را افزایش دهند اما دسترسی به بازار و هزینههای پایینتر خرید آنها همچنان میتواند آنها را برای تیمهای دانشجویی که با بودجه محدود فعالیت میکنند، جذاب کند.
پیامدهای آموزشی و پایداری: فراتر از اعتبارسنجی فنی، این مطالعه ارزش آموزشی گستردهتر ادغام مواد پایدار در موشک سازی دانشگاهی را نشان داد. مسابقات موشک سازی دانشجویی ضایعات کامپوزیتی قابل توجهی، معمولا فایبرگلاس، تولید میکنند که به دلیل ماهیت غیر قابل تجزیه زیستی خود اثرات زیست محیطی بلند مدتی دارد. با اتخاذ الیاف طبیعی مانند جوت، دانشجویان نه تنها ردپای زیست محیطی پروژههای خود را کاهش میدهند بلکه در یادگیری تجربی درمورد نوآوریهای زیست محیطی نیز مشارکت میکنند. این نشان دهنده یک تغییر فرهنگی مهم است که آموزش هوافضا را با اهداف پایداری جهانی همسو میکند.
نوآوری و مشارکت: اصالت این کار در نشان دادن این است که برای اولین بار، کامپوزیتهای جوت میتوانند با موفقیت جایگزین فایبرگلاس در بدنه موشکهای دانشجویی شوند، بدون اینکه به یکپارچگی ساختاری یا عملکرد پرواز آسیبی وارد شود. اگرچه الیاف طبیعی در سازههای ثانویه خودرو و هوافضا آزمایش شدهاند، کاربرد آنها در بدنههایی که تحت بارهای سیستم بازیابی و نیازهای آیرودینامیکی قرار دارند قبلاً اعتبارسنجی نشده بود. این امر، مطالعه حاضر را به گامی پیشگام در تحقیقات مواد هوافضای پایدار تبدیل میکند.
برای تثبیت این یافتهها، تحقیقات آینده شامل آزمایشهای مکانیکی استاندارد (کششی، خمشی، فشاری و ضربهای) و تجزیه و تحلیل شکست نگاری در جهت ارزیابی چسبندگی الیاف-ماتریس خواهد بود. باتوجه به ماهیت آب دوست الیاف طبیعی، مطالعات بیشتری درمورد جذب رطوبت و پیری طولانی مدت رطوبتی-حرارتی نیز برنامه ریزی شده است. علاوه براین، استفاده از رزینهای اپوکسی زیستی برای دستیابی به یک سیستم کامپوزیت کاملا زیست تخریب پذیر بررسی خواهد شد. به طور خلاصه، بامبوی فرآوری نشده برای بدنه موشکهای دانشجویی مناسب نیست اما پس از اصلاح شیمیایی همچنان امیدوارکننده خواهد بود. ازسوی دیگر، کامپوزیتهای جوت امکان سنجی ساختاری، آیرودینامیکی، اقتصادی و آموزشی را نشان دادند و خود را به عنوان جایگزینی واقع بینانه و پایدار برای فایبرگلاس تثبیت کردند. این کار نه تنها به علم مواد کمک میکند بلکه پتانسیل موشک سازی دانشجویی را به عنوان بستری برای پیشبرد پایداری در آموزش مهندسی هوافضا نیز تقویت میکند.
