اهمیت سازه‌های کامپوزیت در صنعت هوانوردی

تاریخچه

نخستین استفاده از مواد کامپوزیتی را می‌توان سازه‌های کاه‌گلی نام برد که به منظور تقویت استحکام، از مخلوط کاه و گل استفاده می‌کردند. بعد از آن بشر برای ساخت کمان‌هایی محکم‌تر که خاصیت کشسانی بیشتری دارند به کمان‌های چندلایه روی آورد. این کمان‌ها از تاندون حیوانات، چوب و ابریشم ساخته شده بود. نخستین استفاده مواد کامپوزیتی در صنعت هوانوردی به سال 1910 میلادی برمی‌گردد که سطوح پارچه‌ای برخی از قسمت‌های هواپیما را با یک محلول از رزین تقویت می‌کردند تا از پوسیدگی آن جلوگیری شود. صنعت مواد کامپوزیتی با ساخت الیاف شیشه در سال 1938شکل متفاوتی به خود گرفت تا به امروز که خیلی از مواد اطراف ما حتی در صنعت پزشکی با استفاده از این مواد کامپوزیتی ساخته می‌شوند.

دسته‌بندی کامپوزیت‌ها

کامپوزیت‌ها را از جهات مختلف می‌توان طبقه‌بندی نمود. استفاده از مواد کامپوزیتی اغلب به منظور بهبود یک خاصیت مکانیکی است. حال این خاصیت با توجه به محل استفاده می‌تواند متفاوت باشد به طور مثال در بال هواپیما نیاز به استحکام و در خروجی موتور نیاز به تحمل دمای بالا می‌باشد همچنین مکانیسم تقویت کنندگی بستگی به شکل هندسی تقویت کننده دارد. با توجه به مواد به کاررفته برای تقویت مواد کامپوزیتی این مواد به سه دسته کامپوزیت های پلیمری، فلزی و سرامیکی تقسیم می‌شوند. در کامپوزیت های پلیمری (PMC) هدف اصلی بهبود خواص مکانیکی است که عمدتا از ساختار لایه‌ای رزین و الیاف استفاده می‌شود. روش‌های لایه گذاری، نوع الیاف و رزین تعیین کننده استحکام آن‌ها هستند. در این میان الیاف کربن دارای بالاترین نسبت مقاومت به وزن است. در کامپوزیت‌های فلزی بهبود قابلیت فرآورش نظیر ماشین‌کاری و در کامپوزیت‌های سرامیکی عمدتاً افزایش چقرمگی هدف اصلی است.

در کامپوزیت‌های پلیمری هر لایه از ترکیب الیاف و رزین تشکیل می‌شود. الیاف‌ها با توجه به نوع جنس و بافتی که دارند خاصیت مکانیکی متفاوتی دارند به طور مثال الیاف کربن استحکام بالایی دارد و الیاف کولار خاصیت کشسانی به سازه می‌دهد. نوع رزین نیز همانند الیاف بر اساس نوع کارکرد انتخاب و استفاده می‌شود به طور مثال رزین پلی استر مناسب محل‌هایی است که رطوبت بالایی را تجربه می‌کنند. معیار دیگر در مقاومت مواد کامپوزیتی تعداد لایه‌های چیده شده و نسبت زاویه هر لایه می‌باشد و در آخر مهمترین پارامتر نحوه لایه‌گذاری می‌باشد که می‌توان به صورت دستی، وکیوم و یا اینفیوژن انجام شود. هر یک از روش‌ها جزئیات و نکات زیادی برای بیان کردن دارند اما شاید در حوصله این مقاله نباشد بنابراین در ادامه دو مورد استفاده از مواد کامپوزیتی که توسط دو شرکت بزرگ صنعت هوانوردی مورد استفاده قرار گرفته شده است را ذکر می‌کنیم.

اسپار بویینگ 777X

چندی پیش شاهد نخستین پرواز آزمایشی پرنده محبوب 777X بودیم و از نکات برجسته این هواپیما غول‌پیکر اسپار فیبر کربنی آن است. همانطور که می‌دانید اسپار یکی از اعضای اصلی تشکیل دهنده بال است که وظیفه تحمل بارهای آیرودینامیکی و نیروی پیشران موتور را بر عهده دارد. این نخستین باری است که اسپار یک هواپیمای تجاری غیر فلزی است و در واقع از فیبر کربن ساخته شده است. طول بال‌های این هواپیما در حدود 72 متر است و در طول پرواز وزن 350 تنی این پرنده را باید تحمل کند از طرفی دیگر نیروی عظیم 230 هزار پوندی تولید شده از دو موتور قدرتمند به علاوه بارهای ناشی از مانور این پرنده بخش مهمی از نیروهایی هستند که باید توسط اسپار مهار شود. خاصیت سبک بود مواد کامپوزتی در یک نسبت استحکامی، این بال را تبدیل به سبک‌ترین بال هواپیمای تجاری نسبت به رقبا خود کرده است. این اسپار تماما توسط ربات‌های پیشرفته ساخته می‌شود و در نهایت هم توسط ربات بازرسی می‌شود تا عاری از هرگونه حباب و یا ترک باشند.

پره‌های فوق سبک رولزرویس

یکی دیگر از سازه‌های کامپوزیتی مهم در صنعت هوانوردی پره‌های تمام کامپوزیتی است رولزرویس است. این کمپانی که در این زمینه پیشرو بوده است توانسته است مرحله تست این پره‌ها را با موفقیت پشت سر بگذارد. دو عامل مهم که شامل کاهش مصرف سوخت و کاهش آلاینده‌های زیست محیطی است انگیزه‌ای شد که این کمپانی از دو سال گذشته شروع به سرمایه‌گذاری برای تولید پره‌های کامپوزیتی کند. خواص آیرودینامیکی و ترمودینامیکی بالاتر این پره‌ها باعث شده است تا در کمپرسور نسبت تراکم هوا نسبت به قبل افزایش یابد.

به طور خلاصه می‌توان گفت افزایش به کارگیری مواد کامپوزیت در صنعت هوانوردی غیرقابل انکار است و بالابردن دانش طراحی، ساخت و تعمیر نگهداری بیش از پیش نیاز این صنعت می‌باشد بنابراین انتظار می‌رود با سیاست گذاری‌های درست و به موقع پیش از آنکه فاصله زیادتری ایجاد شود سرمایه‌گذاری‌های لازم در این حوزه انجام شود.