المواد المركبة الحديثة للمستقبل في صناعة الطيران

المهندس عامر الدرابسه

اليوم ، تحدث ثورة في إنتاج الطائرات التجارية ، ويمكن تلخيصها بكلمة واحدة: المركبات. هناك العديد من الأسباب الجيدة لمصنعي الطائرات لاستخدام المركبات ، ولشركات الطيران ، لاستخدام المركبات في طائراتهم.
تحقق العديد من المواد المركبة خصائص قوة أعلى نسبيًا مقارنة بالمواد المعدنية التقليدية ، مما يقلل من وزن الطائرة ، وبالتالي ، يقلل من تكلفة الوقود لكل راكب محمول. المركبات أكثر مقاومة من المعدن للإرهاق من دورات الإقلاع / الهبوط المتعددة ، مما يؤدي إلى عدد أقل من الشيكات باهظة الثمن خلال عمر الطائرة والمزيد من الوقت الذي تقضيه في الهواء ، مما يكسب المال.
المواد المركبة هي مادة تتكون من مواد متينة لتحمل الأحمال ، يتم تضمينها في مادة أضعف قليلاً. عادة ما تسمى المادة الأقوى بالتعزيز، وتسمى المادة الضعيفة عادة مصفوفة. يوفر التعزيز القوة والصلابة اللازمة ، مما يساعد على تحمل الحمل على الهيكل. تساعد المصفوفة أو الموثق في الحفاظ على موضع واتجاه التعزيز وهي أكثر هشاشة قليلا.
المصفوفة هي مرحلة مستمرة من المركب. دورها الرئيسي هو تشكيل الهيكل ، وهذا هو السبب في أن مواد المصفوفة التي يمكن تشكيلها بسهولة ومن ثم الاحتفاظ بهذا الشكل مفيدة بشكل خاص.
المصفوفة هي أحد مكونات المركب ، والتي تواجه أولاً أي قوى يمكن فرضها. الدور الرئيسي للتعزيز هو توفير القوة والصلابة وغيرها من الخصائص الميكانيكية للمركب.
استخدام الألياف المركبة في الطائرات: تُستخدم أنواع عديدة من المركبات بشكل شائع في صناعة الطيران. على سبيل المثال ، تم استخدام المركبات لأول مرة للطائرات العسكرية خلال الحرب العالمية الثانية. وهي تستخدم حاليا للطائرات الخاصة والطائرات التجارية الحديثة في صناعة الطيران. من المهم ملاحظة أن الأنواع الثلاثة الأكثر شيوعًا من المركبات يتم تعزيزها باستخدام الألياف الزجاجية وألياف الكربون وألياف الأراميد. من المثير للاهتمام أيضًا أن كل نوع من هذه الأنواع يحتوي على أنواع فرعية توفر مجموعة واسعة من المركبات. الألياف الزجاجية هي بوليمر مقوى بالألياف مصنوع من مصفوفة بلاستيكية مدعمة بألياف زجاجية رقيقة. إنها مادة خفيفة الوزن وقوية للغاية ودائمة. على الرغم من أن خصائص القوة أقل قليلاً من خصائص ألياف الكربون ، وهي أقل صلابة ، إلا أن المادة عادة ما تكون أقل هشاشة ، والمواد الخام أرخص بكثير. بوليمر البوليمر المقوى بالكربون هو بوليمر قوي للغاية وخفيف الوزن من الألياف المقواة بالألياف ويحتوي على ألياف الكربون. قد يحتوي المركب على ألياف أخرى ، مثل الأراميد أو الكيفلار أو التوارون أو الألياف الزجاجية أو الألومنيوم أو الألياف الكربونية.
ألياف الأراميد هي فئة من الألياف الاصطناعية القوية والمتينة. يتم استخدامها في الفضاء الجوي والمجالات العسكرية، لتصنيع الدروع الواقية للبدن والمركبات البالستية ، في إطارات الدراجات وكبديل للأسبست. في كل عام ، تستخدم صناعة الطيران حصة متزايدة من المواد المركبة الحديثة لإنشاء طائرات من كل جيل جديد. عندما تم استخدام مركب الألياف الزجاجية الأكثر شيوعًا لأول مرة في طائرة ركاب بوينج 707 ، استحوذ على 2 ٪ من الهيكل. في المقابل ، تمثل المركبات الموجودة في 787 50 ٪ من الوزن الهيكلي للطائرة ، وتمثل المركبات حوالي 25 ٪ من إجمالي طائرة شراعية من طراز إيرباص A380.
مزايا وعيوب المركبات في صناعة الطيران:
يتم استخدام المواد المركبة بشكل متزايد في الهياكل الأولية في الهياكل التجارية والصناعية والفضائية والبحرية والترفيهية.
لا تخضع المركبات المتقدمة للتآكل ، مثل المعادن – يمثل مزيج من التآكل وتكسير التعب مشكلة خطيرة لهيكل جسم تجاري من الألمنيوم.
المركبات اليوم لديها مجموعة واسعة من المزايا في صناعات الطيران والدفاع. أصبحت كفاءة الوقود الناتجة التي اكتسبتها طائرة ذات أهمية متزايدة مع ارتفاع أسعار الوقود اليوم.
وتشمل الميزات الإيجابية الأخرى مقاومة ممتازة للتعب والتآكل ومقاومة جيدة للتأثير. زاد الاستخدام المركب في صناعات الطيران والدفاع ، ومن المتوقع أن تنمو بعض القطاعات بشكل ملحوظ على مدى السنوات العشرين المقبلة. في المستقبل ، من المتوقع أن ينمو إجمالي سوق المركبات أربع مرات مع نمو سنوي مجمع بنسبة 7.3 ٪ ، ليصل إلى 30 مليار دولار في روسيا الاتحادية بحلول عام 2026. هناك العديد من مزايا المواد المركبة:
1. تخفيض الوزن – وفورات في النطاق من 20٪ إلى 50٪ ؛
2. يمكن تعديل الخواص الميكانيكية وفقًا لـ “النمط” ،
مع انخفاض سمك قماش التسليح واتجاه النسيج ؛
3. مقاومة عالية التأثير – يحمي درع كيفلر (الأراميد) الطائرات أيضًا ، على سبيل المثال ، عن طريق تقليل التلف العرضي لأبراج المحرك التي تحمل الأعضاء
إدارة المحرك وخطوط الوقود.
4. مقاومة عالية للضرر يحسن البقاء على قيد الحياة.
5. “المشاكل الجلفانية” – المشاكل الكهربائية مع التآكل التي تحدث عند
الاتصال بمعدنين متباينين (خاصة في بيئة بحرية رطبة). هنا ، تلعب الألياف الزجاجية غير الموصلة دور اللفة.
هناك أيضًا بعض العيوب:
1. بعض تكاليف التشغيل الأعلى ؛
2. ارتفاع النفقات لمرة واحدة.
3. ارتفاع تكاليف المواد.
4. ضرر صدمة غير مرئية.
5. إصلاح يختلف عن البناء المعدني.
6.عزل ضروري لمنع تآكل كلفاني المجاورة قطع الألمنيوم.
تزيد المواد المركبة من فقدان الوزن إلى أقصى حد – لأنها عادة ما تكون أخف بنسبة 20 ٪ من الألمنيوم ومعروفة بأنها أكثر موثوقية من المواد المعدنية التقليدية الأخرى ، مما يقلل من تكاليف صيانة الطائرات وعدد أقل من عمليات التفتيش أثناء وقت الخدمة. وجد تقرير صادر عن إدارة الطيران الفيدرالية بشأن المواد المتقدمة أنه مقابل كل كيلوغرام من الوزن الذي يتم توفيره على متن طائرة تجارية ، يتم حفظ 100-300 دولار أمريكي على مدى عمر الطائرة. ستؤدي طائرة بوينج 787 دريملاينر، باستخدامها المركب الواسع النطاق في الهياكل الرئيسية ، إلى طائرة أخف وزنًا بمقدار 10000 رطل وتحرق وقودًا أقل بنسبة 20٪ من جميع طائرات الألمنيوم ذات الحجم المماثل. وهذا يدل على أن استخدام مركبات الألياف في الطائرات يؤدي إلى وفورات كبيرة في الوزن ، وزيادة الأحمال وتقليل استهلاك الوقود ، مما يسمح لشركات الطيران باستخدام هذه الطائرات لتبقى مربحة في مواجهة ارتفاع تكاليف الوقود.
يمكن أن توفر المواد المركبة نسبة قوة إلى وزن أفضل بكثير من المعادن: في بعض الأحيان تصل إلى 20 ٪. يؤدي الوزن الأقل إلى انخفاض استهلاك الوقود والانبعاثات ، وأيضًا لأن الهياكل البلاستيكية تتطلب عددًا أقل من المفاصل المبرشمة ، وكفاءة ديناميكية هوائية أعلى ، وتكاليف إنتاج أقل. بالطبع ، انجذبت صناعة الطيران إلى هذه المزايا عندما ظهرت المركبات لأول مرة ، ولكن الشركات المصنعة للطائرات العسكرية هي التي اغتنمت الفرصة في البداية لاستخدامها لزيادة سرعة منتجاتها وقدرتها على المناورة. الوزن هو كل شيء عندما يتعلق الأمر بالسيارات الأثقل من الهواء ، وقد سعى المصممون باستمرار لتحسين نسبة الوزن إلى الوزن منذ أن طار الشخص لأول مرة في الهواء. لعبت المواد المركبة دورًا مهمًا في فقدان الوزن ، واليوم يتم استخدام 3 أنواع رئيسية: ألياف الكربون وراتنج الإيبوكسي المعزز بالزجاج والأراميد. هناك غيرها ، مثل مقوى بالبورون (المركب نفسه ، الذي يتكون على قلب التنغستن). المركبات مركبة عالميًا ، تُستخدم في كل من التطبيقات الهيكلية والمكونات على جميع الطائرات والمركبات الفضائية ، من الجندول والطائرات الشراعية ذات الهواء الساخن إلى طائرات الركاب أو الطائرات المقاتلة. الأنواع لها خصائص ميكانيكية مختلفة وتستخدم في مناطق مختلفة من بناء الطائرات. على سبيل المثال ، تتميز ألياف الكربون بسلوك إجهاد فريد وهش ، كما اكتشف رولز رويس في الستينيات عندما انهار المحرك النفاث المبتكر RB211 مع شفرات ضاغط ألياف الكربون بشكل كارثي بسبب ضربات الطيور. في برنامج تجريبي ، استخدمت بوينغ بنجاح 1500 مكون لاستبدال المكونات المعدنية في طائرة هليكوبتر.
ينمو استخدام المكونات المركبة بدلاً من المعدن كجزء من دورات الصيانة بسرعة في الطائرات التجارية والسياحية. بشكل عام ، ألياف الكربون هي الألياف المركبة الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في صناعة الطيران.
ووفقأ للمؤلفين فإن الطلب على الطائرات الأخف وزناً والأكثر كفاءة سيوفر فرصًا كبيرة في صناعة الطيران لمصنعي الأجزاء المركبة على مدى السنوات الخمس عشرة المقبلة. يجب أن نفهم أن استخدام المواد المركبة في صناعة الطيران لا يزال قيد الدراسة ، وسيكون من الضروري إجراء تحسينات إضافية على عملية الإنتاج ، على وجه الخصوص ، حتى تكشف السوق تمامًا عن إمكاناتها. على سبيل المثال ، في الأسواق المتقدمة ، يميل الطلب العالمي على الألياف الزجاجية المعززة إلى التركيز على التطبيقات عالية التكلفة التي يُتوقع أن تكون القوة الدافعة وراء نمو السوق المركب. هذه حقيقة مهمة للغاية. يتطلب طلب المستهلكين من مصنعي الألياف الزجاجية تقنيات أكثر تقدمًا لتحسين كفاءة عملياتهم بتكلفة أقل. وبالتالي ، فإن هذا الابتكار ، الذي يحفزه طلب المستهلكين ، سيخلق فرصًا جديدة ومثيرة للسوق المركب ، وهذا هو الهدف الرئيسي. أصبحت المواد المركبة ذات أهمية متزايدة في بناء الهياكل الفضائية. تم تصميم الطائرات الكبيرة من الجيل الجديد مع جميع الهياكل المركبة من جسم الطائرة والجناح ، ويتطلب إصلاح هذه المواد المركبة الحديثة معرفة عميقة بالهياكل والمواد والأدوات المركبة. تعد تقنية أنابيب الكربون النانوية بحد ذاتها أكبر تحد لقابلية التوسع في الحجم وتوفير التكاليف. على سبيل المثال ، من الجيد أن يكون لديك كابل أخف بنسبة 69 ٪ ، ولكن يجب أن تكون قادرًا على إنتاجه بهذا التنسيق وبسعر يمكن استخدامه على نطاق واسع من قبل الشركات المصنعة للطائرات. وبالتالي ، فإن المستقبل سيزيد الإنتاجية ويقلل التكاليف وسيستخدم في نهاية المطاف على نطاق واسع في جميع أنحاء الصناعة.
من المرجح أن يستمر مستقبل الصناعة المركبة في المستقبل ، ومن المرجح أن يتم تأمين عمليات الاندماج والاستحواذ ، وضمان النمو على المدى الطويل ، والمنتجات والتطبيقات المبتكرة الجديدة في الأفق دائمًا. الشركاء في مجال التميز المركب هم مصدر الحلول المركبة عالية الجودة التي تلبي متطلبات الفضاء الصارمة.