المركبات في صناعة الطائرات
لقد ساعدت المواد المركبة في صناعة الطائرات المهندسين على التغلب على العقبات التي واجهتهم عند استخدام المواد بشكل فردي. تحتفظ المواد المكونة بهوياتها في المركبات ولا تذوب أو تندمج بشكل كامل مع بعضها البعض. معًا، تخلق المواد مادة "هجينة" تتمتع بخصائص بنيوية محسنة.
إن تطوير مواد مركبة خفيفة الوزن ومقاومة للحرارة العالية سوف يسمح بظهور الجيل القادم من تصميمات الطائرات عالية الأداء والاقتصادية. إن استخدام مثل هذه المواد سوف يقلل من استهلاك الوقود، ويحسن الكفاءة، ويقلل من تكاليف التشغيل المباشرة للطائرات.
يمكن تشكيل المواد المركبة بأشكال مختلفة، وإذا رغبت في ذلك، يمكن لف الألياف بإحكام لزيادة القوة. ومن السمات المفيدة للمواد المركبة أنها يمكن أن تكون على شكل طبقات، حيث تسير الألياف في كل طبقة في اتجاه مختلف. وهذا يسمح للمهندس بتصميم هياكل ذات خصائص فريدة. على سبيل المثال، يمكن تصميم هيكل بحيث ينحني في اتجاه واحد، ولكن ليس في اتجاه آخر. [2]
محتويات
تركيب المركبات الأساسية
في المواد المركبة الأساسية، تعمل مادة واحدة كمصفوفة داعمة، بينما تبني مادة أخرى على هذه القاعدة وتعزز المادة بأكملها. يمكن أن يكون تشكيل المادة عملية مكلفة ومعقدة. في الأساس، يتم وضع مصفوفة المادة الأساسية في قالب تحت درجة حرارة وضغط مرتفعين. ثم يتم سكب الإيبوكسي أو الراتنج فوق المادة الأساسية، مما يخلق مادة قوية عندما يتم تبريد المادة المركبة. يمكن أيضًا إنتاج المادة المركبة عن طريق تضمين ألياف مادة ثانوية في المصفوفة الأساسية.
تتمتع المواد المركبة بقوة شد جيدة ومقاومة للضغط، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في تصنيع أجزاء الطائرات. تأتي قوة الشد للمادة من طبيعتها الليفية. عندما يتم تطبيق قوة الشد، تصطف الألياف داخل المركب مع اتجاه القوة المطبقة، مما يعطيها قوة الشد. يمكن أن تُعزى المقاومة الجيدة للضغط إلى خصائص الالتصاق والصلابة لنظام المصفوفة الأساسية. يتمثل دور الراتينج في الحفاظ على الألياف كأعمدة مستقيمة ومنعها من الانحناء.
الطيران والمركبات
تُعد المواد المركبة مهمة لصناعة الطيران لأنها توفر قوة هيكلية مماثلة للسبائك المعدنية، ولكن بوزن أخف. وهذا يؤدي إلى تحسين كفاءة استهلاك الوقود والأداء للطائرة. [3] [4]
دور المواد المركبة في صناعة الطيران
الألياف الزجاجية هي المادة المركبة الأكثر شيوعًا، وتتكون من ألياف زجاجية مدمجة في مصفوفة راتنجية. استُخدمت الألياف الزجاجية لأول مرة على نطاق واسع في الخمسينيات من القرن الماضي للقوارب والسيارات. استُخدمت الألياف الزجاجية لأول مرة في طائرة الركاب بوينج 707 في الخمسينيات من القرن الماضي، حيث شكلت حوالي 2% من الهيكل. كان لكل جيل من الطائرات الجديدة التي بنتها بوينج نسبة متزايدة من استخدام المواد المركبة؛ وكانت أعلى نسبة استخدام للمواد المركبة 50% في طائرة دريملاينر 787 .
ستكون طائرة بوينج 787 دريملاينر أول طائرة تجارية تتكون عناصرها الهيكلية الرئيسية من مواد مركبة بدلاً من سبائك الألومنيوم. [1] سيكون هناك تحول بعيدًا عن مركبات الألياف الزجاجية القديمة إلى مركبات كربونية أكثر تقدمًا ومركبات ساندوتش كربونية في هذه الطائرة. واجهت طائرة دريملاينر مشاكل في صندوق جناحها، والتي نُسبت إلى عدم كفاية الصلابة في المواد المركبة المستخدمة في بناء القطعة. [1] وقد أدى هذا إلى تأخير مواعيد التسليم الأولية للطائرة. من أجل حل هذه المشاكل، تعمل بوينج على تقوية صناديق الأجنحة عن طريق إضافة أقواس جديدة لصناديق الأجنحة المبنية بالفعل، مع تعديل صناديق الأجنحة التي لم يتم بناؤها بعد. [1]
اختبار المواد المركبة
لقد وجد أنه من الصعب نمذجة أداء قطعة مصنوعة من مواد مركبة بدقة عن طريق المحاكاة الحاسوبية بسبب الطبيعة المعقدة للمادة. غالبًا ما يتم وضع المواد المركبة فوق بعضها البعض لمزيد من القوة، ولكن هذا يعقد مرحلة الاختبار قبل التصنيع، حيث يتم توجيه الطبقات في اتجاهات مختلفة، مما يجعل من الصعب التنبؤ بكيفية سلوكها عند اختبارها. [1]
يمكن أيضًا إجراء اختبارات الإجهاد الميكانيكية على الأجزاء. تبدأ هذه الاختبارات بنماذج صغيرة الحجم، ثم تنتقل إلى أجزاء أكبر حجمًا من الهيكل، وأخيرًا إلى الهيكل الكامل. يتم وضع الأجزاء الهيكلية في آلات هيدروليكية تعمل على ثنيها وثنيها لمحاكاة الإجهادات التي تتجاوز إلى حد كبير أسوأ الظروف المتوقعة في الرحلات الجوية الحقيقية.
عوامل استخدام المواد المركبة
إن تقليل الوزن هو الميزة الأعظم لاستخدام المواد المركبة وهو أحد العوامل الرئيسية في اتخاذ القرارات بشأن اختيارها. وتشمل المزايا الأخرى مقاومتها العالية للتآكل ومقاومتها للتلف الناتج عن التعب. تلعب هذه العوامل دورًا في تقليل تكاليف تشغيل الطائرة على المدى الطويل، وتحسين كفاءتها بشكل أكبر. تتمتع المواد المركبة بميزة إمكانية تشكيلها في أي شكل تقريبًا باستخدام عملية القولبة، ولكن هذا يزيد من صعوبة مشكلة النمذجة.
من العيوب الرئيسية لاستخدام المواد المركبة أنها مادة جديدة نسبيًا، وبالتالي فهي باهظة التكلفة. كما تعزى التكلفة المرتفعة إلى عملية التصنيع التي تتطلب عمالة مكثفة ومعقدة في كثير من الأحيان. يصعب فحص المواد المركبة بحثًا عن العيوب، في حين يمتص بعضها الرطوبة.
على الرغم من أن الألمنيوم أثقل وزنًا، إلا أنه من السهل تصنيعه وإصلاحه. يمكن أن يتعرض للثقب أو التلف ولكنه يظل متماسكًا. لكن المركبات ليست كذلك؛ فإذا تعرضت للتلف، فإنها تتطلب إصلاحًا فوريًا، وهو أمر صعب ومكلف.
توفير الوقود مع تقليل الوزن
يعتمد استهلاك الوقود على عدة متغيرات، بما في ذلك: وزن الطائرة الجاف، ووزن الحمولة، وعمر الطائرة، ونوعية الوقود، وسرعة الهواء، والطقس، من بين أمور أخرى. يتم تقليل وزن مكونات الطائرة المصنوعة من مواد مركبة بنحو 20%، كما هو الحال في طائرة 787 دريملاينر. [4]
سيتم أدناه إجراء حساب نموذجي للتوفير الإجمالي في الوقود مع خفض الوزن الفارغ بنسبة 20% لطائرة إيرباص A340-300.
تم الحصول على قيم العينة الأولية لدراسة الحالة هذه من مصدر خارجي. [5]
منح:
- الوزن التشغيلي الفارغ (OEW): 129,300 كجم
- الحد الأقصى لوزن الوقود الصفري (MZFW): 178,000 كجم
- أقصى وزن للإقلاع (MTOW): 275000 كجم
- الحد الأقصى للمدى والوزن الأقصى: 10,458 كم
يمكن حساب الكميات الأخرى من الأرقام الموضحة أعلاه:
- الحد الأقصى لوزن الحمولة = MZFW - OEW = 48,700 كجم
- أقصى وزن للوقود = MTOW - MZFW = 97000 كجم
لذا، يمكننا حساب استهلاك الوقود بالكيلوجرام/كم بناءً على أقصى وزن للوقود وأقصى مدى = 97,000 كجم/10,458 كم = 9.275 كجم/كم
فيما يلي حساب لتوفير الوقود المتوقع مع خفض الوزن بنسبة 20%، والذي سيقلل فقط من قيمة OEW بنسبة 20%:
- OEW(جديد) = 129,300 كجم * 0.8 = 103,440 كجم، وهو ما يعادل توفير وزن قدره 25,860 كجم.
بافتراض أن وزن البضائع والوقود يظل ثابتًا:
- MZFW(جديد) = MZFW - 25,680 كجم = 152,320 كجم
- أقصى وزن للإقلاع (جديد) = أقصى وزن للإقلاع - 25,680 كجم = 249,320 كجم
تبلغ كتلة الوقود 97000 كجم ولها وزن إقلاع أقصى مخفض يجب التعامل معه، وبالتالي سيكون لها مدى متزايد لأن الوزن الأقصى والمدى الأقصى هما كميتان متناسبتان عكسيا.
استخدام النسب البسيطة لحساب النطاق الجديد:
249,320كج275,000كج=10,458كمإكسكم{\displaystyle {\frac {249,320kg}{275,000kg}}={\frac {10,458km}{Xkm}}}
حل X يعطي نطاقًا جديدًا من:
- س = 11,535.18 كم
وهذا يعطي قيمة جديدة لاستهلاك الوقود مع انخفاض الوزن = 97,000 كجم/11,535.18 كم = 8.409 كجم/كم
ولوضع هذا في المنظور الصحيح، على مدى رحلة تبلغ مسافتها 10 آلاف كيلومتر ، سيكون هناك توفير في استهلاك الوقود يبلغ 8,660 كيلوغراماً تقريباً مع انخفاض وزن السيارة فارغة بنسبة 20%.
التأثير البيئي
هناك تحول يتطور بشكل أكثر وضوحًا نحو الهندسة الخضراء . حيث تولي مجتمعات اليوم اهتمامًا أكبر للبيئة. وينطبق هذا أيضًا على تصنيع المواد المركبة.
كما ذكرنا سابقًا، تتمتع المواد المركبة بوزن أخف وقيم قوة مماثلة للمواد الأثقل. عندما يتم نقل المادة المركبة الأخف وزنًا أو استخدامها في تطبيق النقل، يكون هناك حمل بيئي أقل مقارنة بالبدائل الأثقل. كما أن المواد المركبة أكثر مقاومة للتآكل من المواد القائمة على المعدن، مما يعني أن الأجزاء ستدوم لفترة أطول. [7] تتحد هذه العوامل لتجعل المواد المركبة مواد بديلة جيدة من منظور بيئي.
المواد المركبة المنتجة تقليديًا مصنوعة من ألياف وراتنجات تعتمد على البترول، وهي غير قابلة للتحلل البيولوجي بطبيعتها. [8] وهذا يمثل مشكلة كبيرة حيث ينتهي الأمر بمعظم المواد المركبة في مكب النفايات بمجرد انتهاء دورة حياة المركب. [8] هناك أبحاث مهمة تجري في المواد المركبة القابلة للتحلل البيولوجي المصنوعة من الألياف الطبيعية. [9] إن اكتشاف المواد المركبة القابلة للتحلل البيولوجي والتي يمكن تصنيعها بسهولة على نطاق واسع ولها خصائص مماثلة للمواد المركبة التقليدية من شأنه أن يحدث ثورة في العديد من الصناعات، بما في ذلك صناعة الطيران.
إن الخيار البديل للمساعدة في الجهود البيئية هو إعادة تدوير الأجزاء المستعملة من الطائرات التي تم إيقاف تشغيلها. إن "تفكيك" الطائرة عملية معقدة ومكلفة، ولكنها قد توفر المال للشركات بسبب التكلفة العالية لشراء الأجزاء من مصادر مباشرة. [6]
المواد المركبة المستقبلية
مركبات المصفوفة السيراميكية
تُبذل جهود كبيرة لتطوير مواد مركبة خفيفة الوزن وعالية الحرارة في الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) لاستخدامها في أجزاء الطائرات. ومن المتوقع أن تصل درجات الحرارة إلى 1650 درجة مئوية لمنافذ التوربينات لمحرك مفاهيمي بناءً على حسابات أولية. [3] ولكي تتحمل المواد مثل هذه درجات الحرارة، يلزم استخدام المواد المركبة ذات المصفوفة الخزفية (CMCs). كما سيسمح استخدام المواد المركبة ذات المصفوفة الخزفية في المحركات المتقدمة بزيادة درجة الحرارة التي يمكن تشغيل المحرك عندها، مما يؤدي إلى زيادة العائد. [10] على الرغم من أن المواد المركبة ذات المصفوفة الخزفية هي مواد هيكلية واعدة، إلا أن تطبيقاتها محدودة بسبب نقص مواد التعزيز المناسبة وصعوبات المعالجة وعمر الخدمة والتكلفة.
ألياف حرير العنكبوت
حرير العنكبوت هو مادة واعدة أخرى لاستخدام المواد المركبة. يتميز حرير العنكبوت بمرونة عالية، مما يسمح بتمدد الألياف حتى 140٪ من طولها الطبيعي. [11] كما يحتفظ حرير العنكبوت بقوته في درجات حرارة منخفضة تصل إلى -40 درجة مئوية. [11] تجعل هذه الخصائص حرير العنكبوت مثاليًا للاستخدام كمادة ليفية في إنتاج مواد مركبة مطاوعة تحتفظ بقوتها حتى في درجات حرارة غير طبيعية. ستكون المواد المركبة المطاوعة مفيدة للطائرة في الأجزاء التي ستخضع لضغوط متغيرة، مثل انضمام الجناح مع جسم الطائرة الرئيسي. ستسمح القوة المتزايدة والصلابة والمطاوعة لمثل هذا المركب بتطبيق ضغوط أكبر على الجزء أو الوصلة قبل حدوث فشل كارثي. ستتمتع المركبات القائمة على حرير العنكبوت الاصطناعي أيضًا بميزة أن أليافها ستكون قابلة للتحلل البيولوجي.
لقد تم إجراء العديد من المحاولات الفاشلة لإنتاج حرير العنكبوت في المختبر، ولكن لم يتم تحقيق إعادة التركيب المثالية بعد. [12]
صفائح فولاذية مركبة هجينة
يمكن أن تكون مادة أخرى واعدة هي الفولاذ المقاوم للصدأ المصنوع من مواد مركبة وألياف نانوتك والخشب الرقائقي. تُصنع صفائح الفولاذ من نفس المادة ويمكن التعامل معها وتشكيلها بنفس الطريقة تمامًا مثل الفولاذ التقليدي. لكنها أخف بنسبة مئوية لنفس القوة. هذا أمر قيم بشكل خاص لتصنيع المركبات. شركة لاميرا السويدية، التي تنتظر براءة اختراع، هي شركة فرعية من الأبحاث داخل شركة فولفو للصناعات.
خاتمة
نظرًا لارتفاع نسبة القوة إلى الوزن، تتمتع المواد المركبة بميزة على المواد المعدنية التقليدية؛ على الرغم من أن تصنيع المركبات مكلف حاليًا. وإلى أن يتم تقديم تقنيات لتقليل تكاليف التنفيذ الأولية ومعالجة مشكلة عدم قابلية المركبات الحالية للتحلل البيولوجي، فلن تتمكن هذه المادة الجديدة نسبيًا من استبدال السبائك المعدنية التقليدية تمامًا.
مراجع
- ↑انتقل إلى الأعلى:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 نمذجة السطح للمواد المركبة - SIAG GD - تم الاسترجاع من http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ A to Z of Materials - Composites: A Basic Introduction - تم الاسترجاع من http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑انتقل إلى الأعلى:3.0 3.1 INI International - Key to Metals - تم الاسترجاع من http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑انتقل إلى الأعلى:4.0 4.1 طائرة بوينج 787 دريملاينر تعاني من مشكلة مركبة - Zimbio - تم الاسترجاع من http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/Boeing+787+Dreamliner+composite+problem
- ↑ Peeters, PM et al. - Fuel efficient of commercial airplanes (pg. 16) - تم استرجاعه من http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑انتقل إلى الأعلى:6.0 6.1 قناة ناشيونال جيوغرافيك - من صنع الإنسان: طائرة - تم الاسترجاع من http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ دراسة عن التأثير البيئي للمواد المركبة - تم استرجاعها من http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑انتقل إلى الأعلى:8.0 8.1 Textile Insight - Green Textile Composites - تم الاسترجاع من http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ A to Z of Materials - High Performance Composite Materials Produced from Biodegradable Natural Fibre Reinforced Plastics - تم الاسترجاع من http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain - جامعة بوردو - المواد المركبة من مصفوفة السيراميك - تم استرجاعه على http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑انتقل إلى الأعلى:11.0 11.1 قسم الكيمياء - جامعة بريستول - تم الاسترجاع من http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ↑ Wired Science - العناكب تصنع حريرًا ذهبيًا - تم الاسترجاع من http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
