Composites in the Aircraft Industry/ar

▼هذه صفحة موضوع .يركز موقع Appropedia على الأبحاث الأصلية ، لكن هذه الصفحة توفر سياقًا مفيدًا وتساعد في تصفح الموقع. يمكنك مساعدة Appropedia من خلال تحسين هذه الصفحة .

^تُعدّ المواد المركبة من التقنيات الرائدة في صناعة الطائرات، وقد مكّنت المهندسين من التغلب على العقبات التي كانت تواجههم عند استخدام المواد بشكل منفرد. تحافظ المواد المكونة لها على خصائصها المميزة داخل المواد المركبة، ولا تذوب أو تندمج تمامًا مع بعضها البعض. وعند دمجها، تُشكّل هذه المواد مادة "هجينة" ذات خصائص هيكلية محسّنة.

سيُتيح تطوير المواد المركبة خفيفة الوزن والمقاومة لدرجات الحرارة العالية إمكانية تصميم الجيل القادم من الطائرات عالية الأداء والاقتصادية. وسيؤدي استخدام هذه المواد إلى تقليل استهلاك الوقود، وتحسين الكفاءة، وخفض تكاليف التشغيل المباشرة للطائرات.

يمكن تشكيل المواد المركبة بأشكال متنوعة، وإذا لزم الأمر، يمكن لف الألياف بإحكام لزيادة قوتها. ومن الميزات المفيدة للمواد المركبة إمكانية تكوينها على شكل طبقات، حيث تتجه 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 معين دون غيره. ^{[ 2 ]}

في المواد المركبة الأساسية، تعمل مادة واحدة كقالب داعم، بينما تُبنى مادة أخرى على هذا القالب الأساسي لتقوية المادة بأكملها. قد تكون عملية تشكيل هذه المادة مكلفة ومعقدة. باختصار، يتم وضع قالب المادة الأساسية في قالب تحت درجة حرارة وضغط مرتفعين. ثم يُصب الإيبوكسي أو الراتنج فوق المادة الأساسية، مما يُنتج مادة قوية عند تبريد المادة المركبة. كما يمكن إنتاج المادة المركبة عن طريق دمج ألياف مادة ثانوية في القالب الأساسي.

تتميز المواد المركبة بقوة شد عالية ومقاومة للضغط، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في صناعة قطع غيار الطائرات. وتستمد المادة قوة الشد من طبيعتها الليفية. فعند تطبيق قوة شد، تصطف الألياف داخل المادة المركبة في اتجاه القوة المطبقة، مما يمنحها قوة الشد. أما مقاومة الضغط العالية فتعزى إلى خصائص التماسك والصلابة لنظام المصفوفة الأساسية. ويتمثل دور الراتنج في الحفاظ على استقامة الألياف ومنعها من الانبعاج.

تُعدّ المواد المركبة ذات أهمية بالغة لصناعة الطيران لأنها توفر قوة هيكلية تُضاهي قوة السبائك المعدنية، ولكن بوزن أخف. وهذا بدوره يُحسّن من كفاءة استهلاك الوقود وأداء الطائرة. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

الألياف الزجاجية هي أكثر المواد المركبة شيوعًا، وتتكون من ألياف زجاجية مغمورة في مادة راتنجية. استُخدمت الألياف الزجاجية على نطاق واسع لأول مرة في خمسينيات القرن الماضي في صناعة القوارب والسيارات. كما استُخدمت لأول مرة في طائرة بوينغ 707 النفاثة في نفس الفترة، حيث شكلت حوالي 2% من هيكلها. وشهد كل جيل جديد من طائرات بوينغ زيادة في نسبة استخدام المواد المركبة، وبلغت أعلى نسبة 50% في طائرة 787 دريملاينر .

تُعدّ طائرة بوينغ 787 دريملاينر من أوائل الطائرات التجارية التي صُنعت عناصرها الهيكلية الرئيسية من مواد مركبة بدلاً من سبائك الألومنيوم. ^{[ 1 ]} وقد شهدت هذه الطائرة تحولاً من استخدام مركبات الألياف الزجاجية التقليدية إلى مركبات الكربون المتقدمة، مثل صفائح الكربون ومركبات الكربون المركبة. وواجهت الطائرة مشاكل في صندوق جناح دريملاينر، تُعزى إلى عدم كفاية صلابة المواد المركبة المستخدمة في تصنيعه. ^{[ 1 ]} وقد أدى ذلك إلى تأخير في مواعيد التسليم الأولية للطائرة. ولحل هذه المشاكل، قامت بوينغ بتعزيز صلابة صناديق الأجنحة بإضافة دعامات جديدة إلى الصناديق المصنعة مسبقاً، مع تعديل صناديق الأجنحة التي ستُستخدم في الطائرات المستقبلية. ^{[ 1 ]}

وُجد صعوبة في نمذجة أداء الأجزاء المصنوعة من المواد المركبة بدقة باستخدام المحاكاة الحاسوبية نظرًا لطبيعة المادة المعقدة. غالبًا ما تُرصّ المواد المركبة فوق بعضها لزيادة قوتها، لكن هذا يُعقّد مرحلة الاختبار قبل التصنيع، حيث تتجه الطبقات في اتجاهات مختلفة، مما يجعل من الصعب التنبؤ بكيفية أدائها عند الاختبار. ^{[ 1 ]}

يمكن أيضًا إجراء اختبارات الإجهاد الميكانيكي على الأجزاء. تبدأ هذه الاختبارات بنماذج مصغرة، ثم تنتقل تدريجيًا إلى أجزاء أكبر من الهيكل، وأخيرًا إلى الهيكل الكامل. توضع الأجزاء الهيكلية في آلات هيدروليكية تقوم بثنيها ولفها لمحاكاة إجهادات تتجاوز بكثير أسوأ الظروف المتوقعة في الرحلات الجوية الحقيقية.

يُعدّ تقليل الوزن الميزة الأبرز لاستخدام المواد المركبة، وهو أحد العوامل الرئيسية في قرارات اختيارها. تشمل المزايا الأخرى مقاومتها العالية للتآكل ومقاومتها للتلف الناتج عن الإجهاد. تُسهم هذه العوامل في خفض تكاليف تشغيل الطائرة على المدى الطويل، مما يُحسّن كفاءتها. تتميز المواد المركبة بإمكانية تشكيلها بأي شكل تقريبًا باستخدام عملية القولبة، إلا أن هذا يُفاقم مشكلة النمذجة الصعبة أصلًا.

من أبرز عيوب استخدام المواد المركبة أنها مادة حديثة نسبياً، وبالتالي فهي باهظة الثمن. ويعزى ارتفاع التكلفة أيضاً إلى عملية التصنيع التي تتطلب عمالة كثيفة وغالباً ما تكون معقدة. كما يصعب فحص المواد المركبة بحثاً عن العيوب، فضلاً عن أن بعضها يمتص الرطوبة.

على الرغم من أن الألومنيوم أثقل وزناً، إلا أنه سهل التصنيع والإصلاح. يمكن ثنيه أو ثقبه ويبقى متماسكاً. أما المواد المركبة فليست كذلك؛ فإذا تضررت، تتطلب إصلاحاً فورياً، وهو أمر صعب ومكلف.

يعتمد استهلاك الوقود على عدة عوامل، منها: وزن الطائرة الجاف، ووزن الحمولة، وعمر الطائرة، وجودة الوقود، وسرعة الطيران، والطقس، وغيرها. ويُخفَّض وزن مكونات الطائرات المصنوعة من المواد المركبة بنسبة 20% تقريبًا، كما هو الحال في طائرة 787 دريملاينر. ^{[ 4 ]}

سيتم أدناه إجراء حساب نموذجي لإجمالي وفورات الوقود مع تخفيض الوزن الفارغ بنسبة 20٪ لطائرة إيرباص A340-300.

تم الحصول على قيم العينة الأولية لهذه الدراسة من مصدر خارجي. ^{[ 5 ]}

منح:

• الوزن الفارغ التشغيلي (OEW): 129,300 كجم
• أقصى وزن بدون وقود (MZFW): 178,000 كجم
• أقصى وزن للإقلاع (MTOW): 275,000 كجم
• أقصى مدى عند أقصى وزن: 10,458 كم

يمكن حساب الكميات الأخرى من الأرقام المذكورة أعلاه:

• الحد الأقصى لوزن الحمولة = MZFW - OEW = 48,700 كجم
• أقصى وزن للوقود = الوزن الأقصى للإقلاع - الوزن الأقصى بدون وقود = 97,000 كجم

لذا، يمكننا حساب استهلاك الوقود بالكيلوغرام/كم بناءً على أقصى وزن للوقود وأقصى مدى = 97,000 كجم / 10,458 كم = 9.275 كجم/كم

فيما يلي حساب التوفير المتوقع في الوقود مع تخفيض الوزن بنسبة 20%، والذي سيؤدي فقط إلى تقليل قيمة الوزن الأصلي للطائرة بنسبة 20%:

• OEW(new) = 129,300kg * 0.8 = 103,440kg، وهو ما يعادل توفيرًا في الوزن قدره 25,860kg.

بافتراض ثبات وزن الحمولة والوقود:

• الوزن الصافي للوقود (الجديد) = الوزن الصافي للوقود - 25,680 كجم = 152,320 كجم
• الوزن الأقصى للإقلاع (الجديد) = الوزن الأقصى للإقلاع - 25,680 كجم = 249,320 كجم

كتلة الوقود البالغة 97000 كجم لها وزن إقلاع أقصى منخفض للتعامل معه، وبالتالي سيكون لها مدى متزايد لأن الوزن الأقصى والمدى الأقصى كميتان متناسبتان عكسيًا.

استخدام النسب البسيطة لحساب المدى الجديد:

249،320كز275،٠٠٠كز=10،458كمXكم

حل المعادلة لإيجاد قيمة X يعطي نطاقًا جديدًا من القيم التالية:

• س = 11,535.18 كم

وهذا يعطي قيمة جديدة لاستهلاك الوقود مع الوزن المخفّض = 97,000 كجم / 11,535.18 كم = 8.409 كجم/كم

ولتوضيح ذلك، على مدى رحلة طولها 10000 كيلومتر ، سيكون هناك توفير تقريبي في الوقود يبلغ 8660 كيلوغرامًا مع انخفاض بنسبة 20٪ في الوزن الفارغ.

هناك تحول متزايد نحو الهندسة الخضراء ، حيث يولي مجتمعنا المعاصر اهتماماً متزايداً بالبيئة، وينطبق هذا أيضاً على صناعة المواد المركبة.

كما ذُكر سابقًا، تتميز المواد المركبة بخفة وزنها وقوة مماثلة للمواد الأثقل. عند نقل المواد المركبة الأخف وزنًا، أو استخدامها في تطبيقات النقل، يكون الأثر البيئي أقل مقارنةً بالبدائل الأثقل. كما أن المواد المركبة أكثر مقاومة للتآكل من المواد المعدنية، مما يعني أن الأجزاء ستدوم لفترة أطول. ^{[ 7 ]} تجتمع هذه العوامل لتجعل المواد المركبة بدائل جيدة من الناحية البيئية.

تُصنع المواد المركبة التقليدية من ألياف وراتنجات مشتقة من البترول، وهي غير قابلة للتحلل الحيوي بطبيعتها. ^{[ 8 ]} يُمثل هذا مشكلة كبيرة، إذ ينتهي المطاف بمعظم هذه المواد في مكبات النفايات عند انتهاء دورة حياتها. ^{[ 8 ]} تُجرى حاليًا أبحاث مكثفة على المواد المركبة القابلة للتحلل الحيوي والمصنوعة من الألياف الطبيعية. ^{[ 9 ]} سيُحدث اكتشاف مواد مركبة قابلة للتحلل الحيوي، يُمكن تصنيعها بسهولة وعلى نطاق واسع، وتتمتع بخصائص مشابهة للمواد المركبة التقليدية، ثورة في العديد من الصناعات، بما في ذلك صناعة الطيران.

يُعدّ إعادة تدوير الأجزاء المستعملة من الطائرات الخارجة عن الخدمة خيارًا بديلًا لدعم الجهود البيئية. وتُعتبر عملية "تفكيك" الطائرات عملية معقدة ومكلفة، ولكنها قد توفر على الشركات المال نظرًا لارتفاع تكلفة شراء قطع الغيار الجديدة. ^{[ 6 ]}

تُبذل جهودٌ حثيثة في وكالة ناسا لتطوير مواد مركبة خفيفة الوزن وعالية الحرارة لاستخدامها في صناعة أجزاء الطائرات. وتشير الحسابات الأولية إلى أن درجات حرارة مداخل التوربينات في محرك تجريبي قد تصل إلى 1650 درجة مئوية. ^{[ 3 ]} ولتمكين هذه المواد من تحمّل هذه الدرجات، لا بد من استخدام مركبات المصفوفة الخزفية (CMCs). كما أن استخدام هذه المركبات في المحركات المتطورة سيُتيح رفع درجة حرارة تشغيل المحرك، مما يُؤدي إلى زيادة الإنتاجية. ^{[ 10 ]} ورغم أن مركبات المصفوفة الخزفية تُعدّ مواد هيكلية واعدة، إلا أن تطبيقاتها محدودة بسبب نقص مواد التقوية المناسبة، وصعوبات التصنيع، وقصر عمرها الافتراضي، وتكلفتها.

يُعدّ حرير العنكبوت مادة واعدة أخرى لاستخدامها في المواد المركبة. يتميز حرير العنكبوت بمرونة عالية، مما يسمح بتمديد الألياف حتى 140% من طولها الطبيعي. ^{[ 11 ]} كما يحافظ حرير العنكبوت على قوته في درجات حرارة منخفضة تصل إلى -40 درجة مئوية. ^{[ 11 ]} هذه الخصائص تجعل حرير العنكبوت مثاليًا للاستخدام كمادة ليفية في إنتاج مواد مركبة مرنة تحافظ على قوتها حتى في درجات الحرارة غير الطبيعية. ستكون المواد المركبة المرنة مفيدة للطائرات في الأجزاء التي تتعرض لإجهادات متغيرة، مثل وصلة الجناح بجسم الطائرة الرئيسي. ستسمح القوة والمتانة والمرونة المتزايدة لهذه المواد المركبة بتطبيق إجهادات أكبر على الجزء أو الوصلة قبل حدوث انهيار كارثي. تتميز المواد المركبة المصنوعة من حرير العنكبوت الاصطناعي أيضًا بميزة أن أليافها قابلة للتحلل الحيوي.

لقد بُذلت العديد من المحاولات غير الناجحة لإعادة إنتاج خيوط العنكبوت في المختبر، ولكن لم يتم تحقيق إعادة التركيب المثالية حتى الآن. ^{[ 12 ]}

يُعدّ الفولاذ المقاوم للصدأ مادة واعدة أخرى، إذ يُصنع مستوحى من المواد المركبة والألياف النانوية والخشب الرقائقي. تُصنع صفائح الفولاذ من نفس المادة، ويمكن تشكيلها ومعالجتها بنفس طريقة الفولاذ التقليدي، لكنها أخف وزنًا بنسبة معينة مع الحفاظ على نفس القوة. وهذا يُعدّ ذا قيمة خاصة في صناعة السيارات. شركة لاميرا السويدية، الحاصلة على براءة اختراع قيد الانتظار، هي شركة منبثقة عن أبحاث أجرتها شركة فولفو للصناعات.

بفضل نسب قوتها إلى وزنها العالية، تتمتع المواد المركبة بميزة على المواد المعدنية التقليدية؛ مع ذلك، فإن تصنيعها مكلف حاليًا. ولن تتمكن هذه المادة الحديثة نسبيًا من استبدال السبائك المعدنية التقليدية بشكل كامل حتى يتم ابتكار تقنيات لخفض تكاليف التنفيذ الأولية ومعالجة مشكلة عدم قابلية المواد المركبة الحالية للتحلل الحيوي.