مواد و فلزات هوافضایی

[حسنعلی ابراهیمی سعید]

طراحان وسایل هوافضایی همیشه سعی می کنن هواپیما یا هر وسیله پروازی دیگه ای رو سبک طراحی کنن البته با استحکام بسیار زیاد! چون وزن کم باعث میشه قابلیت های هواپیما بالا بره. مثلا اگر هواپیما مسافربری یا باربری باشه هر مقدار که وزن سازه بیاد پایین به همان مقدار مسافر یا بار بیشتری میشه برای هواپیما در نظر گرفت. البته این کاهش وزن تا میزان مشخصی امکان پذیره چون ایمنی سازه یا هواپیما خیلی مهمه و هواپیما مثل بقیه وسایل نقلیه نیست که اگه مشکلی براش پیش با ایمنی کامل توقف کنه. به همین دلیل هر نقص کوچکی در سازه هواپیما میتونه به یک حادثه منجر بشه و خطرات جانی داشته باشه. مثلا چند سال پیش دماغه یک هواپیما اف-۱۵ ایگل آمریکایی در حین پرواز و به دلیل نقص سازه و فشار های وارده، ناگهان از بدنه جدا شد و خلبان آن سریعا اجکت کرد و نجات یافت. شاید در نگاه اول بنظر برسه که ممکنه طراحی سازه آن قسمت مشکل داشته و این کاملا درسته اما انتخاب جنس فلز یا آلیاژ بکار رفته نیز از اهمیت زیادی برخورداره. به همین دلیل طراحی سازه و همچین انتخاب موادی که سازه وسایل هوافضایی از آن ها ساخته میشن بسیار مهمه چون این سازه قراره که سالهای زیادی با ایمنی کامل تحت اثر نیروها و فشارها و شرایط پروازی مختلفی قرار بگیره.



انواع مختلفی از فلزات، آلیاژها و مواد غیر فلزی مانند مواد مرکب در صنایع هوایی و فضایی و در اجزاء سازه ای هواپیماها، بالگردها، موشک ها، ماهواره ها، فضاپیماها و … مورد استفاده قرار می گیره. با پیشرفت علوم متالوژی و مواد، جنس سازه های هوایی هم تغییرات زیادی کرده. مهمترین فلزات و آلیاژ های سازه های هوایی را می توانیم به صورت زیر تقسیم بندی کنیم:

• فولاد ها

• آلیاژهای آلومینیوم

• آلیاژهای تیتانیوم

• آلیاژهای نیکل، منیزیم، کبالت، برلیم، نیوبیم، تانتالیم، مولیبدم، تنگستن، وانادیم، زیرکنیوم و سوپر آلیاژها

نام بعضی از این آلیاژها ممکنه کمی جالب و جدید بنظر برسه اما در واقع همگی این آلیاژها در سازه های هوافضایی بکار میرن. البته درصد استفاده از آلومینیوم، تیتانیوم و فولاد بسیار بیشتر از سایر فلزهاست و آلیاژهای خاص در جاهای خاصی مثل اجزاء داخل موتور مورد استفاده قرار میگرن. چون داخل موتورهای جت به خاطر احتراق، دما خیلی بالا میره و هر فلزی قابلیت تحمل دما و فشار را در مدت زمان زیاد نداره.




در نگاه اول ممکنه سازه وسایل پرنده فلزی بنظر برسه اما مواد مرکب یا کامپوزیت هم کاربرد بسیار زیادی در سازه ها داره. این گونه مواد ابتدا در هواپیماها مورد استفاده قرار گرفتن یا به عبارت دیگه در صنعت هواپیماسازی متولد شدن. امروزه کامپوزیت ها به طور زیادی در سازه وسایل هوافضایی استفاده میشن. مهمترین خاصیت این مواد وزن بسیار پایین و استحکام بسیار زیاده و این یک اصل مهم در مهندسی سازه است.




در ادامه این درس قصد داریم با مواد بکار رفته در ساخت سازه وسایل هوافضایی بیشتر آشنا بشیم. اینکه معمولا از چه جنسی ساخته میشن و دلیل این انتخاب چیست؟





همونطور که می دونید قسمت های اصلی سازه یک هواپیما شامل بال، بدنه، دم، ارابه فرود، اجزای متحرک و سطوح کنترله. این قسمت ها هم از اجزا مختلفی تشکیل شدن که در درس آشنایی با سازه وسایل هوافضایی در موردشون صحبت شد و در ادامه مواد و فلزاتی که در ساختشون بکار میره رو با هم بررسی می کنیم.





اسکلت هواپیما (بالها، دم ها و بدنه):

• کاربرد آلومینیوم: در حال حاضر متداول ترین ماده ی مورد استفاده در سازه ی هواپیماها، آلیاژهای آلومینویمه که آلیاژ سبک هم نامیده میشه. استحکام آلیاژهای سازه ای بین شش تا هشت برابر استحکام آلومینیوم خالصه. روش های ساخت آلیاژهای آلومینیوم ابتدا در جنگ جهانی اول کشف شد. استحکام کششی آلیاژ سبک تقریبا یک سوم فولاده. جالبه که وزن هم یک سوم فولاد است و اصلی ترین کاربردش در اجزای خمشی (مثل تیرک اصلی بال) و اجزای فشاریه . مهمترین مزایای آلیاژ های آلومینویم وزن پایین تولید آن به شکل های مورد نظر و دارای کارپذیری بالاست. مهمترین عیب آن در کاربردهای ذکر شده، مقاومت کم در برابر خستگی (اعمال نوسانی نیرو) می باشد. دمای بالا هم تاثیر منفی رو استحکام اغلب مواد داره و آلومینیوم نیز از آن مستثنی نیست و اگر هواپیما سرعت بالا باشه دیگه نمیشه آلومینیوم در بدنه آن استفاده کرد.

• کاربرد فولاد: وزن بالای فولاد باعث محدود شدن کاربردش در اسکلت هواپیما شده اما با این وجود کاربرد زیادی در بعضی از قسمت های اسکلت هواپیما داره و در گذشته دیده شده تیرک اصلی و قسمت های دیگر مانند پوسته از انواع مختلف فولاد ساخته شده.

• کاربرد تیتانیوم: آلیاژهای تیتانیوم مواد مستحکمی هستن گرچه وزنشان از آلیاژهای آلومینیوم بیشتره اما در بعضی موارد جایگزین خوبی بوده اند. تیتانیوم تقریبا ۹% وزن سازه ی هواپیمای بویینگ رو به خودش اختصاص داده. تیتانیوم ها گاهی برای جلوگیری از رشد ترک استفاده میشن. مثلا به صورت یک نوار یا حلقه باریک بروی اسکلت آلومینیومی بدنه قرار می گیرن تا از بزرگ شدن ترک ها جلوگیری کنن. جالبه بدونید برای ساخت قاب پنجره های کابین خلبان به دلیل شرایط خاص مثل برخورد پرندگان، از آلیاژهای آلومینیوم استفاده میشه. معمولا از آلیاژهای تیتانیوم به دلیل مشکلات فنی و اقتصادی، برای ساخت پوسته یا قسمت خارجی بدنه استفاد نمیشه. کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در هواپیماهای جنگنده بسیار بیشتر از سایر هواپیماهاست و معمولا در ساخت اجزایی استفاده میشه که بیشترین تنش بر آنها وارد میشه. در هواپیماهایی مثل سی-۱۷، اف-۲۲، اف-۳۵ و اف-۱۸ به صورت گسترده ای از این فلز استفاده شده. تیتانیوم کاربرد فضایی هم داره و در ساخت فضاپیماهای قدیمی آپولو و مرکوری به طور گسترده از تیتانیوم استفاده شده بود در حال حاضر هم ناسا در بسیاری از سامانه های فضایی از تیتانیوم استفاده میکنه. مخازن سوخت موشک ها و سازه ماهواره هم بخش دیگری از کاربردهای تیتانیومه.

• کاربرد مواد مرکب یا همان کامپوزیت ها: کامپوزیت به سازه یا ماده ای گفته میشه که از چند نوع ماده مختلف ترکیب شده که استحکام سازه یا قطعه ساخته شده از استحکام مواد یا اجزاء تشکیل دهندش بسیار بالاتره. این مواد انواع مختلفی مثل کامپوزیت های زمینه پلیمری، زمینه فلزی و زمینه سرامیکی تشکیل میشن که نوع پلیمری آن بیشترین کاربرد رو در هوافضا داره. کامپوزیت ها مواد نسبتا جدیدی در صنعت هوافضا به شمار میرن و به علت نسبت استحکام به وزن بالا، توجه ویژه مهندسین سازه رو به خودشون جلب کردن. قطعات ساخته شده از این مواد در قسمت های مختلف وسایل پرنده به کار میره و حتی بعضی از وسایل پرنده مثل هواپیماهای سبک و حتی بعضی از پهپادها به طور کامل از مواد مرکب ساخته میشن. کامپوزیت های زمینه پلیمری، عموما مواد از دو بخش اصلی الیاف (تقویت کننده) و رزین (زمینه) تشکیل میشن. الیاف ها مانند پارچه هستن و از جنس های مختلفی مثل شیشه، کربن، کولار و … ساخته میشن. رزین ها هم مانند یک چسب مایع هستن که انواع مختلفی مثل اپوکسی، پلی استر و … دارن که اپوکسی ها به دلیل ویژگی های مطلوب، اولین انتخاب برای ساخت کامپوزیت های هوافضایی هستن. اصول کلی ساخت قطعات به این صورته که الیاف یا پارچه های آغشته شده به رزین درون قالب قرار می گیره و پس از اینکه رزین اصطلاحا خشک شد، الیاف به شکل قالب در می آید و قطعه تولید مورد نظر تولید میشه. البته این روش ساخت یک بخش ساده و بسیار کوچک از دنیای بزرگ ساخت مواد مرکبه. آزمایش های مختلفی هم بروی قابلیت های مواد کامپوزیت انجام شده. به عنوان مثال مهندسان سازه شرکت بوئینگ در یکی از کارای تحقیقاتیشون ۱۱۰۰۰ قطعه فلزی یک بالگرد را با ۱۵۰۰ قطعه یکپارچه کامپوزیتی تعویض کردن و نتیجه بسیار اثر بخش بود. جالبه بدونید ۵۰ % از سازه هواپیمای جدید بویینگ ۷۸۷ از مواد مرکب ساخته شده!

• کاربرد سایر مواد: گاهی در بعضی از قسمت های اسکلت هواپیما، محل های خاص با شرایط خاص وجود داره، به عنوان مثال اتصالات. بنابراین ممکنه سایر مواد نیز در ساخت سازه اسکلت هواپیما بکار گرفته بشه اما مقدار آن بسیار محدود است.

موتورها (جت، موشک و …)





خصوصیت اصلی سازه موتورها، تحمل دماهای زیاده. استحکام فلزها در برابر حرارت بشدت کاهش پیدا میکنه بنابراین انتخاب جنس سازه بسیار مهمه. معمولا از سوپر آلیاژها و برخی از آلیاژهای فولاد، تیتانیوم و … در ساخت انواع موتورها و اجزا مرتبطشون استفاده میشه. سوپرآلیاژه به آلیاژهایی گفته می شود که حداقل یکی از عناصر نیکل، کبالت، تیتانیوم و یا آهن غنی در آنها بکار رفته باشه. این آلیاژها می تونن ساختارشون رو در دماهای بالا و محیط های خورنده حفظ کنن. سوپرآلیاژها انواع مختلفی مثل اینکونل ها، هاستلون، نایمونیک مونل و … دارن که هرکدوم دارای خاصیت های سازه خاص هستن.

منبع::::http://kohne_sarbaz_iran.rozblog.com/Forum/Post/559