نقش پلیمرهای مهندسی در هوافضا

از زمین تا مدار: نقش پلیمرها در کاربردهای هوافضای نسل بعدی

صنعت هوافضا همواره در پیشبرد مرزهای مواد پیشرو بوده است. با افزایش تقاضا برای هواپیماها و فضاپیماهای سبک ‌تر، سریع ‌تر و کارآمدتر نقش پلیمرهای با کارایی بالا به منظور مقابله با این چالش‌های روبه تحول، ضروری به نظر می‌رسد.

از پرتاب محموله‌ها به مدار گرفته تا امکان پرواز مافوق صوت و حمل و نقل هوایی، پلیمرها به روش‌هایی مورد استفاده قرار می‌گیرند که فلزات سنتی به سادگی نمی‌توانند با آنها رقابت کنند. ازطرفی، ویژگی‌هایی همچون پایداری حرارتی، مقاومت در برابر شعله و کاهش وزن سازه نهایی توانسته است نحوه طراحی نسل بعدی هواپیماها و فضاپیماها توسط مهندسان هوافضا را تغییر دهد.

چالش‌های مهندسی هوافضا

محیط‌های هوافضا برخی از سخت ‌ترین شرایط قابل تصور را بر مواد تحمیل می‌کنند.

دماهای بسیار بالا: از سرمای بسیار پایین (منفی ۱۵۰ درجه سانتیگراد یا کمتر) تا گرمای سوزان ناشی از ورود مجدد به جو (بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد).

حساسیت به وزن: هر گرم از وزن قطعه نهایی یا هواپیما و فضاپیماها مهم است زیرا کاهش جرم، راندمان سوخت و ظرفیت حمل بار را بهبود می‌بخشد.

مقررات ایمنی: مواد باید استانداردهای سختگیرانه اشتعال ‌پذیری، دود و سمیت (FST) را رعایت کنند. اینجاست که پلیمرهای با کارایی بالا برتری پیدا می‌کنند.

چرا پلیمرها؟

1. مقاومت در برابر دمای شدید: پلیمرهایی مانند پلی‌ آمیدها و پلی ‌اتر اتر کتون (PEEK) می‌توانند دماهای مداوم ۲۵۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کنند و پیک‌های کوتاه مدت حتی بالاتر نیز هستند. پلی آمیدها در عایق بندی، پوشش سیم‌ها و پتوهای حرارتی در ماهواره‌ها و فضاپیماها استفاده می‌شوند. PEEK نیز یکپارچگی ساختاری خود را تحت تنش حرارتی بالا حفظ می‌کند و این امر آن را به یک ماده ایده آل در ساخت قطعات و محفظه‌های موتور تبدیل می‌کند.

2. کاهش وزن: پلیمرهای با کارایی بالا درمقایسه با فلزات، نسبت استحکام به وزن بالاتری دارند. به عنوان مثال PEEK و پلیمرهای تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) 70 درصد سبک تر از فولاد و ۳۰ تا ۵۰ درصد سبک ‌تر از آلومینیوم هستند. علاوه براین جایگزینی براکت‌ها، مجراها و پوشش‌های فلزی با کامپوزیت‌های پلیمری می‌تواند موجب صدها کیلوگرم صرفه جویی در وزن هر هواپیما شود که مستقیم به کاهش مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانه‌ای منجر خواهد شد.

3. مقاومت در برابر شعله: در هوانوردی تجاری، مواد مورد استفاده در فضای داخلی هواپیما باید ازنظر اشتعال پذیری، چگالی دود و سمیت با استاندارد FAR 25.853 مطابقت داشته باشند. پلیمرهایی مانند پلی اتر ایمید (PEI)، سولفید پلی فنیلن (PPS) و گریدهای PEEK دارای FST به گونه‌ای طراحی شده‌اند که این استانداردها را برآورده کرده یا از آنها فراتر روند. با این حال، این مواد درمعرض گرما یا شعله دارای معیارهای عملکرد خاصی بوده و آنها را برای ساخت پنل‌های داخلی، کانال‌ها و عایق کابل ایده‌آل می‌کنند.

در جدول زیر کاربرد پلیمرها در سیستم‌های پروازی به طور مختصر بیان شده است.

پلیمرهای با کارایی بالا همچنین در ماموریت‌های فضایی که در آنها مواد باید دوام بالایی داشته باشند، مانند قرارگیری درمعرض تشعشع و یا مقاومت در برابر ضربه ریزشهاب سنگ‌ها ضروری است. فیلم‌های پلی آمید در پنل‌های خورشیدی، پتوهای عایق چندلایه و بردهای مدار انعطاف پذیر استفاده می‌شوند. درهمین حال، کامپوزیت‌های ساخته شده از PEEK و PTFE در تولید یاتاقان‌ها برای مکانیزم‌های استقرار، آب ‌بندها و عایق‌ها در سیستم‌های پیشرانش کاربرد دارند.

آینده پلیمرها در صنعت هوافضا

باتوجه به پیشرفت سریع صنعت هوافضا، که توسط پروازهای تجاری، هواپیماهای برقی و وسایل نقلیه مافوق صوت هدایت می‌شود، علم مواد نیز باید همگام با این پیشرفت‌ها پیش برود. پلیمرهای با کارایی بالا نه تنها این نیازها را برآورده می‌کنند، بلکه آنها را قادر می‌سازند تا با پیشرفت‌های آینده در ساخت پلیمرهای خود ترمیم کننده، پلاستیک‌های رسانای حرارتی و کامپوزیت‌های هوافضای قابل بازیافت همچنان فراتر رفته و دنیای علم مواد را متحول کنند.

به طور خلاصه، از مقاومت حرارتی و بازدارندگی شعله گرفته تا صرفه جویی بی‌نظیر در وزن، پلیمرهای با کارایی بالا به ابزارهای ضروری در زرادخانه مهندسان هوافضا تبدیل می‌شوند. چه در پرواز با سرعت ۵ ماخ و چه در مدار زمین در ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری، این مواد به بشریت کمک می‌کنند تا فراتر، سریع تر و ایمن تر از همیشه پیش برود.