پلاستیک و طراحی eVTOL

پلیمرها پرواز می‌کنند؛ چگونه پلاستیک ها از طراحی eVTOLاستفاده می‌کنند؟

هواپیماهای eVTOL یک قدم مهم به جلو برای توسعه شهری است اما موفقیت آنها به یک چالش مهم وابسته است: کاهش وزن. پلیمرها و کامپوزیت‌های پیشرفته موادی هستند که این امکان را فراهم می‌کنند. برخاست و فرود عمودی الکتریکی (eVTOL) از طرح‌های مفهومی گرفته تا نمونه‌های اولیه عملکردی: آنها حمل و نقل آرام و کاهش ردپای کربن را تضمین می‌کنند درحالی که سیستم‌های پیشرانه و باتری اغلب بر تعاملات جامعه حاکم هستند، موفقیت این بخش جدید توسعه به همان اندازه به موادی که این هواپیما را در کنار هم نگه می‌دارند متکی است. پلیمرها و کامپوزیت‌های پلیمری به عنوان فعال کننده طراحی eVTOL درحال ظهور هستند و باعث کاهش وزن، ایمنی، تولید و پایداری می‌شوند که فلزات به تنهایی نمی‌توانند آنها را برآورده کنند.

کاهش وزن ازطریق پلیمرهای پیشرفته

وزن عامل تعیین کننده برای محدوده، بار و کارآیی در پرواز برقی است. پلیمرهای پیشرفته تراکم را در محدوده 1.1-1.6 گرم در سانتیمتر مربع، بسیار پایین‌تر از آلومینیوم با سرعت 2.7 گرم در سانتیمتر مربع، در حالی که دارای خواص مکانیکی هستند، به ارمغان می‌آورند. پلیمرهای با کارایی بالا مانند پلی آمید-ایمید (PAI)، پلی اتر اترکتون (PEEK)، پلی اتریمید (PEI) و پلی آمیدها قدرت، سفتی و مقاومت در برابر گرما را که مطابق با استانداردهای هوافضا هستند، ارائه می‌دهند. به عنوان مثال، PAI در Torlon® بالاتر از 250 مگاپاسکال را حفظ می‌کند و بدون از دست دادن ثبات در دمای 260 درجه سانتیگراد کار می‌کند.

PEEK استحکام کششی در حدود 150 مگاپاسکال را با خستگی و مقاومت شیمیایی ترکیب کرده و آن را برای براکت‌ها و محفظه‌های بار مناسب می‌سازد. پلی آمیدهایی مانند Vespel® در برابر دمای بالاتر از 480 درجه سانتیگراد، پشتیبانی از پیشرانه و ادغام سیستم‌های باتری مقاومت می‌کنند. کامپوزیت‌های ترموپلاستیک هنگامی که با الیاف کربن تقویت شوند، به نسبت‌های سفتی به وزن مناسب برای ساختارهای اولیه می‌رسند.

نقش پلیمرها در سیستم‌های کابین

محیط کابین مجموعه متفاوتی از چالش‌ها را نشان می‌دهد که پلیمرها در آن نقش مهمی برعهده دارند. شفافیت و ایمنی بایستی در محیط کابین و مسافران تضمین شود و بنابراین پلی کربنات گرید سبک برای این کار مناسب است. این مقاومت در برابر ضربه تا 200 برابر بیشتر از شیشه است و وزن لعاب را نیز 30 تا 50 درصد کاهش می‌دهد. پلی کربنات هوافضا همچنین با استانداردهای دقیق شعله، دود و سمیت مانند 25.853 تا حدودی مطابقت دارد و باعث می‌شود آنها برای کابین‌های مسافربری قابل دوام باشند. در داخل هواپیما، فوم‌های سبک پلی یورتان یا سیلیکون نقش مهمی در میرایی آکوستیک دارند و همچنین باعث کاهش نویز کابین 10-15 دسی بل در محدوده فرکانس تیغه‌های روتور می‌شوند. همچنین ترموپلاستیک مهندسی در سیستم‌های یکپارچه که پلی آمیدهای مقاوم به شعله می‌توانند آلومینیوم را جایگزین کنند کاربرد دارد.

نقش پلیمر در حفاظت از باتری و مدیریت حرارتی

سیستم‌های ذخیره سازی انرژی به نوآوری‌های پلیمری جدید دارند زیرا عملکرد، ایمنی و تولید همه باید در حمل و نقل هوایی برقی متعادل شوند. بنابراین، طراحان به طور فزاینده‌ای از ترموپلاستیک تقویت شده با فیبر برای محفظه‌های باتری استفاده می‌کنند زیرا آنها هندسه‌های پیچیده مانند کانال‌های خنک کننده را که مستقیم در سازه‌ها شکل می‌گیرند، امکان پذیر می‌سازد. این ادغام علاوه بر کاهش مراحل مونتاژ، وزن کلی را کاهش داده و همزمان عملکرد آن را تضمین می‌کند. با این حال، از این طریق موجب افزایش کارایی و ایمنی مسافر خواهد شد. علاوه براین، فیلم‌های پلی آمید به عنوان جداکننده‌های دی الکتریک در باتری‌های ولتاژ بالا عمل کرده و یکپارچگی ساختاری و الکتریکی را در دمای بالاتر از 200 درجه سانتیگراد حفظ می‌کنند.

علاوه براین، فوم‌های مبتنی بر سیلیکون و یورتان موانع محافظتی را ایجاد می‌کنند در حالی که هم مقاومت در برابر محدوده دمایی بالا را حفظ می‌کنند و هم لرزش و ضربه را به خوبی جذب خواهند کرد.

پلیمرها و مقیاس پذیری ساخت

تغییر از هوافضا سنتی به تحرک هوافضای شهری نیز نیاز به تجدید نظر در روش‌های تولید دارد. تولید کنندگان تولید هواپیماهای معمولی را در صدها واحد در سال اندازه گیری می‌کنند در حالی که برنامه‌های eVTOL هزاران نفر را هدف قرار می‌دهند. پلیمرها و کامپوزیت‌های ترموپلاستیک با تکیه بر قالب گیری فشرده و قالب گیری تزریقی که زمان چرخه را درمقایسه با زمان مورد نیاز برای ترموست کاهش می‌دهد، با این مقیاس صنعتی هماهنگ هستند. ترموپلاستیک همچنین قابلیت جوشکاری و پردازش مجدد را دارد که هم پیچیدگی مونتاژ را کاهش می‌دهد و هم مسیرهای بازیافت را امکان پذیر می‌سازد که کامپوزیت‌های ترموست فاقد آن هستند.

 تمام مواد مورد استفاده در کابین و اجزای ساختاری باید از استانداردهای شعله، دود و سمیت عبور کنند. محققان پلیمرهای با کارایی بالا را با مقاومت ذاتی شعله تدوین می‌کنند که اغلب به محدود کردن شاخص‌های اکسیژن بالاتر از 35  درصد دست می‌یابند که موجب کاهش اعتماد به مواد افزودنی هالوژنه می‌شود.

یکی از چالش‌هایی که پلیمرها در این مسیر با آن مواجه هستند، تحمل خسارت است. در ارتفاعات کم در شهرها، eTVOL باید در برابر اثرات پرندگان یا بقایای روتور مقاومت کند. ترموپلاستیک فیبر کربن از این نظر عملکرد بهتری از ترموست دارد زیرا تا 30 درصد چقرمگی با عملکرد بیشتر از خود نشان می‌دهد که باعث افزایش مقاومت در محیط‌های عملیاتی شهری می‌شود. فراتر از بهبود عملکرد، پلیمرها همچنین به دستیابی به اهداف پایداری هواپیمایی برقی کمک خواهند کرد. مواد مشتق شده از منابع زیستی مانند پلی آمیدها و PEEK ها، به کاهش ردپای کلی کربن کمک می‌کنند. علاوه براین، برخی از ترموپلاستیک‌ها برای بازیافت نسبت به آلومینیوم به انرژی بسیار کمتری نیاز دارند به طوری که تا 95 درصد انرژی بیشتر در هر کیلوگرم مصرف می‌کند.

باوجود بیش از ده‌ها توسعه دهنده که قبل از سال 2030 برای راه اندازی تجاری آماده می‌شوند، بازار eVTOL در یک مسیر رشد خیره کننده قرار دارد. براساس بینش جهانی بازار، ارزش بازار جهانی از 772 میلیون دلار در سال 2024 به 11.75 میلیارد دلار تا سال 2034 افزایش می‌یابد و این نشان دهنده نرخ رشد سالانه مرکب (CAGR) تا 31.4 درصد است. به طور کلی، این توسعه سریع بر ضرورت و مقیاس مورد نیاز برای تولید این وسایل نقلیه تاکید می‌کند. پلیمرها از مؤلفه‌های ثانویه به نقش‌های ساختاری، ایمنی و قابل بازیافت روی آورده‌اند. از آنجا که eTVOL ها به آسمان بالای شهرهای ما می‌رسند، پلاستیک‌ها به اندازه باتری‌ها و روتورهایی که آنها را بالا می‌برند، برای موفقیت آنها ضروری خواهند بود.

با این حال، بهتر است نقش پلیمرها در صنعت هوافضا که انقلابی در طراحی، عملکرد و بهره ‌وری به شمار می‌روند، را باهم بررسی کنیم. صنعت هوافضا یکی از پیشرفته ‌ترین و چالش ‌برانگیزترین حوزه‌های مهندسی است که نیازمند مواد با عملکرد بالا، وزن کم، مقاومت حرارتی و مکانیکی بالا و قابلیت شکل ‌پذیری دقیق است. در این میان، پلیمرها و کامپوزیت‌های پلیمری به عنوان مواد نوین، جایگاه ویژه‌ای در طراحی و ساخت تجهیزات هوایی و فضایی پیدا کرده‌اند. استفاده از پلیمرها نه ‌تنها موجب کاهش وزن سازه‌ها می‌شود بلکه عملکرد حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی و ایمنی را نیز بهبود می‌بخشد. از مهم ترین ویژگی‌های پلیمرها در هوافضا می‌توان به این موارد اشاره کرد:

1. وزن پایین و نسبت استحکام به وزن بالا: پلیمرهایی مانند PEEK و کامپوزیت‌های تقویت ‌شده با فیبر کربن تا ۷۰ درصد سبک‌تر از فولاد و ۳۰–۵۰ درصد سبک‌تر از آلومینیوم هستند. این ویژگی باعث کاهش مصرف سوخت و افزایش ظرفیت حمل بار می‌شود.

2. مقاومت حرارتی بالا: پلیمرهایی مانند پلی ‌آمیدها و PEEK می‌توانند دماهای بالا تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کنند. این ویژگی در قطعاتی مانند محفظه‌های موتور، عایق‌های حرارتی و پوشش‌های کابل بسیار حیاتی است.

3. مقاومت در برابر شعله و دود: در هوانوردی تجاری، مواد داخلی هواپیما باید با استانداردهای سختگیرانه اشتعال‌ پذیری و سمیت مطابقت داشته باشند. پلیمرهای خاص مانند PPS و PEI این الزامات را به خوبی برآورده می‌کنند.

4. مقاومت در برابر خوردگی و تنش‌های مکانیکی: پلیمرها در برابر عوامل خورنده مانند رطوبت، نمک و مواد شیمیایی مقاوم هستند و در شرایط سخت محیطی عملکرد پایداری دارند.