تولید مخزن موشک از پلیمر فیبر کربن

امکان ساخت مخازن موشک از پلاستیک تقویت‌ شده با فیبر کربن

به لطف تحقیقات پیشگامانه‌ای که در برنامه آماده ‌سازی پرتابگرهای آینده ESA انجام شده است، موشک‌های آینده می‌توانند با مخازن ساخته شده از پلاستیک تقویت ‌شده با فیبر کربن سبک پرواز کنند. شرکت هوافضای MT در آلمان، با تکیه بر مطالعات قبلی، طراحی جدیدی از یک مخزن کوچک ساخته شده از پلاستیک تقویت‌ شده با فیبر کربن (CFRP) منحصر به فرد را به نمایش گذاشته است که نه تنها در برابر هیدروژن مایع مقاوم است، بلکه بدون استفاده از آستر فلزی، با اکسیژن مایع نیز سازگار است.

مخزنی که صرفا از پلاستیک تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) ساخته شده باشد، بسیار سبک‌تر از فلز است و به قطعات کمتری نیاز دارد. بنابراین ساخت آن سریع‌تر و ارزان‌تر است. این یک دستاورد مهم است زیرا معمولا ذخیره ‌سازی پیشرانه‌های برودتی مانند اینها که تا دمای -253 درجه سانتیگراد سرد می‌شوند، به مخازنی با آستر فلزی نیاز دارد تا آنها را ضد نشت کند، چه با روکش کامپوزیتی و چه بدون آن.

شرکت MT در همین راستا، استحکام یک مخزن اکسید کننده در مقیاس کوچک ساخته شده از پلاستیک تقویت ‌شده با فیبر کربن را آزمایش کرد. هانس اشتاینینگر، مدیرعامل شرکت هوافضای MT توضیح داد "مخازن سوخت از عناصر حیاتی ایمنی در هر سیستم پیشرانش به شمار می‌روند. ما ثابت کرده‌ایم که یک مخزن تحت فشار با عملکرد بالا ساخته شده از CFRP می‌تواند در برابر تنش برودتی مقاومت کند. در آینده، بدون شک استفاده از مخازن با عملکرد بالای CFRP نه تنها پرتاب ایمن موشک را ممکن می‌سازد، بلکه می‌تواند از مزیت جرم بسیار کمتر در مقایسه با مخازن فلزی نیز بهره ببرد".

کیت آندرهیل، مدیر پروژه نمایش گرهای نسل دوم و پیشرانش در برنامه مقدماتی پرتابگرهای آینده در ESA گفت: "این یک گام فوق‌ العاده رو به جلو است. ما توانستیم یک کامپوزیت کربنی با روش پردازش بسیار خاص تولید کنیم که به ما امکان می‌دهد معماری‌ها و ترکیب‌های جدیدی از عملکردها را برای نسل دوم موشک در نظر بگیریم که با استفاده از فلز امکان‌ پذیر نیست. فلز در برابر نشت مقاوم است. برای ایجاد همین ویژگی با استفاده از کامپوزیت کربن، به بافت پیچیده‌ای از فیبر کربن سیاه و یک رزین مخصوص نیاز بود. این ماده در برابر دماهای برودتی، چرخه‌های فشار و مواد واکنش‌ پذیر در طی آزمایشات متعدد جداگانه مقاومت کرد".

پس از این آزمایشات "بطری"، به زودی نمونه‌های نمایشی مخزن کوچک با حفاظت حرارتی یکپارچه برای آزمایشات بیشتر ساخته خواهند شد. داده‌های جمع‌ آوری ‌شده به توسعه یک نمونه نمایشی در مقیاس کامل از یک نسل دوم بسیار بهینه‌ شده در آینده، به نام فوئبوس، کمک خواهد کرد. فوئبوس دارای مخازن هیدروژن و اکسیژن با قطر ۳.۵ متر، محافظ حرارتی، عناصر مونتاژ سازه‌ای و مجهز به فناوری‌های جدید در زمینه الکترونیک پروازی، سازه‌ها و تجهیزات پیشرانش خواهد بود. استفاده از CFRP در ساخت مخازن، سازه رابط بین دو مخزن و سیلندر خارجی که نمایانگر پوسته بیرونی نسل دوم است، خواهد بود.

نمونه آزمایشی فوئبوس با سیالات برودتی آزمایش خواهد شد تا عملکرد عملیاتی فناوری‌ها و روش‌های جدید تولید مقرون ‌به‌ صرفه به عنوان بخشی از قرارداد جدید برای پیشبرد توسعه نسل دوم بسیار بهینه ‌شده، تأیید شود. این یک نمونه عالی از چگونگی حمایت از فناوری‌های پیشرفته و بالغ است که منجر به پیشرفت‌های بزرگ می‌شود. به گفته دانیل نوینشواندر، مدیر حمل و نقل فضایی ESA، این ماده جدید سبک وزن مبتنی بر کربن، امکان ساخت پیشرفته موشک آریان ۶ که دو تن سبک‌تر است را فراهم می‌کند و این جرم به صورت رایگان برای حمل بار تولید خواهد شد. پروژه فوئبوس یک ابتکار مشترک توسط شرکت هوافضای MT در آلمان و گروه آریان باهدف اعتبارسنجی فناوری‌های کلیدی توسعه ‌یافته با پشتیبانی ESA از ماه مه ۲۰۱۹ است.

الیاف تقویت ‌شده با فیبر کربن در صنعت هوافضا: انقلاب سبک‌ وزن و مقاوم

در دنیای پیشرفته‌ هوافضا، هر گرم وزن اضافی می‌تواند تفاوتی چشمگیر در عملکرد، مصرف سوخت و ایمنی ایجاد کند. به همین دلیل، مهندسان همواره به دنبال موادی هستند که در عین سبک بودن، مقاومت و دوام بالایی داشته باشند. یکی از برجسته‌ ترین دستاوردهای مواد مهندسی در دهه‌های اخیر، کامپوزیت‌های تقویت ‌شده با فیبر کربن (CFRP) هستند که به ‌طور گسترده در ساخت هواپیماها، ماهواره‌ها، موشک‌ها و فضاپیماها استفاده می‌شوند.

ساختار و ویژگی‌های فیبر کربن

فیبر کربن از رشته‌های بسیار نازک کربن تشکیل شده که در یک ماتریس پلیمری (مانند اپوکسی) جاسازی می‌شوند. این ترکیب باعث ایجاد ماده‌ای با ویژگی‌های متمایز می‌شود همچون استحکام کششی بسیار بالا (چند برابر فولاد، اما با وزن بسیار کمتر)، چگالی پایین (مناسب برای کاهش وزن سازه‌های پروازی)، مقاومت در برابر خوردگی و حرارت (مناسب برای شرایط سخت جوی و فضایی) و خواص غیرایزوتروپیک (یعنی خواص مکانیکی آن در جهت الیاف متفاوت است، که امکان طراحی دقیق‌تری را فراهم می‌کند).

کاربردهای فیبر کربن در هوافضا

الیاف کربن در بخش‌های مختلف صنعت هوافضا به کار گرفته می‌شوند ازجمله

1. بدنه هواپیما: استفاده در بال‌ها، دم، بدنه اصلی و درب‌ها، کاهش وزن کلی هواپیما، افزایش بهره‌ وری سوخت و بهبود عملکرد آیرودینامیکی

2. قطعات داخلی: صندلی‌ها، پنل‌های داخلی، کف ‌پوش‌ها، افزایش راحتی و کاهش وزن بدون کاهش ایمنی

3. ماهواره‌ها و فضاپیماها: ساخت سازه‌های سبک و مقاوم در برابر تابش‌های کیهانی، حفظ عملکرد در دمای بالا و خلأ فضایی

4. موتورهای جت و توربین‌ها: استفاده در پره‌ها و محفظه‌ها برای تحمل فشار و دمای بالا

مزایای استفاده از CFRP در هوافضا

الیاف تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) دارای مزایای متعددی همچون کاهش وزن، کاهش مصرف سوخت و افزایش برد پروازی؛ افزایش دوام، مقاومت بالا در برابر خستگی و ضربه؛ انعطاف‌ پذیری طراحی، امکان طراحی سازه‌های پیچیده با خواص مکانیکی هدفمند؛ کاهش هزینه‌های نگهداری، مقاومت در برابر خوردگی و فرسایش؛ سازگاری با محیط، کاهش آلودگی صوتی و مصرف انرژی هستند اما با وجود این مزایای فراوان، استفاده از فیبر کربن در هوافضا با چالش‌هایی نیز همراه است ازجمله هزینه بالا (تولید فیبر کربن و فرآیند ساخت کامپوزیت‌ها گران است)، فرآیند تولید پیچیده (به تجهیزات خاص و کنترل دقیق دما و فشار نیاز دارد)، بازیافت دشوار (بازیافت CFRP هنوز به‌طور کامل صنعتی نشده است) و رفتار شکننده در شکست (برخلاف فلزات، کامپوزیت‌ها ممکن است به طور ناگهانی بشکنند).

کلام پایانی و سخن آخر

تحقیقات جدید در زمینه‌ نانوکامپوزیت‌ها، فیبرهای هیبریدی و رزین‌های هوشمند، آینده‌ی استفاده از CFRP در هوافضا را به خوبی اثبات کرده‌اند. شرکت‌های پیشرو در صنعت هوافضا مانند بوئینگ، ایرباس و اسپیس‌ ایکس به‌ طور گسترده از این مواد در طراحی‌های جدید خود بهره می‌برند. به طور کلی، الیاف تقویت ‌شده با فیبر کربن (CFRP) نقطه‌ی عطفی در تحول مواد سازه‌ای صنعت هوافضا هستند. با ترکیب بی‌نظیر وزن سبک، مقاومت بالا و قابلیت طراحی پیشرفته، این مواد نه‌ تنها عملکرد پرنده‌های هوایی را بهبود بخشیده‌اند، بلکه مسیر توسعه‌ فضاپیماهای آینده را نیز هموار کرده‌اند. با پیشرفت فناوری‌های تولید و کاهش هزینه‌ها، انتظار می‌رود که نقش CFRP در صنعت هوافضا روز به‌ روز پررنگ‌تر شود.