مزایای استفاده از FRP - بخش سوم: در صنایع نظامی و دفاعی
کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP) همچنان در صنعت دریایی، به ویژه در قایقهای با عملکرد بالا و مسابقهای، انقلاب به پا میکنند. پیشرفتهای اخیر، نسبت استحکام به وزن استثنایی، مقاومت در برابر خوردگی و انعطاف پذیری طراحی کامپوزیتهای FRP را در کاربردهای مختلف دریایی نشان میدهد. ابتدا طرحهای نوآورانه در بدنه قایقها را باهم مرور کنیم.
1. شناور بالدار ایرفیش (WIG) شرکت ایرایکس: شناور ایرفیش 8 یک قایق بادبانی دریایی 10 نفره با ساختاری ساخته شده از مواد کامپوزیت تقویت شده با فیبر کربن است. این شناور در ارتفاع تا ۷ متر با حداکثر سرعت ۱۰۶ گره دریایی و سرعت کروز تقریبا ۸۰ گره دریایی فعالیت میکند. استفاده از FRP به طراحی سبک و بهره وری سوخت آن کمک کرده و برد تقریبی ۳۰۰ مایل دریایی را ممکن میسازد.
2. فری برقی شاتل کاندلا P-12: این کشتی هیدروفویل برقی با ظرفیت 30 مسافر از پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) برای بدنه و هیدروفویلهای خود استفاده میکند. ساختار سبک CFRP به این کشتی اجازه میدهد تا زمان سفر بین حومه استکهلم و مرکز شهر را از ۵۵ دقیقه به ۲۵ دقیقه کاهش دهد. این شناور همچنین میتواند با یک بار شارژ تا ۶۰ مایل دریایی با سرعت ۲۵ گره دریایی حرکت کند که نشان دهنده کارایی FRP در طراحی شناورهای برقی است.
3. قایق برقی Kaebon EB Eins: در ساخت این قایق الکتریکی ۱۷.۲ فوتی از ساندویچ الیاف کربن پیش پرگ با هسته فومی حرارت دیده در خلاء استفاده شده است. ساختار FRP موجب وزن فوق العاده سبک تنها ۱۹۶ پوند (معادل ۷۱ کیلوگرم) شده است؛ به طوری که وزن نهایی آن، با موتور و باتری، تنها ۲۵۰ کیلوگرم است. دوام مواد پیشرفته امکان نگهداری در گاراژ یا حیاط خلوت را در خارج از فصل نیز فراهم میکند.
کاربردهای تخصصی دریایی FRP
1. EMILY(طناب نجات اضطراری یکپارچه):
EMILY که توسط شرکت هیدرونالیکس توسعه داده شده، یک پهپاد آبی است که برای نجات در آب در سراسر جهان مورد استفاده قرار میگیرد. این محصول دارای رزین اپوکسی تقویت شده با فایبرگلاس، فیبر کربن، الیاف کولار و الیاف سرامیکی است. بدنه آن با ۲۰۰۰ یدک کش از الیاف کولار تقویت شده و بِیس (دیواره کشتی) نیز شامل سه لایه کولار برای مقاومت در برابر ضربه است.
2. قایق تفریحی لکسوس :LY 650
این قایق تفریحی لوکس ۶۵ فوتی دارای بدنه ای ساخته شده از پلاستیک تقویت شده با فیبر کربن و پلاستیک تقویت شده با فیبر شیشه است. ساختار کامپوزیتی آن به عملکرد سریع و راحتی در سفر دریایی کمک میکند. همچنین بدنه پویای دست ساز و رنگ آمیزی شده سفارشی آن نیز یکی از عریض ترین تیرکها را در کلاس خود دارد.
3. پهپادهای شرکت سیلدرون (USV):
شرکت سیلدرون پهپادهای (USD) را باهدف جمع آوری دادههای اقیانوسی توسعه میدهد که شامل FRP در مدلهای مختلف است همچون اکسپلورر ۷ متری (با بدنه و بال ساخته شده از GFRP)، Voyager ۱۰ متری (با بدنه و بال ساخته شده از GFRP) و یا هواپیمای Surveyor با طول ۲۰ متر (بال ساخته شده از GFRP و بدنه آلومینیومی).
روندها و چالشهای آینده
با ادامه تکامل صنعت دریایی، کامپوزیتهای FRP نقش حیاتی در طراحیهای کارآمدتر، سبکتر و سازگارتر با محیط زیست برای شناورها ایفا میکنند. با این حال، چالشهایی همچنان باقی است ازجمله افزایش هزینه برای مواد با کارایی بالا، بهینه سازی فرآیندهای تولید برای اشکال پیچیده، تضمین دوام طولانی مدت در محیطهای خشن دریایی و توسعه راه حلهای پایدار برای پایان عمر مواد کامپوزیتی. برای پرداختن به این چالشها، محققان در تحقیقات خود پیوسته بر مواردی همچون توسعه فرآیندهای تولید مقرون به صرفهتر، بررسی مواد کامپوزیتی زیست پایه و قابل بازیافت، پیشرفت تکنیکهای تعمیر ازجمله استفاده از تولید افزایشی، پیاده سازی هوش مصنوعی و یادگیری ماشین در طراحی و ساخت کامپوزیت متمرکز هستند.
همچنان که ما به گسترش مرزهای مهندسی دریایی ادامه میدهیم، کامپوزیتهای FRP بدون شک نقش محوری در شکل دهی آیندهی شناورهای با عملکرد بالا و پایدار ایفا خواهند کرد. به طور کلی، کامپوزیتهای FRP به عنوان مواد پیشرفته، در توسعه فناوریهای دفاعی پیشرفته در بخشهای مختلف بسیار مهم هستند.
1. وسایل نقلیه هوایی خودمختار و بدون سرنشین (پهپادها)
الف. پهپاد Piasecki ARES VTOL UAS
AFWERX نیروی هوایی ایالات متحده برای ساخت این پهپاد، قراردادی به ارزش ۳۷ میلیون دلار هزینه کرد. این پهپاد دارای طراحی عمود پرواز (VTOL) با مجرای شیبدار است. از موتورهای الکتریکی سبک نیز برای افزایش قابلیت اطمینان و کارایی استفاده میکند. در کل، این طرح شامل ماژولهای ماژولار محموله ماموریتی برای پیکربندی مجدد سریع است.
ب. پهپاد ایرباس زفیر
این پهپاد رکورد جدید ۴۲ روز پرواز بدون سرنشین را ثبت کرده است. پهپاد ایرباس زفیر دارای بدنه کامپوزیت فیبر کربنی است که تنها ۱۶۵ پوند وزن دارد و طول بالهای آن ۸۲ فوت است. در آن، باتریهای خورشیدی برای ماموریتهای طولانی مدت تعبیه شدهاند. این پهپاد همچنین میتواند بارهایی تا وزن ۵۰ پوند را در ارتفاع ۷۰،۰۰۰ فوت حمل کند.
پ. اسکای گاردین و سی گاردینها
این پهپادها توسط شرکتهای هوافضای GKN و سیستمهای هوانوردی جنرال اتمیکس توسعه یافتهاند. اسکای گاردین و سی گاردین دارای یک دم V شکل کامپوزیتی جدید هستند که در کارخانه Cowes شرکت GKN در بریتانیا تولید شده است. این سازه توسط نیروی هوایی سلطنتی بریتانیا، نیروی دفاعی بلژیک و نیروهای دفاعی استرالیا انتخاب شده است.
ت. فناوریهای بتا به کار رفته در ساخت هواپیمای آلیا
هواپیمای آلیا اولین هواپیمای برقی سرنشین دار که تاییدیه صلاحیت پرواز را از نیروی هوایی ایالات متحده دریافت کرد. همچنین دارای پروانههای عمودی ثابت و کارآمد و ساختار کامپوزیتی است. طراحی بال بلند و دم V شکل آن به کاهش نیروی پسا و افزایش پایداری در سرعتهای پایین کمک میکند.
نقش FRP در هواپیماهای جنگی و فناوری پنهانکاری
از کامپوزیتهای FRP در ساخت هواپیماهای جنگی به طور گسترده استفاده میشود. به عنوان مثال، پوسته فیبر کربنی در هواپیماهای رادارگریز به منظور جایگزینی پوششهای سنتی مواد جاذب رادار (RAM) توسعه داده شده است. همچنین از پوسته پلیمری کامپوزیتی تقویت شده با الیاف کربنی که با نانولولههای کربنی تقویت شده است نیز استفاده میشود و میتواند دمای بیش از ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کند. هواپیماهای جنگی ساخته شده از کامپوزیت FRP به طوری طراحی شدهاند که انرژی الکترومغناطیسی ورودی را به طور مؤثرتری نسبت به RAM هدایت کنند.
در ساخت هلیکوپترهای جنگی نیز از FRP استفاده میشود. به عنوان نمونه، سیکورسکی ریدر ایکس برای برنامه هواپیماهای شناسایی تهاجمی آینده (FARA) ارتش ایالات متحده انتخاب شده است. در ساخت این هلیکوپتر با بدنه کامپوزیتی از فناوری X2 با پرههای سفت و سخت، چرخش معکوس و کنترلهای پرواز با سیم (Fly-by-Wire) بهره گرفتهاند. این هلیکوپتر به مانورپذیری بالا، سرعت کروز بالا و قابلیت شناوری در هوا شناخته شده است.
