مواد الفضاء الجوي: الأنواع والاختيار والتطبيقات

بيئة خدمة المواد الفضائية الجوية

يجب أن تتحمل المواد الفضائية الجوية الإجهادات الميكانيكية الشديدة، بما في ذلك قوى الشد والضغط والقص العالية، فضلاً عن الأحمال الديناميكية المعقدة. تتعرض هذه المواد للاهتزازات الشديدة والإجهاد الدوري وقوى الصدمات أثناء الإقلاع والهبوط والمناورات أثناء الطيران. كما أن الدوران السريع لشفرات التوربينات والتغيرات الجوية المفاجئة والأحمال الديناميكية الهوائية تزيد من تفاقم المتطلبات الميكانيكية على هذه المواد.

تمثل البيئة الحرارية للمواد الفضائية الجوية تحدياً مماثلاً. حيث يؤدي التعرض لغازات عادم المحرك الساخنة والإشعاع الشمسي الشديد على ارتفاعات عالية إلى خلق بيئة ذات درجة حرارة عالية، غالباً ما تتجاوز 1000 درجة مئوية في بعض المكونات. وعلى العكس من ذلك، عند السرعات الأسرع من الصوت والسرعات التي تفوق سرعة الصوت، يصبح التسخين الديناميكي الهوائي عاملاً حاسماً، حيث قد تصل درجات الحرارة إلى 2000 درجة مئوية أو أعلى عند الحواف الأمامية والمقدمة.

لا تقتصر درجات الحرارة القصوى على الحرارة. إذ يجب أن تحافظ المواد على سلامتها في درجات الحرارة المبردة، حيث تنخفض إلى حوالي -60 درجة مئوية عند الإبحار بسرعات دون سرعة الصوت في الستراتوسفير، وتنخفض إلى -80 درجة مئوية أو أقل في المناطق القطبية خلال العمليات الشتوية. ويتطلب هذا النطاق الواسع لدرجات الحرارة (-80 درجة مئوية إلى +2000 درجة مئوية) ثباتاً حرارياً استثنائياً ومقاومة للصدمات الحرارية.

تشكل البيئة الكيميائية تحديات إضافية. حيث تواجه المكونات المعدنية مخاطر التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي والتقصف الهيدروجيني، خاصةً في وجود بخار عالي الحرارة والضغط العالي في المحركات. يجب أن تقاوم المواد المرنة، مثل موانع التسرب والإطارات، التشقق الناتج عن الأوزون وتحافظ على المرونة في درجات الحرارة القصوى. يمكن أن يتسبب الوقود والسوائل الهيدروليكية وعوامل إزالة الجليد في تآكل المعادن وتدهور أو تورم البوليمرات والمواد المركبة.

وتزيد العوامل البيئية من سرعة تدهور المواد. يمكن أن يؤدي التعرض المطول للأشعة فوق البنفسجية على ارتفاعات عالية إلى تحلل ضوئي في البوليمرات والمواد المركبة. يعرّض الطيران بسرعة تفوق سرعة الصوت المواد للتآكل من الجسيمات عالية السرعة والأكسجين الذري في الغلاف الجوي العلوي. وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتحمل المواد التخزين طويل الأمد في مستويات رطوبة متفاوتة دون الإضرار بأدائها أو سلامتها الهيكلية.

ولمواجهة هذه التحديات متعددة الأوجه، تتطلب مواد الفضاء الجوي توازنًا متطورًا من الخصائص، بما في ذلك نسب عالية من القوة إلى الوزن، ومقاومة ممتازة للإجهاد، والاستقرار الحراري، ومقاومة التآكل، والصلابة الإشعاعية. تدفع بيئة الخدمة المتطلبة هذه إلى الابتكار المستمر في علوم المواد، مما يدفع حدود تصميم السبائك، وهندسة المركبات، والمعالجات السطحية لضمان سلامة وكفاءة أنظمة الطيران.

اختيار المواد الفضائية الجوية واستخدامها

تعمل المركبات الفضائية الجوية في الغلاف الجوي أو الفضاء الخارجي لفترة طويلة. ولضمان موثوقيتها العالية وسلامتها وأدائها الأمثل في الطيران، يجب أن تكون مصممة للعمل بفعالية في البيئات الصعبة.

لتحقيق هذه الأهداف، من الضروري تحسين الهيكل لتلبية المتطلبات الديناميكية الهوائية والتكنولوجية ومتطلبات الصيانة. إلا أن ذلك يتطلب أيضاً استخدام مواد ذات خصائص ووظائف ممتازة.

1. مبدأ اختيار المواد

في الخدمة، يجب أن تكون المكونات الإنشائية قادرة على التعامل مع أنواع مختلفة من القوى الخارجية دون تجاوز المستوى المقبول من التشوه أو الكسر في إطار زمني محدد.

يتمثل أحد أهداف التصميم في الهياكل الفضائية في تقليل حجمها ووزنها. في الماضي، كان التركيز الأساسي في الماضي على القوة الاستاتيكية للمكونات، وغالباً ما كان يتم إهمال أو إعطاء اعتبار محدود لصلابتها البلاستيكية. وقد أدى ذلك إلى وقوع حوادث كارثية.

المكونات الهيكلية الرئيسية لطائرات الخط الرئيسي

لضمان سلامة المكونات الهيكلية والاستفادة القصوى من أداء المواد، فقد تحول تصميم الأجزاء الهيكلية للفضاء الجوي من "مبدأ تصميم القوة" إلى "مبدأ تصميم تحمل التلف"، وتطور إلى "مبدأ تصميم دورة الحياة الكاملة.

في مرحلة التصميم، يتم أخذ جميع جوانب دورة حياة المنتج في الاعتبار، ويتم النظر في جميع العوامل ذات الصلة بشكل شامل وتحسينها في مرحلة تصميم المنتج.

لا يجب أن تتمتع المواد بقوة وصلابة عالية النوعية فحسب، بل يجب أن تتسم أيضًا بصلابة معينة للكسر والصدمات، ومقاومة التعب، ومقاومة درجات الحرارة العالية والمنخفضة، ومقاومة التآكل، ومقاومة الشيخوخة، ومقاومة العفن، بالإضافة إلى مؤشرات أداء محسنة.

مختلفة اختيار المواد يتم تطبيق المعايير في مناطق الأحمال المختلفة، مع اختيار المواد بناءً على المتطلبات المحددة لكل مكون. بالنسبة لمناطق الأحمال العالية، يتم استخدام معايير القوة واختيار المواد عالية القوة. بالنسبة لمناطق الأحمال المتوسطة، يتم استخدام معايير الصلابة واختيار المواد ذات المعاملات المرنة العالية. في مناطق الأحمال المنخفضة، يكون ثبات الأبعاد هو الاعتبار الأساسي لضمان أن تكون المكونات أكبر من الحد الأدنى للحجم الحرج.

عند اختيار المواد الإنشائية وتقييمها، يجب اختيار طرق الاختبار المناسبة للخواص الميكانيكية (الشد، والضغط، والصدم، والإجهاد، والتعب، والصدمات في درجات الحرارة المنخفضة) بناءً على ظروف الخدمة وحالات الإجهاد. يجب إجراء دراسة شاملة لقوة المواد واللدونة والصلابة لأنماط الكسر المختلفة، بما في ذلك الكسر المطّي، والكسر الهش، وإجهاد الإجهاد، وإجهاد الإجهاد، والتآكل الإجهادي, تقصف الهيدروجين، التقصف بالإشعاع النيوتروني، إلخ.

بالنسبة للأعضاء تحت الشد، يجب أن يكون توزيع الإجهاد موحدًا على كل من السطح والقلب، ويجب أن يكون للمادة المختارة بنية وأداء موحدين، مع صلابة جيدة للأعضاء الكبيرة.

بالنسبة للأعضاء المعرضة لأحمال الانحناء والالتواء، يوجد فرق إجهاد كبير بين السطح والقلب، ويمكن استخدام مواد ذات صلابة منخفضة.

يعتبر حد التعب وحساسية الشق من معايير التقييم المهمة لاختيار المواد للمكونات تحت الأحمال المتناوبة.

بالنسبة للمكونات المعرضة للبيئات المسببة للتآكل، فإن عوامل مثل مقاومة التآكل، والحساسية للتقصف الهيدروجيني، والميل للتشقق الإجهادي والتآكل قوة الإجهاد مؤشرات تقييم مهمة لاختيار المواد.

يجب مراعاة ثبات الهيكل بالنسبة للمواد المستخدمة في الخدمات ذات درجات الحرارة العالية، ويجب مراعاة الأداء في درجات الحرارة المنخفضة بالنسبة للخدمات ذات درجات الحرارة المنخفضة.

إن تقليل الوزن له أهمية عملية لتحسين سلامة الطائرة، وزيادة الحمولة والقدرة على التحمل، وتحسين القدرة على المناورة والمدى، وتقليل استهلاك الوقود أو الوقود الدافع وتكاليف الطيران. كلما زادت سرعة الطائرة، أصبح تخفيض الوزن أكثر أهمية. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تقليل وزن المقاتلة بمقدار 151 تيرابايت 3 تيرابايت إلى تقليل مسافة التحليق بمقدار 151 تيرابايت 3 تيرابايت، وزيادة المدى بمقدار 201 تيرابايت 3 تيرابايت، وزيادة الحمولة بمقدار 301 تيرابايت 3 تيرابايت.

بالنسبة للطائرات قصيرة الأجل التي يمكن التخلص منها مثل الصواريخ أو مركبات الإطلاق، من الضروري تحقيق وظائف متكافئة مع الحد الأدنى من الحجم والكتلة، والسعي لتحقيق أقصى قدر من الأداء المادي واختيار أصغر هامش أمان ممكن لضمان الموثوقية المطلقة طوال فترة خدمتها.

2. المواد الفضائية الرئيسية

يمكن تحقيق تقليل الكتلة الهيكلية عن طريق تقليل الكثافة بمقدار 30%، وهو ما يزيد عن القوة بمقدار 50%.

سبائك الألومنيوموسبائك التيتانيوم والمواد المركبة هي المواد الأساسية المستخدمة في هياكل الطائرات بسبب قوتها وصلابتها النوعية العالية، والتي يمكن أن تحسن الحمولة والقدرة على المناورة والتحمل للطائرات مع تقليل تكاليف الطيران.

استخدام الفولاذ فائق القوة (مع قوة الخضوع أكبر من 1380 ميجا باسكال) في هندسة الطيران محدودة بأقل من 10%.

بالنسبة للطائرات الحديثة مثل المقاتلة الأسرع من الصوت، فإن كمية الفولاذ فائق القوة مستقرة عند 5% ~ 10%، وقوة الشد 600 ~ 1850MPa، وأحيانًا تصل إلى 1950MPa، وصلابة الكسر K_Ic = 78 ~ 91 ميجا باسكال - م^{1 / 2}.

عادةً ما يُستخدم الفولاذ المقاوم للتآكل عالي القوة في الهيكل الحامل لجسم الطائرة في البيئات ذات التآكل النشط، بينما يُستخدم الفولاذ المقاوم للتآكل الخالي من الكربون في مكونات الطائرات المجهزة بمحركات الوقود الهيدروجيني التي تستخدم الهيدروجين السائل ووسط الهيدروجين.

والمواد الهيكلية الرئيسية المستخدمة في هياكل الطائرات في القرن الحادي والعشرين هي سبائك الألومنيوم، بما في ذلك السلسلة 2XXX، والسلسلة 7XXXX، وسبائك الألومنيوم والليثيوم. يمكن أن تؤدي إضافة الليثيوم إلى سبائك الألومنيوم إلى تحسين قوتها وتقليل كثافتها، وبالتالي تعزيز قوتها وصلابتها النوعية.

استُخدمت سبائك الألومنيوم والليثيوم في طائرات النقل الكبيرة والطائرات المقاتلة والصواريخ الاستراتيجية والمكوكات الفضائية ومركبات الإطلاق، وتستخدم في مكونات مثل أغطية الرأس والمكونات الحاملة وخزانات تخزين الهيدروجين السائل والأكسجين السائل وخطوط الأنابيب ومهايئات الحمولة. وهي تعتبر من المواد الواعدة في مجال تطوير الفضاء الجوي.

لم تعد سبائك الألومنيوم والليثيوم من الجيل الثالث والجيل الرابع من سبائك الألومنيوم والليثيوم تعطي الأولوية للكثافة المنخفضة وتتمتع بخصائص عامة أفضل. ومقارنةً بالجيل الثالث من سبائك الألومنيوم والليثيوم، تتمتع سبائك الجيل الرابع بقوة استاتيكية أعلى (خاصةً قوة الخضوع) وصلابة الكسر، مع الحفاظ على معدل نمو التشقق المعادل، وأداء التعب، وأداء التآكل، ومعامل المرونة.

سبيكة التيتانيوملديها قوة نوعية أعلى من سبائك الألومنيوم وتستخدم لمكونات الطائرات مثل الإطار، وسكة توجيه الرفرف والقوس، وقاعدة المحرك، وأجزاء إطار الهبوط، وأجزاء التسخين مثل غطاء العادم ودرع الحريق. بالنسبة للطائرات الأسرع من الصوت ذات أرقام ماخ أكبر من 2.5، يمكن أن تصل درجة حرارة السطح إلى 200 إلى 350 درجة مئوية، ويمكن استخدام سبائك التيتانيوم كجلد.

وتتمتع سبائك التيتانيوم عالية النقاء وعالية الكثافة المحضرة بطرق التصلب السريع/التعدين بالمسحوق بثبات حراري جيد وتحافظ على قوتها عند درجة حرارة 700 درجة مئوية، على غرار قوتها في درجة حرارة الغرفة. وقد اختارت وكالة ناسا سبائك التيتانيوم عالية القوة والصلابة من النوع β المطوّرة كمواد مصفوفة للمواد المركبة من SiC/Ti المستخدمة في جسم الطائرة وألواح الأجنحة.

تتزايد تدريجياً نسبة سبائك التيتانيوم المستخدمة في الطائرات، حيث يتم استخدام 20% في هياكل الطائرات المدنية و50% في هياكل الطائرات العسكرية.

تلعب مركبات المصفوفة المعدنية، ومركبات المصفوفة الراتنجية عالية الحرارة، ومركبات المصفوفة الخزفية، ومركبات الكربون/الكربون دوراً متزايد الأهمية في صناعة الطيران.

تجمع المواد المركبة من الكربون/الكربون بين الخصائص الحرارية للكربون والقوة والصلابة العالية لألياف الكربون. كما أنها تتمتع بثبات حراري وتوصيل حراري ممتاز، بالإضافة إلى قوة وصلابة عالية عند درجة حرارة 2500 درجة مئوية بكثافة تبلغ ربع السبائك عالية الحرارة فقط.

اكتسبت المركبات الهجينة اهتمامًا كبيرًا، مثل إضافة الألياف الزجاجية إلى مركبات ألياف الكربون لتحسين أداء الصدمات أو إضافة ألياف الكربون إلى البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية لزيادة الصلابة.

كما أصبحت المواد المركبة ذات الطبقات أكثر استخدامًا على نطاق واسع في هندسة الطيران، مثل استخدام 3% لـ GLARE، وهي صفائح جديدة في طائرة A380. الصفائح هي مادة مركبة مصنوعة من خلال تكديس مادتين مختلفتين معاً تحت الضغط.

تتكون الصفيحة عادةً من لوح علوي وطبقة ربط علوية ومادة أساسية وطبقة ربط سفلية ولوح سفلي. وتكون قوتها وصلابتها أعلى من قوة وصلابة اللوح الفردي أو المادة الأساسية. وقد تم استخدامها في طائرات النقل والطائرات المقاتلة.

يتم تشكيل صفائح GLARE عن طريق الضغط الساخن على عدة ألواح ألومنيوم رقيقة متعددة وألياف زجاجية أحادية الاتجاه مشبعة مسبقًا بمادة لاصقة من الإيبوكسي تحت الضغط أو في الصحافة الساخنة الخزان، كما هو موضح في الشكل 1. ويشتمل على ألواح الألومنيوم يجب معالجتها مسبقًا بشكل صحيح لتسهيل الالتصاق بالطبقة المشبعة بالألياف مسبقًا.

يوضح الجدول 1 أنواع شرائح GLARE المنتجة تجاريًا، والتي يمكن تصنيعها في ألواح بسماكات مختلفة حسب الحاجة. يمكن أن تكون الألياف من طبقتين أو 3 أو 4 طبقات أو أكثر، ويمكن أن يفي محتواها واتجاهها بالمتطلبات الواردة في الجدول. يمكن أن يكون لكل نوع من صفائح GLARE أشكال مختلفة ويمكن تعديلها لتلبية الاحتياجات المحددة.

الشكل 1 رسم تخطيطي لصفائح التوهج

الجدول 1 أنواع رقائق التوهج المتاحة تجاريًا

تعالج تقنية الربط لصفائح GLARE مشكلة عرض الألواح المحدود. وكما هو موضح في الشكل 2، يوجد تماس ضيق بين نفس الطبقة من ألواح الألومنيوم، مع وجود وصلات بين الطبقات المختلفة في مواضع مختلفة. ويمكن توصيل هذه الوصلات بطبقات أخرى من ألواح الألومنيوم من خلال طبقات الألياف، مما يسمح بتصنيع ألواح جدارية أو جلد جسم الطائرة بالكامل بمقاومة ممتازة للإجهاد ومقاومة التآكل ومقاومة الحريق، مما يلغي الحاجة إلى ثقوب البرشام وتركيزات الإجهاد الناتجة عنها.

ولضمان النقل الآمن للحمل، يمكن إضافة طبقة تقوية عند الوصلة، مثل طبقة من صفيحة معدنية أو طبقة من الألياف الزجاجية المشبعة مسبقًا بالراتنج.

الشكل 2 مخطط الربط للصفائح المتوهجة

تتكون المواد المركبة على شكل شطيرة قرص العسل من قلب شطيرة وجلد (لوح). يمكن أن يكون الجلد مصنوعًا من الألومنيوم أو من مواد مركبة من الكربون/الإيبوكسي، بينما يشبه قلب الشطيرة قرص العسل ويتكون من سلسلة من الخلايا سداسية أو رباعية الأضلع أو غيرها من الخلايا ذات الأشكال الأخرى المصنوعة من المعدن أو الألياف الزجاجية أو المواد المركبة. يتم ربط الأسطح العلوية والسفلية للساندويتش أو لحامها بالنحاس على الألواح الرقيقة.

تُصنع المادة الأساسية لمركبات شطيرة قرص العسل المصنوعة من الألومنيوم عن طريق لصق رقائق الألومنيوم بطرق مختلفة وتشكيل أقراص العسل بمواصفات مختلفة من خلال التمدد. يتم تحديد أداء المادة الأساسية بشكل أساسي من خلال سمك رقائق الألومنيوم وحجم الخلايا.

تتمتع هذه المواد بقوة وصلابة عالية النوعية، ومقاومة جيدة للصدمات، وتقليل الاهتزاز، ونقل الموجات الدقيقة، وقابلية تصميم قوية. وبالمقارنة مع الهياكل المثبتة، يمكن زيادة الكفاءة الهيكلية من 15% إلى 30%.

يمكن استخدام هياكل الساندويتش المصنوعة من قرص العسل في العديد من ألواح الجدران مثل أسطح الأجنحة وأسطح المقصورة وأغطية المقصورة والأرضيات وأغطية المحركات وألواح كاتم الصوت وألواح العزل الحراري وأغلفة الأقمار الصناعية وهوائيات الأقمار الصناعية وهوائيات المكافئ وقيعان صهاريج تخزين الوقود الدفعي الصاروخي وغيرها. ومع ذلك، تكون هياكل شطائر قرص العسل عرضة للتآكل في بيئات معينة.

عند تعرضها للصدم، ستتعرض شطيرة قرص العسل للتشوه الدائم وتصبح منفصلة عن الجلد.

3. تحليل المواد الفضائية الجوية

يوضح الجدول 2 النسبة المئوية للمواد الهيكلية المستخدمة في الطائرات العسكرية في الولايات المتحدة. ويتمثل الاتجاه السائد في أن استخدام المواد المركبة وسبائك التيتانيوم يتزايد تدريجياً، بينما يتناقص استخدام سبائك الألومنيوم.

الجدول 2 النسبة المئوية للمواد الهيكلية للطائرات العسكرية الأمريكية

يوضح الجدول 3 توزيع المواد المستخدمة في طائرات الخطوط الرئيسية النموذجية. تحتوي طائرة B787 على 50% من المواد المركبة، بينما تحتوي طائرة A350 على 52% من المواد المركبة. أصبح استخدام المواد المركبة اتجاهاً في صناعة الطيران نظراً لقدرتها على تقليل الوزن وزيادة مقاومة التلف وتوفير الحماية من التآكل وتعزيز المتانة.

ومع ذلك، فإن للمواد المركبة عيوباً أيضاً، مثل التكلفة العالية، ومقاومة الصدمات المحدودة، والافتقار إلى اللدونة، وزيادة الصعوبة التقنية، وضعف قابلية الصيانة، وصعوبة إعادة التدوير. ونتيجة لذلك، لم يزداد استخدام المواد المركبة في طائرات A320neo وB737MAX مقارنةً بطائرات A320 وB737.

الجدول 3 نسبة مواد الطائرات الرئيسية النموذجية (%)

معظم أقسام مقصورة المركبات الفضائية المأهولة مصنوعة من سبائك الألومنيوم وسبائك التيتانيوم والمواد المركبة. على سبيل المثال، صُنعت مدارات المكوك الفضائي بشكل أساسي من سبائك الألومنيوم، بينما صُنع هيكل الدفع الداعم للمحرك الرئيسي من سبيكة تشين. ويتألف الإطار الرئيسي لجسم الطائرة الأوسط من مادة مصفوفة معدنية مركبة معززة بسبائك الألومنيوم المقوى بألياف البورون، وباب حجرة الشحن مصنوع من هيكل خاص على شكل قرص العسل الورقي مع مادة مركبة من راتنجات الإيبوكسي المقوى بألياف الجرافيت كلوح.

تُستخدم المواد الاستئصالية للسطح الخارجي لرأس الصاروخ وكبسولة العودة للمركبة الفضائية والسطح الداخلي لمحرك الصاروخ. وتحت التدفق الحراري، يمكن أن تخضع هذه المواد لتغيرات فيزيائية وكيميائية، بما في ذلك التحلل والذوبان والتبخر والتبخر والتسامي والتآكل. وينتج عن ذلك استهلاك كتلة سطح المواد، مما يؤدي إلى استهلاك كمية كبيرة من الحرارة، مما يمنع تدفق الحرارة أثناء إعادة الدخول إلى الغلاف الجوي من دخول الطائرة وتبريد غرفة الاحتراق وفوهة المحرك الصاروخي.

وللحفاظ على درجة الحرارة المناسبة في المقصورة، تُتخذ تدابير للحماية من الحرارة الإشعاعية في قسم العودة إلى الغلاف الجوي. فالجلد الخارجي مصنوع من سبيكة النيكل ذات القاعدة النيكلية المقاومة للحرارة العالية أو صفيحة البريليوم، ويتكون الهيكل الداخلي من سبيكة مقاومة للحرارة. يتم ملء الجلد الخارجي والهيكل الداخلي بمواد ذات خصائص عزل حراري جيدة، مثل ألياف الكوارتز والسيراميك المركب من الألياف الزجاجية.

الخاتمة

مع التنفيذ والتقدم المستمر للمشاريع الفضائية مثل الرحلات الفضائية المأهولة واستكشاف القمر واستكشاف الفضاء السحيق والأقمار الصناعية عالية الدقة والمركبات عالية السرعة والمركبات القابلة لإعادة الاستخدام والمركبات الفضائية المتحركة، يتم وضع متطلبات جديدة وأكثر تطلبًا على المواد، مما يوفر فرصًا جديدة ويقود إلى تطوير مواد فضائية جديدة.

تم تحقيق اختراقات كبيرة في الضمان المستقل للمواد الخام الرئيسية والتطبيقات الهندسية في مجال المواد.