إن السعي الدؤوب لتحقيق الكفاءة الهوائية واقتصاد الوقود والسلامة التشغيلية في الطيران التجاري والعسكري قد أدى إلى تحول في علوم المواد، فطوال عقود، تفرز أجهزة الرفع العالية التي تعتبر حاسمة في الإقلاع والهبوط، وتهيمن عليها المحار الفلزية، ولا سيما الألومنيوم، وتعيد اليوم تحديد ما يمكن، وتسمح بتحسينات أكثر قوة في المستقبل.

The Evolution of Aircraft Flap Materials

تقدير أهمية المركبين الحديثين، من المفيد النظر إلى المواد المستخدمة في أجيال سابقة من الطائرات، تم بناء البقعات المبكرة من الأطار الخشبية المغطى بالنسيج، ثم الانتقال إلى هياكل شاملة للمعادن، حيث أصبحت كل السكك الحديدية الألومنيوم المعيار بعد الحرب العالمية الثانية.

أول تطبيقات مركبة كبيرة في نظم عالية الجودة ظهرت على الطائرات العسكرية في الثمانينات والتسعينات باستخدام الأوكسجين الزجاجي المقوى للخيال و الألياف غير الهيكلية، ووصلت عملية الانطلاق الحقيقية إلى تضخم الألياف الكربونية وبوليمرات التراكمية، ووصلت إلى ارتفاع وزن البيوت

لماذا المركبين؟

ويتأصل التركيز الشديد على المركبين من أجل المغازلة في عدة مزايا متميزة تتوافق تماما مع مطالب الأجهزة العالية الحركة:

  • Weight Reduction at the Wing Tip:] Flaps are located far from the fuselage. Every kilogram save on a flap reduces structural bending loads on the wing spar, which in turn allows for lighter wing boxes and lower fuel consumption. Composites routinely achieve 20-30% weight savings over aluminum for the same load-bearing capacity.
  • Fatigue and Corrosion Resistance:] contrast metals, carbon and glass fibers do not corrode. The polymermel spec protects against moisture and chemicals such as hydraulic liquid and de-icing agents. Moreover, composites exhibit excellent fatigue life -they do not develops from repeated loading cycles as readily.
  • Aerodynamic Tailoring:] Composites can be molded into complex, smooth contours that would require expensive machining or forming of metal. Flaps benefit from this, allowing designers to incorporate changing-camber geometries or continuous trailing edges that improve lift distribution and reduce drag.
  • دمج المهام: ] بضم أجهزة الاستشعار، أو عناصر التدفئة، أو حتى المُلَكّنات أثناء عملية التصميم، أو المركبات تمكّن من رصد الصحة الهيكلية أو مقاومة تكديس الجليد بشكل نشط، وهذا التكامل يقلل من عدد الأجزاء وتعقيد التجمع.

Key Composite Material Innovations for Flaps

وقد أسفرت البحوث التي أجريت مؤخراً عن مجموعة من النظم المركبة الجديدة التي أُدخلت على أمثل وجه على وجه التحديد على الأحمال الفريدة والظروف البيئية للثبات، وتتجاوز هذه الابتكارات ظواهر كربونية/أكسية بسيطة.

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs) with High-Strain Fibers

(ب) الألياف الكربونية الثابتة (مثل T700 أو IM7) تقدم درجة ممتازة من التشوهات، ولكنها كثيراً ما تتعرض لأعباء كبيرة من الارتطام من الضربات أو الهابط.

نانويكليس: غرافين وكاربون ننوبيس

(أ) إضافة تعزيزات نانوية إلى مصفوفة البوليمر تمثل حدوداً في التحسين المركب، وقد أثبت الباحثون أن نسبة 0.1 إلى 1 في المائة من وزن النانوبلات أو النانوات الكربونية المتعددة الجدران قد حققت زيادة في قوة النسيج التجاري بنسبة 10 إلى 20 في المائة وأن القدرة على التداول الكهربائي نتيجة عدة أوامر بحجمها.

مركبان قابلان للعلاج الذاتي وإصلاحه

أما الأضرار التي لحقت بالمركبات المشتعلة - مثل إزالة الحواف أو شق ثقوب سريعة - فيمكن أن تكون باهظة التكلفة لإصلاحها وقد تتطلب تطهير الطائرة، وتحتوي المركبات ذاتية التلقيم على ميكروبات (50-200 ميكروم) التي تستخدمها معادن التكسير ذات الارتداد، والتي لا تزال تحتوي على عامل مؤثرات مرئية مثل ثنائي دوكوبين - صفر في المائة.

مركبات الحرارة من أجل الإنتاج العالي الحجم

وتحتاج مركبات الترموز (مثل التكسين) إلى دورات علاج طويلة في الأرصفة، تحد من معدلات الإنتاج، كما أن مركبات الترميز الحرارية، التي تستخدم رفاتاً مثل الكيتا الحرارية، أو ثنائي الفينيل متعدد الكلور (Pether)، أو ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PA) معززة باختلالات مستمرة من الكربون أو الزجاج، يمكن أن تُعزز بسرعة باستخدام أشرطة متحركة

مُبَرَّع و 3D

إنّها تُحدّدُ من التّياراتُ المُتَعَدّةُ المُتَعَدّةُ المُتَوَجَّةُ، وَجَهَا تَعْدُّمَا مُتَعَدَّدَاً مِنْ الْمَسْتَسْتَنِيْنِيْ

تصنيع الابتكارات التمكينية

ولا تعد المواد سوى نصف القصة؛ والقدرة على إنتاج هذه المكونات بتكلفة معقولة ومكررة أمر حاسم بالنسبة لاعتمادها على نطاق الأسطول.

Automated Fiber Placement (AFP) and Automated Tape Laying (ATL)

ويمكن لآلات AFP و ATL أن تضع مواد مركبة بسرعة عالية (150-300 كيلوغرام/ساعة) على أدوات محاطة، وبالنسبة للغاز الذي كثيرا ما يكون له منحنى معقد وسمك متفاوت، يتيح الاتحاد توجيه مسارات الألياف بدقة للمواءمة مع مسارات التحميل، ويمكن للرؤوس التي تستخدم أجهزة التفتيش التي لا تُعدّل في الوقت نفسه، مما يقلل من الوقت المتاح للورق.

العمليات خارج المدار الثابت بالنسبة للأرض

ويمكن أن يؤدي العلاج من النسيج إلى خفض التكاليف بنسبة تتراوح بين 30 و5 في المائة بالنسبة للهياكل المتوسطة الحجم، كما أن نظم الرغاوي الجديدة المصممة لعلاج الأورام المكشوفة، مثل برامج التنظيف السائلة ذات الفرن (VOB) أو الرش بالراتنج، يمكن أن تؤدي إلى خفض التكاليف بنسبة تتراوح بين 30 و5 في المائة بالنسبة للهياكل المتوسطة الحجم، كما أن نظم الرغاوي الجديدة المصممة لعلاج البلومينات يمكن أن تحقق أقل من 1 في المائة.

تصنيع الأدوات والضغوط المضافة

3Dطباعة (الصناعة الاصطناعية) تستخدم لإنتاج أدوات مركبة (مثل أنماط الغسيل للتغطية) والإضافة المعدنية للمصابيح المركبة، ويمكن طبع 3D بواسطة هياكل مصغرة تقلل وزنها بنسبة 60 في المائة مع الحفاظ على التوسع الحراري مع CFRP. وبالنسبة للأجزاء المثبتة التي تطبع في شكلها، يمكن أن تحل محل الأجزاء المثبتة من البصمات العضوية

التحديات والحلول في مجال التبني على نطاق واسع

وعلى الرغم من المزايا، فإن المركبين يشكلون تحديات يجب التغلب عليها من أجل الحصول على شهادات على نطاق واسع وقبول المشغلين.

Lightning Strike Protection (LSP)

إن مركبي الألياف الكربونية مُتسم بالسلوك، ولكن لا يُسيّرون تيارات كهربائية وكذلك معدنيات، ويمكن أن تتسبب ضربة البرق في أضرار كارثية إذا لم تُدار على النحو المناسب، فالحل المعياري هو مُعدّل سلكي مُضمّن (البرونز أو الألمنيوم) أو مُعَدّة للشعلة على السطح، غير أن هذه المركبات المُضَّةُضْرَةُةُةُ.

الإصلاح والتكامل في مجال الصيانة

كما أن الإصلاح المركب يتطلب مهارات ومواد متخصصة، وقد يكون المشغلون مترددين إذا كانت الإصلاحات تستغرق وقتا طويلا، وتشمل التطورات في تركيبات الصمامات القابلة للاسترداد في الميدان مجموعات من المصنوعات التي تعالج في درجة حرارة الغرفة أو مع سخانات محمولة.

إعادة تدوير النفايات ونهاية العمر

إنّ مركبيّات الحرارة يصعب إعادة تدويرها، مما يشكل مشكلة بيئية حيث يتمّ سحب الطائرات، ويمكن للتحليل والتحلل الذاتي استعادة ألياف الكربون، ولكنّ العملية تُحطّم من ممتلكاتها، أما النسيج المركب الحراري، الذي يُمكن أن يُعاد تدويره، حيث أنّه يُعَدّدُ نظاماً مُحكماً لإعادة تدوير الألياف المستمرّة التي تُحافظ على 90 في المائة من قوة الألياف الأصلية.

The Future of Composite Flaps: Bio-Based and Smart Materials

(أ) في المستقبل، يمكن أن يتضمن الجيل القادم من أجهزة النقل العالي مركبين بيولوجيين مستمدين من راتنج الليغن أو الزنزانة أو راتنجات النفط النباتي، للحد من آثار الكربون في الصناعة، وفي حين أن الفلورية الحالية لها قيود في درجة الحرارة ومقاومة الرطوبة، فإن التطورات الأخيرة التي حدثت من شركات مثل ريسين البوتروبيين تبين أنها يمكن أن تستوفي معايير الفضاء الجوي بالنسبة للأجزاء الداخلية(2).

بالإضافة إلى ذلك، فإن المركب الذكي الذي يحتوي على محار للذاكرة أو مُصنوعات من الفطائر قد يسمح بالتغيير الفعلي للكمبيوتر في الطيران، ويرفع على الوجه الأمثل عبر مظروف الطيران بكامله دون أسطح قابلة للتحرك، ومفهوم "الغاز الأمريكي" الذي يستخدم أسلاكاً صغيرة للذاكرة في تقلص الحافة المُتقطعة بشكل متكرر.

والمسار واضح: إن المواد المركبة لا تحل محل المعادن في طوافات الطائرات فحسب - بل إنها تتيح نماذج جديدة تماماً للطيران والنفقة، مع مواصلة البحوث في المواد النانوية، والتصنيع الإضافي، وإعادة التدوير، سيشهد العقد القادم ازدهارات أكثر خفافة وأذكى وأكثر استدامة من أي وقت مضى، مما يدفع حدود ما يمكن أن تحققه الطائرات.