Table of Contents
إنّ التّجمّع الأوّلي، أو التّعقيم، هو عنصر هيكليّ حاسم في طائرة، يُوفّر الاستقرار، السلطة الرقابية، والقدرة التّلكية،
Understanding Aerodynamic Load Distribution on the Empennage
ويشير توزيع الحمولة الهوائية إلى التباين في الضغط والضباب واللحظات عبر سطح النزيف خلال جميع مراحل الطيران، وهذه الحمولات تنشأ عن عدة ظواهر مادية متميزة، والمصدر الرئيسي هو المصعد الذي ينتج عن المثبتات التي تعمل على شكل محرك، والتي يجب أن تخلق قوة مثبتة (على ذيل أفقي) أو قوة جانبية (على العمود) لتحقيق التوازن بين الطائرات، بالإضافة إلى الضغط الدينامي من الإجهاد المتحركي، والعكتار،
كما أن المحركات تزيل هذه الحمولات إلى فترات الطول (على طول النطاق)، والتمزق (الاستطلاع على المركز الهوائي)، وتضع حداً أقصى للتوتر السطحي (القوى المعبرة)، وتتفاوت درجة هذه الحمولة واتجاهها مع زوايا الهجوم، وتثبيت الضغط السطحي، ورقم الماشية، والارتفاع، مثلاً، أثناء وجود مناشف حادة، فإن التركيز الأفقي يرتفع إلى مستوى الإجهاد
ويتم التنبؤ الدقيق بتوزيع الحمولة من خلال ديناميات السوائل المحوسبة وتحليل العناصر المحددة التي تم التحقق منها بواسطة اختبارات النفق الريحي وبيانات الطيران، وتوفر هذه النماذج خريطة تفصيلية لمسارات الإجهاد، مما يتيح للمصممين تحقيق التنسيب الأمثل للمواد، ويعرف مظروف الحمل الناتج القوام اللازم، والثبات، والحياة الدهونية لكل عنصر من العناصر، دون أن يكون هذا الاختيار الرمادي على الفهم،
How Load Distribution Drives Material Selection Criteria
وتوزيع الحمولات الهوائية يؤثر تأثيرا مباشرا على الممتلكات المادية التي تهم معظمها في فترة الانطلاق: القوة المضغية، القوة المضغوطة، المقاومة البدينة، الإجهاد في الكسور، ونسبة التصلب إلى الوزن، وتطالب المناطق المرتفعة بمواد يمكن أن تحافظ على ضغوط عالية دون أن تثمر أو تتراكم، بينما تسمح المناطق المنخفضة الحمولة بإيجاد حلول أكثر ترويحا وتخفض من حجمها وتحسن الهوامشية.
وثمة عامل حاسم آخر هو التسامح إزاء الأضرار، إذ أن المناطق التي تتعرض لكثافة عالية تتطلب مواد ذات كسور شديد لإيقاف النمو في الكراك، أما المركبتين مثل البوليمرات المبررة الكربونية فتتيحان خصائص ممتازة من حيث الإرهاق والقوة، ولكن يمكن أن تكون متشائمة وحساسة للضرر، وعلى النقيض من ذلك، توفر السبيكات الألومنيومية التقليدية، ولكنها أكثر عرضة للتوزيع غير المحمي.
إن الاستخدام الأمثل للزبائن هو نتيجة مباشرة أخرى، وكل كيلوغرام يتم توفيره في فترة النزول يقلل من حروق الوقود ويحسن حمولة الطائرات، إذ أن توزيع المواد الثقيلة ولكن الأقوى فقط حيثما تكون الحاجة إليه أصلا، والمواد الأكثر أخف في أماكن أخرى، فإن الكتلة الهيكلية العامة يتم التقليل منها إلى أدنى حد، وهذا هو جوهر " رفع مستوى " الضغط على جميع الهياكل، إلى حد التصميم الطبيعي الذي لوحظ في عظام الطيور، وبالتالي يصبح توزيع الحمولة المخطط الأساسي لمادة.
اختيارات المواد للمناطق المرتفعة الارتحال
Aluminum Alloys
مسافات الألمنيوم العالية، خاصة السكك 2x (مثل، 2024-T3) و7xx (مثل 7075-T6)
Ttanium Alloys
وفي الحالات التي تكون فيها الحمولات عالية بشكل استثنائي، مثل أمتعة الضبط، أو تركيب أقواس أو أكبس من الصخور بالقرب من سبائك الصمامات التي تستخدم في الصمامات (مثلاً، تي-6 ألف-4V)، كثيراً ما يتم اختيارها، حيث يتيح التيتانيوم نسبة من القوة إلى الوزن أعلى من الحد الأدنى للألومنيوم، مع وجود مقاومة قوية وقدرة عالية الحرارة.
البوليمرات المتجددة الكربونية
وتحكم الطائرات المتقدمة في هياكل الإنزال العالية الضغط، وتركيب الألياف يمكن أن يصمم بواسطة الألياف لحمل حمولات على طول توجهات محددة، مما يجعلها مثالية لمجالات الإجهاد المعقدة بالقرب من الجذر و الحافة، وعلى سبيل المثال، فإن مثبتات الثقوب العمودية والأفقية التي تعاني منها القاع والتي تشكل تقريباً جميع نقاط القوة، بما في ذلك الجلود، والثقوب، والنسب القصوى.
اختيارات المواد للمناطق الأقل نموا
فرق الألمنيوم الخفيفة الوزن وفولاذ كورس
كما أن أجزاء من المثبت التي تشهد وجود قوى ذات دينامية أقل - مثل الطرف المقطوع، والبقشيش، والمعارض غير الهيكلية - التي يمكن استخدامها في مواد أخف، كما أن هناك مقياساً للألومنيوم (مثلاً، 2024-O أو 6061-T6) شائعاً، وكثيراً ما يتكون من لوحات شطائر ذات نواة من الألمنيوم أو نوميكسيدات ذات وزن معتدل.
مركبات حرارية
وتظهر مركبات الترميز الحرارية (مثلاً، بيك أو بي كينيك معززة بألياف الكربون) في أجزاء من الإنزال الأقل إجهاداً حيث تُقدر سرعة التكوين وإعادة التدوير، وهذه المواد تقلل من مستوى حرارة CFRP ولكنها توفر مقاومة ممتازة للتأثير ويمكن أن تُضلع (مثلاً، استخدام مكونات الترميز أو التخميد المناسبة).
العناصر المصنعة
وفي بعض التصميمات الحديثة، تستخدم قطع المعادن أو البوليمرات المضاف إليها (3D) في المناطق ذات الضغط المنخفض حيث توجد حاجة إلى أشكال معقدة مثل اقتلاع الأقواس أو المعارض الهوائية، ويمكن استخدام هذه الأجزاء على النحو الأمثل من حيث الوزن باستخدام هياكل التذاكر، ولكن استخدامها محدود من خلال عمليات التصديق الحالية والحاجة إلى بيانات قوية عن الدهن، ونظراً إلى أن توزيع الحمولة في هذه المجالات منخفض.
منهجية تصميم اختيار المواد المشابهة
وتبدأ عملية مطابقة المواد لتوزيع الحمولة في مرحلة التصميم المفاهيمي، ويستخدم المهندسون مزيجاً من الديوكسينات الكترونية لحساب توزيعات الضغط والإنذار المبكر لتخزين الضغوط الناجمة عن ذلك، وتستمد الحمولات الداخلية (السمع، لحظة الإقراض، التآكل) من قوى جوية خارجية، ثم يُعتبر توزيع الإجهاد على الأعضاء الهيكلية (الزوجات، الخيوط، والثقوب، والإجهاد).
ويستخدم الخوارزميات المثلى، بما في ذلك الطبقات الطبوغرافية والتعظيم، للتقليل من الوزن إلى أدنى حد مع استيفاء متطلبات القوة والثبات والارتباك، وبالنسبة للزراعة، فإن الترميزات المُثلية ستضع عادة مواد عالية الارتداد بالقرب من الجذر والنقطة الأمامية، والانتقال إلى مواد أخف كإجهاد يخفض إلى الطرف وإلى الطرف المُقَرِّف.
ومن الجوانب الحاسمة لهذه المنهجية تحليل مدى تحمل الأضرار، وكثيرا ما تتطلب المناطق المرتفعة الحجم فترات تفتيش وتصميم حياة آمنة أو مصيدة للفشل، وقد يعني ذلك بالنسبة للأجزاء المعدنية استخدام مواد ذات قدرة أكبر على مواجهة الكسور (مثلا، 2024-T3 على 7075-T6) لضمان بطء نمو الشقوق، وبالنسبة للمركبين، يركز التحليل على الأضرار الناجمة عن التأثيرات والتطهير، مع وجود مواد مختارة لأغراض عمليات التحميل العالية)
دراسات الحالة الحقيقية في العالم في اختيار المواد العالقة
Boeing 787 Dreamliner
إنّ الـ787 تُظهرُ من التّخديرِ البسيطِ، المُثبّتات الأفقية والرأسية تُصنع في المقام الأول من "سي آر بي" مع استخدام التيتانيوم في تركيباتٍ مُحشوّة، وبعض المناطق المتّحدة من الحرارة العالية قرب وحدة الطاقة المُساعدة، وقسم التحميلات يُملّكُ من الأوزان الخفيفة.
Airbus A380
ويستخدم النفقة A380 نهجاً هجيناً، فالمثبط الأفقي هو أساساً سبائك الألومنيوم، ولكن مع وجود جلدات من طراز CFRP على الأقسام الخارجية لتوفر الوزن، ويستخدم المثبت الرأسي هيكلاً بلاستيكياً معززاً بالألياف الكربونية، ويعاد استخدامه في تركيبات الألومنيوم في المناطق ذات الكثافة الدنيا، ويستلزم توزيع هذه الطائرات الكبيرة اهتماماً دقيقاً للإجهاد الجذري؛ وتستخدم أضافات البلاستيكية الرئيسية في تركيبات البلاستيكية المتفاؤلفة.
الطيران العام: سيرروس SR22
وحتى في الطائرات الخفيفة، يؤثر توزيع الحمولة على الخيارات المادية، ويستخدم الـ SR22 تركيبة مركبة تحمل ألياف الكربون في جلدات ومصفوفات عالية التردد، ولكن الروددر والمصعد كثيرا ما يكونان من الألياف الزجاجية الأيسر أو من المركبين الأساسيين للرغاوي، ويسمح غياب لحظات عالية في النصب بتشييد مواد أبسط وأرخص دون تخريب السلامة.
الاتجاهات والمواد المستقبلية في إطار التنمية
وتهدف البحوث الجارية إلى زيادة تحسين الصلة بين توزيع الحمولة واختيار المواد، وقد تتيح تقنيات التصنيع المتقدمة مثل وضع الألياف الآلية المتغيرة للغاية، تركيبات مركبة متوافقة تماما مع حقل الإجهاد المحلي، والحد من النفايات والوزن، ومن المتوقع أن ينتج التصنيع الإضافة هياكل ذات مضاعفات متحركة من أجل تركيب قوسينات وتركيبات، باستخدام مسحوق التيتانيوم أو المثقب العالي.
وثمة حدود أخرى تتمثل في استخدام الفيتامينات الهجينة التي تجمع بين الطبقات الفلزية والمركبات، مثل المراصد الألياف (مثلاً، GLARE)، التي توفر درجة عالية من الإرهاق والتسامح في الأضرار بالنسبة للمناطق ذات الجذور العالية الكثافة، ويمكن أن تؤدي البحوث في المواد التي تُعدّل بالنووب الكربونية إلى زيادة القوة والثبات، مما يتيح إجراء تخفيضات في الوزن حتى في أدق النماذج التي تُحمّل.
كما أن دفعة الطيران المستدام هي أيضاً اتخاذ قرارات مادية، إذ يجري تقييم المركبين المزودين بالطاقة الحيوية والمصفوفات الحرارية القابلة لإعادة التدوير فيما يتعلق بمكونات الإنزال الأقل إجهاداً، مع المواءمة مع الأهداف البيئية دون المساس بالسلامة، وتساعد القدرة على التنبؤ بتوزيع الحمولات بدقة المهندسين على استخدام هذه المواد الجديدة بثقة في المناطق التي يؤدون فيها على نحو كاف.
خاتمة
إن توزيع الحمولات الهوائية عبر النسيج هو المحرك الأساسي لاختيار المواد في هذا العنصر من عناصر الطائرات الحرجة، ومن المضبوطات الجذرية العالية التي تتطلب التيتانيوم أو المكونات المتقدمة إلى النصائح ذات الضغط المنخفض التي يمكن أن تستخدم الرغاوي الخفيفة أو التكافل الحراري، فإن كل خيار مادي هو استجابة مباشرة للقوات المحلية التي شهدتها أثناء الطيران.
For further reading, see the NASA Engineering Design Handbook for Airframe Structures (NASA TP-2016-219283), the FAA Advisory Circular on Fatigue Evaluation (]AC 23-19), and the comprehensive review of composite materials in aircraft empennage structures published in