مواد مبتكرة تستخدم في سلاسل متطورة من أجل الهندسة الفضائية الجوية

تطور قياسات السلاسل في الفضاء الجوي

إن هندسة الفضاء الجوي الحديثة تعمل على حافة الحدود المادية والهيكلية، حيث يمكن أن تتلاشى في إخفاقات هائلة في قياسات الكراك أو التفشي، وتظل مقياس الإجهاد هو المجس الأساسي لرصد كيفية تلف عناصر الطائرات تحت الحمولة والذبذب والتقلب الحراري، وتتحول هذه الأجهزة إلى اشارة كهربائية قابلة للقياس، وتعطي المهندسين بيانات عن الماضي.

مبيدات الحشرات التقليدية وضغوطها

وقد كانت المواد المستخدمة في قياسات السلالات ثابتة منذ عقود، وهي سبائك نخيل نحاسية، مع معامل درجه شبه صفري من المقاومة عندما يعامل على نحو سليم بالحرارة، وكانت مقادير الرغاوي المميتة، الخ، توفر التسلسل الجيد، والحساسية الكافية )عامل الغاز حوالي ٢,٠(، والاستقرار المقبول في ظل ظروف معتدلة، والسوائر المعدنية الأخرى مثل الكيمياء العالية.

وعلى الرغم من موثوقيتها، فإن قياسات العجلات المعدنية التقليدية تواجه حدودا مادية صعبة، إذ أن الحساسية مقيدة بعامل القياس المتأصل في السبيكة، الذي يتراوح عادة بين 1.5 و4.0.

المواد المتقدمة لإعادة تشكيل أداء القذارة

وقد أدى إدخال المواد النانوية والبوليمرات المتقدمة والهيكلات البلورية المصممة إلى توسيع نطاق الحيز المخصص للتصميم بالنسبة للمستشعرات الضالة، حيث يجلب كل فئة مواد مزايا ومبادلات متميزة، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات فضائية جوية محددة.

Carbon Nanotubes (CNTs) - Strength at the Nanoscale

ونانووب الكربون هي جزيئات خلوية ذات سمات على نظام نانوتر واحد وطوله حتى مليمترات، وهي تظهر قوة غير عادية من الصلب في السادسة الواحدة، ونحو 100 مرة، وسلوك كهربائي استثنائي، يتغير بدرجة ملحوظة عندما يُشغَّل الأنبوب، وعندما تُجسَّد في مصفوفة متعددة الزمرات أو تُودع كفيلم ميكانيكي رقيق،

وتتحقق أجهزة قياس الضغط التي تستخدمها الشبكة الوطنية للتلوث عوامل قياس تتجاوز 100 في بعض التشكيلات، مقارنة بـ " 2 " من الخرسانة الثابتة، وهذه الزيادة في الحساسية التي تتطلبها أوامر الارتحال تسمح بكشف الكميات الدقيقة التي تكون غير مرئية للمقاسات المعدنية، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للمجسات التابعة للشبكة أن تتوسع بدرجة كبيرة قبل الفشل، مما يجعلها مناسبة لرصد مناطق عالية الدقة في استخدام أجهزة الاستشعار.

غرافين - "الطائرة ذات الذرّة الواحدة"

فالغرافين، وهو طبقة واحدة من ذرات الكربون التي تم ترتيبها في إطار سداسي، يوفر مزيجا فريدا من الممتلكات الميكانيكية والكهربائية، وتتراوح معامل قياسه بين 6 و 150 بحسب نوعية المواد وتشكيل القياس، مع أعلى القيم التي تحققت في عينات الكريستال الواحدة، ويعني الطابع الثنائي الأبعاد للغرافيا أنه حتى وجود خلل من المقاييس دون المقاوم للاختبارات.

بالنسبة لتطبيقات الفضاء الجوي، استقرار الدراجين الحراري هو ميزة كبيرة، ما زال سليماً هيكلياً عند درجات الحرارة التي تتجاوز 500 درجة مئوية في الغلاف الجوي غير المصحوب، وبطاقة ملائمة يمكنها أن تنجو من بيئات أكسيدية تصل إلى 300-400 درجة مئوية، وهذا يجعل من الغرافينا مرشحاً جذاباً لرصد الأجزاء الساخنة من المحركات أو نظم الحماية الحرارية على مركبات السحب.

Piezoelectric Polymers — Flexibility and Self-Powering

وتولد المواد الكهربية في بيزويز شحنة كهربائية استجابة للإجهاد الميكانيكي، أما فلوريد بوليفينيلدين وفلوريده البوليفينيلديني (PVDF) ومصفوفيه فهي أكثر البوليمرات الفائقة الدراسة في مجال الاستشعار عن طريق السلالات، بخلاف القاجز الفلزية أو القائمة على الكربون التي تتطلب مصدراً للطاقة الخارجية ودائرة جسر ويستون، تنتج أجهزة الاستشعار المصنوعة من الفولطية الفائقية المحتوية على فولطية المتناسب مباشرة.

وتتميز مقاييس الضغط التي تستخدمها قوات الدفاع الشعبي بمرونة متأصلة ويمكن اختلاقها كأفلام رقيقة )١٠-١٠٠ ميكروم( تتمسك بالأسطح الممنوعة دون المساس بالقياس، وتقترب من تأثيرات المياه والكثير من البوليمرات، مما يجعلها مفيدة في الكشف عن موجات الإجهاد في الهياكل المركبة، وقد تم في الفضاء الجوي، نشر أجهزة الاستشعار التي تعمل بالمركبات غير المقاومة للطائرات.

الأطر المعدنية - التنظيمية - التوعية الواثقة

أما الأطر الفلزية العضوية فهي مواد مخرفة بلورية تتكون من قطع معدنية مرتبطة بالوصلات العضوية، وباختيار مراكز معدنية مختلفة وألياف عضوية، يمكن للباحثين أن يصمموا أجهزة غذائية ذات خصائص كهربية وميكانيكية وكيميائية محددة، وعندما تدمج هذه المواد في أجهزة الاستشعار المضللة، فإنها توفر مساحة سطحية عالية لنقل شحنات الضغط ويمكن تصميمها للاستجابة بشكل تفضيلي للإجهاد في اتجاه معين.

وفي حين أن قياسات المضائق القائمة على أساس متعدد الأطراف لا تزال في مرحلة البحوث، فإن إمكاناتها في التكييف غير متماثلة، وقد يُستخدم جهاز استشعار من طراز MF لتجاهل التوسع الحراري والاستجابة فقط للضائق الآلي، مما يزيل الحاجة إلى دوائر للتعويض عن درجة الحرارة، وكبديل لذلك، يمكن تصميم جهاز قياس من أجل الكشف عن المضائق ووجود عوامل مسببة للتآكل، مما يوفر مضائق عمل مزدوجة في إطار نموذج من نوع كاليفورنيا.

Silicon Carbide and Other High-Temperature Semiconductors

في البيئات المتطرفة حيث يتحلل الغرافيين والنفثالينات، يقدم الكاربايد السيليكون بديلاً قوياً، السي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي بيزو باونتر ويحتفظ بممتلكاته الكهربائية بدرجات حرارة تتجاوز 600 درجة مئوية ويقاوم بشدة الإشعاع والأكسدة والملابس الميكانيكية، وتصنع مقاومة النسيج كع لقطعة

ويجري تطوير أجهزة الاستشعار الخاصة بالسي سي سي سي سي سي كي تقوم في الموقع برصد جذور النسيج العنيف، وخواطر حجر الاحتراق، ومواقع النواقص العتيقة حيث تفشل المقايس التقليدية في غضون دقائق، كما أن شركات الفضاء الجوي مثل رولز رويس وبرات وويتني قد مولت بحوثاً في مجال قياس الإجهاد اللاسلكي الذي لا يوجد مقره في سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي، وذلك بسبب ارتفاع تكلفة وتعقيد

تحليل الأداء المقارن: المواد التقليدية الجديدة ضدها

Material	Gauge Factor	Max Temperature	Flexibility	Fatigue Life
Constantan (metal foil)	~2.0	200°C	Low	10^5–10^6 cycles
Carbon Nanotubes	10–100+	300–400°C	High	>10^6 cycles
Graphene	6–150	500°C (inert)	High	>10^5 cycles
PVDF (piezoelectric)	N/A (voltage output)	100–150°C	Very high	Excellent (dynamic)
Silicon Carbide	~30–80	>600°C	Low	Good (single crystal)

ويبين الجدول الوارد أعلاه أنه لا توجد مادة واحدة تهيمن على جميع القياسات، إذ أن أجهزة استشعار النان الكربون توفر أعلى درجة من الحساسية والمرونة ولكنها تواجه تحديات في الاستقرار الطويل الأجل وإمكانية تكرار التصنيع، وتضحي قيربيد السيليكون بالمرونة من أجل التسامح إزاء درجة الحرارة القصوى، ويتوقف الخيار الأمثل على تطبيقات الفضاء الجوي المحددة، وهو ما يجعل المهندسين يستخدمون على نحو متزايد نظم الاستشعار الهجين التي تجمع بين نوعين أو أكثر من المواد.

تحديات التكامل والاعتبارات المتعلقة بالصناعات التحويلية

فالانتقال من النماذج الأولية المختبرية إلى أجهزة الاستشعار في الفضاء الجوي التي تخضع لخط الإنتاج ينطوي على التغلب على عدة عقبات، أولا، إن الاتساق المادي أمر حاسم: فالخصائص الكهربائية للنفثالينات والغرافين تتباين تباينا كبيرا استنادا إلى طريقة التوليفي، وتوزيع التعددية، وكثافة العيوب، وتستلزم المؤهلات الفضائية الجوية رقابة إحصائية صارمة على هذه البارامترات، التي ثبتت صعوبة بالنسبة للموردين النانويين.

ثانياً، يجب أن تتطور أساليب التغليف والربط بين الشبكات، فالقياسات التقليدية ترتبط بالهياكل التي تستخدم الأشعة السيانوية أو النسيجية وترتبط بأسلاك مباعة، وكثيراً ما تتطلب أجهزة الاستشعار النانوية استراتيجيات ملحقة مختلفة - مثل النمو المباشر على الرصيف الفرعي، أو الطباعة التحويلية، أو الاندماج في أماكن العمل المركبة - للحفاظ على أدائها.

ثالثا، معايير المعايرة والاعتماد لمواد قياس الإجهاد الجديد لم تنضج بعد، وتعتمد صناعة الفضاء الجوي على المواصفات الثابتة مثل نظام ASTM E251 لقياسات الرغاوي الفلزية، وقد لا تزال المعايير المكافئة للمجسات النفثاليناتية أو الجاينية أو أجهزة الاستشعار المزودة بالأشعة فوق البنفسجية قيد التطوير، مما يخلق عدم يقين لدى مهندسي التصميم الذين يجب عليهم أن يثبتوا الامتثال لأنظمة للتبني الجو.

التطبيقات الفضائية الجوية التي يمكن استخدامها بواسطة مواد نوففيل سترين غاوغ

وتسمح الخصائص الفريدة لمواد قياس السلالات المتقدمة بقدرات جديدة للرصد عبر قطاع الفضاء الجوي، من شركات الطيران التجارية إلى مركبات وسواتل ذات مقياس ضغط الدم.

رصد الصحة الهيكلية للأطر الجوية

وتصمم الطائرات الحديثة مع مبادئ التسامح إزاء الأضرار، مما يعني أنها يمكن أن تحافظ على أضرار هيكلية محدودة وأن تظل آمنة حتى التفتيش التالي، وتصبح نتائج عمليات التفتيش المتقدمة على أجهزة الاستشعار التي تعمل بالضغط - ولا سيما أجهزة القياس التي تستخدم في أجهزة الأشعة فوق البنفسجية والقياسات التي تستخدمها الجرافين - منخفضة الرصد المستمر لتركيزات الإجهاد حول الصومادات، والهروب، والقطع، وعندما تكون هذه الأجهزة مدمجة في نظام رصد الصحة الهيكلية،

مراقبة المكونات الهندسية

وتخلق محركات توربين الغازات بعض أفظع البيئات بالنسبة للمستشعرات: درجات الحرارة فوق درجة حرارة 500 درجة مئوية، وارتفاع درجة الحرارة، ومنتجات الاحتراق التآكل التآكلية، ويجري تطوير مقياس السي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي أي على وجه التحديد لهذا المجال، ويمكن أن يقاس جهاز الاستشعار اللاسلكي المزود بمقياس مدى الحياة من فرك الحديدية الصاروخة، والعلامات الحرارية،

تحليل الإجهاد المركب للمواد

وقد استخدمت الآن مركبات الألياف المعززة للبوليمرات في هياكل أولية مثل بوينغ 787 والجوبوس A350 التبريد والجنحة، غير أن المركبين يظهرون أنماطاً مختلفة للفشل من المعادن - بما في ذلك التسرب، وكسر الألياف، وكسر المصفوفة - يصعب كشفها باستخدام أجهزة قياس مضبوطة تقليدية.

Flight Control Surface Feedback

وتحتاج المحركات الميكانيكية الإلكترونية لنظم مراقبة الطيران بالزبائن والزبائن إلى معلومات دقيقة عن الوضع والضغط، ويمكن أن تقاس أجهزة الاستشعار البوليمرية المتطورة التي تدمج مباشرة في الروابط المُضيّقة أو تُراقب السطحية التحميلات الدينامية أثناء المناورة، وتحسن هذه البيانات قوانين مراقبة الطيران وتتيح الصيانة المتوقعة للمحاضرين، وتجعلها المرونة والكتلة المنخفضة من أجهزة الاستشعار ذات الأهمية الحاسمة.

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

ومن الاتجاهات الناشئة العديدة التي ستشكل الجيل القادم من مواد قياس الضغط في الفضاء الجوي، ومن الاتجاهات الواعدة تطوير أجهزة استشعار للضغط الذاتي التي تتضمن كميات صغيرة من المواد السلوكية، وعندما تمزق الكبسولات وتعيد الاستمرارية الكهربائية، فتؤدي النماذج الأولية باستخدام كبسولات مجهزة بالشبكة إلى إظهار القدرة على استعادة الحساسية الأصلية بعد 80 إلى 90 في المائة.

وثمة حدود أخرى تتمثل في دمج الاستشعار عن طريق جني الطاقة، إذ يمكن للمتعددات الفلزية والناجينات الثلاثية الأبعاد أن تقيس في آن واحد طاقة الاستنشاق والثبات الحيوية، التي يمكن أن تكون قادرة على تشغيل أجهزة الاستشعار اللاسلكية بدون بطاريات، وقد أظهر متظاهر طيران على مركبة جوية صغيرة غير مأهولة أن محصول الطائرة يمكن أن يولد طاقة كافية لنقل سلالات كل ثلاثين ثانية.

وأخيرا، فإن التعلم الآلي وتكنولوجيات التوأم الرقمية تحولان إلى كيفية تفسير البيانات الضالة من أجهزة الاستشعار المتقدمة، بدلا من الاعتماد على أجهزة إنذار بعتبة بسيطة، يمكن للشبكات العصبية تحليل الموجة الكاملة من أجهزة الاستشعار التي تستخدم في النفثالينات أو الجاموس لتحديد التوقيعات الضالة التي تسبق الفشل الهيكلي، وقد يؤدي هذا النهج، إلى زيادة الحساسية من قياسات النانوية، إلى زيادة عدم اليقين في أساليب الحياة الدهونية الحالية.

خاتمة

أما المواد المستخدمة في مقاييس الإجهاد الحديثة لهندسة الفضاء الجوي فقد تجاوزت بكثير الجنين الثابت، أما النانووبات الكربونية، والرسوم البيانية، والبوليمرات الفائقة الفطائرية، والأطر المركبة للمعادن، وكل من هذه المواد توفر مزايا متميزة تزيد من حدود ما يمكن قياسه ورصده على الطائرات والمركبات الفضائية، وفي حين تظل التحديات قائمة في مجال الاتساق والتغليف، والوصم، فإن الجيل الصناعي الأكثر أمنا:

For further reading, see the comprehensive review of nanomaterial strain sensors published in Sensors and the aerospace-specific guidelines from ]SAE International. NASA's