سفر به فضا با سازه‌هاي كامپوزيتي

[renger]

 سفر به فضا با سازه‌هاي كامپوزيتي 
 [External Link Removed for Guests] 
  همكاري محققان 3دانشگاه كاليفرنيا ، ليون و اميركبيرمحقق  

[COLOR=#005]جام جم آنلاين:  اگرچه چندسازه‌ها با اصطلاح علمي كامپوزيت چند سالي است كه در محافل علمي جهان مطرح شده‌اند؛ اما قدمتي به اندازه تاريخ بشريت دارند و از اولين‌هاي آنها مي‌توان به كاهگل، قايق‌هايي كه سرخپوست‌ها با قير و بامبو مي‌ساختند و تنورهايي كه از گل، پودر شيشه و پشم بز ساخته مي‌شدند، اشاره كرد.
البته در طول تاريخ استفاده از مواد تركيبي ادامه يافته و بررسي‌ها و تحقيقات براي دست يافتن به مواد جديدتر با خواص مكانيكي بهتر، همواره انجام مي‌گرفته است و هنوز هم همگام با پيشرفت صنايع دنبال مي‌شود. در اين ميان از آنجايي كه بسياري از نيازهاي صنايعي مانند صنايع فضايي، رآكتورسازي و الكترونيك نمي‌تواند با استفاده از مواد معمولي شناخته شده برآورده شود، كامپوزيت‌ها به عنوان گزينه‌اي مناسب براي مرتفع كردن اين نيازها مطرح شده‌اند. استفاده از اين تركيب استثنايي در سازه‌هاي فضايي كاري است كه گروهي از دانشجويان مهندسي مواد و مكانيك دانشگاه‌هاي كاليفرنيا آمريكا، ليون فرانسه و صنعتي اميركبير ايران در طرحي مشترك آغاز كرده و در نهايت موفق به مدلسازي هندسي، طراحي و ساخت پايلوت سازه فضاپيماي كامپوزيتي شده‌اند.
  سازه‌هاي مختلف مهندسي ازجمله در محصولات صنعت هوافضا به موادي نياز است كه ضمن داشتن استحكام بالا، سبك باشند و مقاومت سايشي و گرمايي خوبي داشته باشند، اما از آنجا كه نمي‌توان ماده‌اي يافت كه همه خواص مورد نظر را دارا باشد، بايد به دنبال چاره‌اي ديگر بود. كليد اين مشكل، استفاده از كامپوزيت‌هاست. كامپوزيت‌ها موادي چند جزئي هستند كه خواص آنها در مجموع از هر كدام از اجزا بهتر است. ضمن آن كه اجزاي مختلف، كارايي يكديگر را بهبود مي‌بخشند همه اين محاسن موجب شده‌اند به واسطه سرعت زياد فضاپيماها در هنگام پرواز و ورود به جو بدنه و تحمل دماي زيادي، كامپوزيت‌ها به گزينه‌اي الزامي تبديل شوند. ضمن آن كه حضور كامپوزيت‌ها در فضاپيما باعث تحمل دماي زياد و در عين حال به حداقل رساندن وزن آن مي‌شوند. 
  حاجي‌خاني، شيرين فرزانگان و سميه وطن‌پرست از دانشگاه صنعتي اميركبير به همراه كاوه آذري، كارشناس ارشد مهندسي مواد از دانشگاه اشوود كاليفرنيا از اعضاي اصلي تيم طرح مشتركي هستند كه در ارتباط با سازه‌هاي فضايي كامپوزيتي انجام شده است. به اعتقاد آنها، يكي از مهم‌ترين ويژگي‌هاي اين سازه فضايي به كارگيري مواد سبك و پيشرفته است كه كاربرد آن را تا حد قابل توجهي افزايش مي‌دهد. مهندس كاوه آذري طراح اصلي طرح با بيان اين مطلب كه مديريت اين پروژه بر عهده دكتر حميد اميدوار از دانشگاه ليون فرانسه است اضافه مي‌كند: بدنه، بال و بالك اين فضاپيما به ترتيب از كامپوزيت فول هيبريدي هوشمند و هيبريدي متشكل از پليمر و ورق فلزي ساخته شده است. وي درخصوص نحوه به كارگيري اين فضاپيما خاطرنشان مي‌كند: اين سفينه يك فضاپيماست كه با هدف انجام سفرهاي فضايي در نظر گرفته شده و براي به كارگيري آن لازم است كه اين سفينه تا ارتفاع مشخصي با هواپيما حمل شود و از اين ارتفاع موتورهاي راكت فضاپيما روشن و سفينه پرتاب مي‌شود و به سمت بيرون جو شروع به حركت مي‌كند و از زماني كه از جو خارج مي‌شود در يك مدت زمان خاص و تعيين شده سفر فضايي خود را انجام مي‌دهد و در نهايت با يك پرواز گلايدري به سوي زمين فرود مي‌آيد. وي در ادامه خاطرنشان كرد: سفر فضايي اين سفينه در ارتفاع 14 تا 15 كيلومتري سطح زمين كه تقريبا بالاي اتمسفر زمين و داراي هواي رقيق است، آغاز مي‌شود. در اين ارتفاع تقريبا 85 درصد اتمسفر زمين پشت‌سر گذاشته شده و هوا بسيار رقيق است كه مي‌تواند مكاني بسيار مناسب براي شروع پرتاب به خارج از جو زمين باشد. در اين ارتفاع سفينه فضاپيما از هواپيمايي كه به وسيله آن به اين ارتفاع حمل شده جدا مي‌گردد و به مدت 10 ثانيه براي رسيدن به شرايط مطلوب براي پرتاب به طرف بالا بدون هيچ حركتي باقي مي‌ماند تا شرايط براي روشن شدن راكت محيا شود. در اين زمان، خلبان فضاپيما فرمان آتش را به راكت فضاپيما مي‌دهد و فضاپيما با شتاب 2 تا 3 برابر گرانش زمين به سمت بالا شروع به حركت مي‌كند.  
يكي از مهم‌ترين ويژگيهاي اين سازه فضايي به كارگيري مواد سبك و پيشرفته است كه كاربرد آن را به گونه قابل توجهي افزايش مي‌دهد
اين شتاب‌گيري به مدت تقريبا يك دقيقه و تا مدتي كه سوخت فضاپيما در حال مصرف است ادامه مي‌يابد. در مدت اين شتاب‌گيري يك دقيقه‌اي، فضاپيما به ارتفاع 46 كيلومتري رسيده و در اين ارتفاع سوخت راكت تمام مي‌شود؛ اما سفينه به دليل اينرسي حركتي زيادي كه دارد، همچنان با سرعت حدودا 3250 كيلومتر بر ساعت به صورت عمودي به حركت خود ادامه مي‌دهد. در اين مدت تا وقتي كه سفينه به نقطه اوج خود برسد، جك‌هاي هيدروليك فضاپيما از آن خارج شده و نيمه‌اي از بال و دم فضاپيما به سمت بالا سوق داده مي‌شود (همانند شخصي كه دولا مي‌شود تا مچ پاي خود را بگيرد)، در اين حالت سرعت فضاپيما كاهش پيدا مي‌كند. فضاپيما با سرعتي كه دارد، همچون گلايدر به صورت عادي پرواز مي‌كند و اين روند تا زماني كه زاويه بين بدنه فضاپيما تا نيمه دوم بال به 65 درجه برسد، ادامه مي‌يابد (حدود 10 تا 15 دقيقه.) در اين مدت، فضاپيما در حال سفر فضايي خود است و ساكنان داخل آن مي‌توانند از ديدن فضاي زيباي بيرون فضاپيما لذت ببرند. گفتني است سفينه مذكور از لحظه خاموش شدن راكت تا رسيدن به سقف پرواز مطلق در حالت بي‌وزني (برآيند شتاب گرانشي معادل صفر) قرار دارد.

  كه سفينه فضاپيما به نقطه اوج خود رسيد، براي بازگشت به زمين آماده مي‌شود. اين حركت به صورت سهمي‌گون يا منحني بالستيك است. در اين حالت فضاپيما به سمت پايين آمده و وارد جو زمين مي‌شود كه در اين حالت دماي بدنه فضاپيما به دليل ورود به لايه‌هاي ضخيم اتمسفر و اصطكاك بين بدنه و جو تقريبا به 1250 درجه سانتي‌گراد مي‌رسد. در اين حالت فضاپيما طوري قرار مي‌گيرد كه هوا به سطح زيرين آن برخورد داشته باشد و همزمان نيمه عقبي بال و دم فضاپيما بالا هستند. بنابراين با برخورد هوا به سطح زيرين فضاپيما به علت چسبندگي مولكولي هوا، نيروي مقاومي ايجاد شده كه باعث كاهش سرعت فضاپيما مي‌شود و شتاب كاهش سرعت فضاپيما در حدود 5 تا 6 برابر شتاب گرانش مي‌شود. اين حالت تا زماني كه فضاپيما به ارتفاع 50 يا 60 هزارپايي مي‌رسد، ادامه مي‌يابد. نهايتا فضاپيما در فرودگاهي كه از آن شروع به پرواز كرده مي‌نشيند.  
  اضافه مي‌كند: اين سازه از اين رو كه در شرايط خاص مكانيكي و با پرتاب راكتي عازم فضا مي‌شود، بايد داراي بدنه‌اي با مقاومت عالي در برابر انرژي‌ها يا ضربات ناگهاني باشد و بر همين اساس كامپوزيت مورد استفاده در اين سازه هوشمند است به گونه‌اي كه اين كامپوزيت حاوي الياف كربن كولار به همراه ماده هوشمندي با عنوان آلياژ نايتينول در يك زمينه پليمري است. در واقع قرار دادن اين آلياژ حافظه‌دار در اين سازه باعث مي‌شود كه خاصيت ايده‌آلي براي كامپوزيت ايجاد شود، وجود نايتينول سبب ايجاد تنش بازيابي كششي در هنگام اعمال هر گونه ضربه يا تنش به بدنه كامپوزيتي سفينه مي‌شود و اين عمل از تخريب سازه جلوگيري و آن را در برابر ضربات وارده ايمن مي‌كند. در واقع اين آلياژ مي‌تواند با طي يك استحاله رفت و برگشتي تنش‌هاي وارده را دفع كند. بال اين فضاپيما در حين پرواز شرايط خاصي از نظر مكانيكي و ديناميكي دارد. كامپوزيت به كار رفته در اين قسمت با تركيبي از الياف پليمري و ورق فلزي در عين سبكي داراي استحكام مكانيكي مناسب به همراه خواص ارتعاشي ايده‌آل است. در واقع سازه بال در شرايط تحت ارتعاشي لرزش از خود نشان نمي‌دهد، به اين ترتيب مانع ايجاد حالت خستگي و افت كيفي در سازه مي‌شود. مهندس آذري در انتها با تاكيد بر اين كه اين طرح در حال حاضر مورد تاييد علمي سازمان پژوهش‌هاي علمي صنعتي ايران (به عنوان بالاترين مرجع تاييد علمي اختراعات در ايران) است، در آينده نزديك در قالب يك پتنت بين‌المللي به ثبت خواهد رسيد. گفتني است كه هم‌اكنون محققان تيم طرح در حال مذاكره با نهادها و مراكز مربوط براي ساخت صنعتي اين سازه هستند.