لماذا أصبحت أقمشة الألياف الكربونية المنسوجة بشكل لولبي متعدد المحاور هي المفضلة الجديدة لـ«الاقتصاد منخفض الارتفاع»؟

ما المتطلبات الجديدة التي يفرضها تطور اقتصاد الطيران المنخفض الارتفاع على المواد؟

في حالة الطائرات المُسيَّرة والطائرات الكهربائية العمودية الإقلاع والهبوط (eVTOL)، لا تعني «الخفة» ببساطة تقليل الوزن.

إن خفض وزن الطائرة يقلل استهلاك الطاقة أثناء الطيران، ويطيل مدة الطيران، ويزيد من سعة الحمولة. وبالتالي، ظل تقليل الوزن الهيكلي إلى أدنى حدٍّ ممكن مع ضمان السلامة الهيكلية والصلابة دائمًا تحديًّا رئيسيًّا في تصميم الطائرات المنخفضة الارتفاع.

وفي الوقت نفسه، يجب أن تكون الطائرات المنخفضة الارتفاع قادرةً أيضًا على التكيُّف مع ظروف التحميل المعقدة.

ويتعرَّض جسم الطائرة والأذرع والأجنحة والمراوح والهياكل الواصلة لمجموعة متنوعة من الأحمال أثناء الطيران، ومنها الشد والضغط والانحناء والالتواء والاهتزاز.

وهذا يعني أن المادة الهيكلية المثالية يجب أن تمتلك ليس فقط مقاومةً عاليةً وصلابةً عاليةً، بل ويجب أن تكون قابلةً للتصميم بشكلٍ خاصٍّ لتتناسب مع اتجاه القوى المؤثرة في أجزاء مختلفة من الهيكل.

هذا هو بالضبط المكان الذي تكمن فيه مزايا أقمشة الحياكة المحورية المتعددة من ألياف الكربون.

ما هي أقمشة الحياكة المحورية المتعددة من ألياف الكربون؟

وخلافًا للأقمشة الشائعة من ألياف الكربون ذات النسج العادي أو السداسي باتجاهَي ٠° و٩٠°، فإن الأقمشة المحكّة محوريًّا المتعددة لا تُجرّب الألياف ببساطة.

فهي تسمح بتوزيع ألياف الكربون في اتجاهات مختلفة، مثل:

مزيج من الاتجاهات ٠° و±٤٥° و٩٠°، ومن غيرها.

وتتحمّل الألياف في الاتجاهات المختلفة الأحمال في اتجاهات مختلفة، ثم تثبّت خيوط الحياكة المحورية الطبقات الفردية من الألياف لتشكّل كيانًا موحّدًا.

ويتيح هذا التركيب أن يتطابق اتجاه الألياف في المادة بشكل أفضل مع ظروف الإجهاد الفعلية التي تتعرّض لها المنتجات.

وببساطة:

وأينما كان لا بدّ من تحمل قوةٍ ما في اتجاهٍ معيّن، يمكن ترتيب عدد أكبر من الألياف في ذلك الاتجاه.

وهذا يجعل أقمشة ألياف الكربون المجدولة متعددة المحاور مناسبةً بشكلٍ خاصٍ لهياكل الطائرات والمركبات الجوية ذات الارتفاع المنخفض، التي تفرض متطلباتٍ عاليةً على الأداء الهيكلي والوزن معًا.

لماذا تكون مناسبةً جدًّا للطائرات المُسيَّرة؟

١. التحميل في اتجاهاتٍ متعددةٍ لتلبية المتطلبات المعقدة للتحميل

فالطائرات المُسيَّرة لا تتعرَّض لقوى من اتجاهٍ واحدٍ فقط.

فعلى سبيل المثال، أثناء الطيران، تتعرَّض الذراعان في الوقت نفسه لأحمالٍ مثل الانحناء والالتواء والاهتزاز.

وإذا استُخدمت فقط طبقات ألياف أحادية الاتجاه، يصعب حينها تلبية المتطلبات الميكانيكية في الاتجاهات المختلفة.

أما في المقابل، فإن الهياكل متعددة المحاور تسمح بتصميمٍ ميكانيكيٍ أكثر عقلانيةٍ من خلال دمج أليافٍ موجَّهةٍ بزوايا مختلفةٍ، مثل ٠° و±٤٥° و٩٠°.

على وجه التحديد:

ألياف ٠° تحمل أساسًا الأحمال الشدّية والضغطية الطولية؛

ألياف ±٤٥° تعزيز مقاومة الهيكل للأحمال القصية والالتوائية؛

فيما ألياف بزاوية ٩٠ درجة تساعد في تحسين الاستقرار الجانبي.

وبدمج الألياف عند زوايا مختلفة، يمكن تحقيق تصميم هيكلِيٍّ أكثر عقلانية لتحمل الأحمال.

٢. مزايا استثنائية في خفض الوزن

وفي الطائرات، فإن أي تخفيض طفيف في وزن الهيكل يُحقِّق فوائد أداء ملموسة.

وتتمتَّع ألياف الكربون بطبيعتها بمقاومة نوعية وصلابة نوعية عالية، ما يمنحها مزايا كبيرة في تحقيق التخفيف الهيكلي للوزن.

وعلاوةً على ذلك، تتيح أقمشة الحياكة المحكمة متعددة المحاور توجيه الألياف وفق خصائص الأحمال المؤثرة في المنتج، مما يقلل من التراكب غير الضروري للمواد مع الوفاء في الوقت نفسه بمتطلبات الأداء الهيكلي.

وبالتالي، لا يقتصر هذا النهج على مجرد «استبدال المواد الأثقل بمواد أخف»، بل هو أسلوب لتحقيق التخفيف الهيكلي للوزن عبر تحسين توجيه الألياف.

لماذا تجذب الأقمشة المنسوجة بالغزل المتعدد الاتجاهات اهتمامًا أكبر من الأقمشة التقليدية؟

وبجانب خصائصها الميكانيكية، تقدّم الأقمشة المنسوجة بالغزل متعددة المحاور ميزةً كبيرةً أخرى: كفاءة الترتيب الطبقي.

في عمليات تصنيع المواد المركبة التقليدية، غالبًا ما يلزم قصّ الألياف المُوجَّهة في اتجاهات مختلفة وترتيبها بشكل منفصل، ثم تكديسها على عدة طبقات وفقًا لمتطلبات التصميم.

أما الأقمشة المنسوجة بالغزل متعددة المحاور، فتتيح دمج الألياف المُوجَّهة في اتجاهات عدّة في مادة واحدة متكاملة مسبقًا. وهذا يعني أنه في بعض الهياكل، يمكن تخفيض عدد خطوات الترتيب الطبقي، وبالتالي تحسين كفاءة وضع المادة.

وهذا أمرٌ بالغ الأهمية لإنتاج الطائرات منخفضة الارتفاع على نطاق واسع في المستقبل.

ويرجع ذلك إلى أن الطائرات المُسيَّرة، مع انتقالها من «التخصيص بكميات صغيرة» إلى «الإنتاج الضخم»، يجب أن تلبّي الموادُ متطلبات الأداء لا محالة، بل ويجب أيضًا أخذ العوامل التالية في الاعتبار:

كفاءة الإنتاج، واستخدام المواد، واستقرار العمليات، وتكاليف التصنيع.

وبالتالي، لا تكمن قيمة أقمشة الحياكة بالغزل المُوجَّه متعدد المحاور في «أداء المادة» فحسب، بل أيضًا في «كفاءة التصنيع».

أين قد تُستخدم أقمشة الكربون الليفي متعددة المحاور في المستقبل؟

مع استمرار تطور اقتصاد الطيران المنخفض الارتفاع، الاستخدام لا يقتصر استخدام مواد الكربون الليفي متعددة المحاور على المكونات الفردية.

ومن المجالات التي تستحق المراقبة في المستقبل ما يلي:

١. هياكل جسم الطائرات غير المأهولة (UAV)

تُستخدم في أغلفة الجسم، والهياكل الحاملة للحمولات والمكونات الأخرى لتحقيق خفض الوزن وتعزيز البنية.

٢. أذرع الطائرات غير المأهولة (UAV)

من خلال دمج ألياف مُوجَّهة في اتجاهات مختلفة، تزداد مقاومة الأذرع للانحناء والالتواء.

٣. الأجنحة وهيكل الأجنحة

يتم تصميم اتجاه الألياف وفقًا لخصائص الأحمال في مناطق مختلفة من الجناح لتحقيق أقصى كفاءة هيكلية.

٤. جسم الطائرة الكهربائية العمودية الإقلاع والهبوط (eVTOL) والهياكل الداخلية الحاملة للأحمال

تلبية المتطلبات الشاملة للطائرات الكبيرة من حيث القوة العالية، والخفة في الوزن، والاستقرار الهيكلي.

٥. الدوارات والمكونات المركبة الأخرى

تصميم ترتيبات الألياف وفقًا لاتجاهات الأحمال المحددة لتوفير حلول مادية لهياكل مركبة معقدة.

وي نو: توفير مواد ألياف الكربون للطائرات المنخفضة الارتفاع

وبصفتها مورِّدًا لمركبات ألياف الكربون، تقدم شركة وي نو مجموعة متنوعة من المنتجات شامل الأقمشة المنسوجة من ألياف الكربون الأقمشة التعزيزية أحادية الاتجاه، والمواد المسبقة التشكيل (prepregs)، والأقمشة المحكمة الحياكة متعددة المحاور، ولوحات ألياف الكربون، والمكونات المشغَّلة باستخدام ماكينات التحكم العددي بالحاسوب (CNC)، كما تمتلك قدرات معالجة شاملة تشمل جميع المراحل من المواد الأولية إلى المنتجات شبه المصنعة.

وبشكل خاص، تتمكّن خط إنتاج الأقمشة المحكوة بالغزل المتعدد المحاور من ألياف الكربون من توفير حلول موادٍ ذات اتجاهات مختلفة للألياف وتركيبات متنوعة للوزن السطحي لتلبية متطلبات التصميم الهيكلي المتنوعة لدى العملاء.

أمام ازدهار اقتصاد الطيران المنخفض الارتفاع بسرعة، تبرز الابتكارات في المواد كعامل محوري في تخفيف وزن الطائرات.

وفي المستقبل، قد تصبح أقمشة الألياف الكربونية المحكوة بالغزل المتعدد المحاور إحدى المواد الأساسية التي تُمكّن المزيد من الطائرات المنخفضة الارتفاع من «الإقلاع بحمولة أخف».