"חומרים לא מסורתיים" הוא אחד התחומים החשובים ביותר בפיתוח הטכנולוגיה בתעשייה הצבאית והחללית. חומרים צריכים לעשות יותר מאשר רק לשמש מבנה תומך - הם צריכים להיות חומרים חכמים
חומרים חכמים הם סוג מיוחד של חומרים בעלי יכולת לפעול כמפעיל וכחיישן, המספקים את העיוותים המכניים הדרושים הקשורים לשינויי טמפרטורה, זרם חשמלי או שדה מגנטי. מכיוון שחומרים מרוכבים מורכבים ביותר מחומר אחד ובשל ההתקדמות הטכנולוגית המודרנית, ניתן כעת לכלול חומרים (או מבנים) אחרים בתהליך מתן פונקציונליות משולבת בתחומים כגון:
- מורפינג, - ריפוי עצמי, - תפיסה, - הגנה מפני ברקים, ו
- אחסון אנרגיה.
נתמקד בשני התחומים הראשונים במאמר זה.
חומרי מורפינג ומבני מורפינג
חומרי מורפינג כוללים את החומרים שבעקבות אותות הקלט, משנים את הפרמטרים הגיאומטריים שלהם ואשר מסוגלים לשחזר את צורתם המקורית כאשר האותות החיצוניים עוצרים.
חומרים אלה, בשל תגובתם בצורה של שינוי צורה, משמשים כמפעילים, אך ניתן להשתמש בהם גם בצורה הפוכה, כלומר כחיישנים שבהם השפעה חיצונית המופעלת על החומר הופכת ל אוֹת. היישומים החלליים של חומרים אלה הם מגוונים: חיישנים, מפעילים, מתגים במתקנים ומכשירים חשמליים, אוויוניקה וחיבורים במערכות הידראוליות. היתרונות הם: אמינות יוצאת דופן, חיי שירות ארוכים, ללא דליפות, עלויות התקנה נמוכות וצמצום משמעותי בתחזוקה. בפרט, בקרב מפעילים העשויים מחומרים מורפים וסגסוגות זיכרון צורות, מעניינים במיוחד מפעילים לבקרה אוטומטית של מערכות קירור אוויוניקה ומפעילים לסגירה / פתיחה של בולמי הנחייה במערכות מיזוג אוויר בתא הטייס.
חומרים שמשנים צורה כתוצאה מיישום שדה חשמלי כוללים חומרים פיזואלקטריים (תופעת הקיטוב של חומרים בעלי מבנה גבישי בפעולת מתחים מכניים (אפקט פיזואלקטרי ישיר) ודפורמציות מכניות בפעולה של שדה חשמלי (אפקט פיזואלקטרי הפוך)) וחומרים חשמליים. ההבדל טמון בתגובה לשדה חשמלי מיושם: חומר פיזואלקטרי יכול להתארך או להתקצר, בעוד שחומר אלקטרו -קיצוני רק מתארך, ללא קשר לכיוון השדה המוחל. במקרה של חיישנים, המתח הנוצר על ידי מתח מכני נמדד ומעובד על מנת לקבל מידע על אותו מתח. חומרים אלה בעלי אפקט פיזואלקטרי ישיר נמצאים בשימוש נרחב בחיישני האצה ועומס, חיישנים אקוסטיים.חומרים אחרים המבוססים על האפקט הפיזואלקטרי ההפוך משמשים בכל המפעילים; הם משמשים לעתים קרובות במערכות אופטיות ללווייני סיור, מכיוון שהם מסוגלים להתאים את מיקום העדשות והמראות בדיוק של ננומטר. החומרים הנ ל כלולים גם במבנים מורפים על מנת לשנות מאפיינים גיאומטריים מסוימים ולהקנות מאפיינים נוספים מיוחדים למבנים אלה. מבנה מורפי (נקרא גם מבנה חכם או מבנה פעיל) מסוגל לחוש שינויים בתנאים חיצוניים עקב פעולת מערכת החיישנים / מתמרים אלקטרומכניים המובנים בתוכו. בדרך זו (בשל נוכחותם של אחד או יותר מעבדים ואלקטרוניקה כוחית) ניתן לעורר שינויים מתאימים בהתאם לנתונים המגיעים מהחיישנים, ומאפשרים למבנה להסתגל לשינויים חיצוניים. ניטור פעיל כזה חל לא רק על אות קלט חיצוני (למשל לחץ מכני או שינוי צורה), אלא גם על שינויים במאפיינים הפנימיים (למשל נזק או כישלון). היקף היישום רחב למדי וכולל מערכות חלל, מטוסים ומסוקים (שליטה ברטט, רעש, שינוי צורות, חלוקת מתחים ויציבות איראלסטית), מערכות ימיות (ספינות וצוללות), כמו גם טכנולוגיות הגנה.
אחת המגמות להפחתת רעידות (רעידות) המתרחשות במערכות מבניות מעניינת מאוד. חיישנים מיוחדים (המורכבים מקרמיקה פיזואלקטרית רב שכבתית) ממוקמים בנקודות הלחוצות ביותר על מנת לזהות רעידות. לאחר ניתוח האותות הנגרמים על ידי רטט, המיקרו-מעבד שולח לאות המפעיל אות (ביחס לאות המנותח), המגיב בתנועה מתאימה המסוגלת לעכב רטט. משרד הטכנולוגיה של תעופה יישומית של צבא ארה"ב ונאס"א בדקו מערכות פעילות דומות במטרה להפחית את הרטט של כמה אלמנטים במסוק CH-47, כמו גם את מטוסי הזנב של לוחם F-18. ה- FDA כבר החל לשלב חומרים פעילים בלהבי הרוטור כדי לשלוט ברטט.
ברוטור ראשי קונבנציונאלי, הלהבים סובלים מרמות רטט גבוהות הנגרמות כתוצאה מסיבוב וכל התופעות הקשורות לכך. מסיבה זו, וכדי להפחית את הרטט ולהקל על השליטה בעומסים הפועלים על הלהבים, נבדקו להבים פעילים בעלי כיפוף גבוה. בסוג מיוחד של בדיקה (המכונה "מעגל פיתול מוטבע"), כאשר זווית ההתקפה משתנה, הלהב מעוות לכל אורכו הודות לסיבוב הפעיל של סיבים פעילים AFC (סיבים אלקטרו-קרמיים המשובצים במטריצת פולימר רכה) משולבים לתוך מבנה הלהב. הסיבים הפעילים מוערמים בשכבות, שכבה אחת מעל השנייה, על המשטחים העליונים והתחתונים של הלהב בזווית של 45 מעלות. עבודת הסיבים הפעילים יוצרת מתח מבוזר בלהב, הגורם לכיפוף מקביל לאורך כל הלהב, שיכול לאזן את רעידות הנדנדה. בדיקה נוספת ("הפעלת נדנדות נפרדות") מאופיינת בשימוש נרחב במנגנונים פיזואלקטריים (מפעילים) לבקרת רטט: מפעילים ממוקמים במבנה הלהב כדי לשלוט בפעולה של כמה מסיטים הממוקמים לאורך הקצה העקרוני. לפיכך, מתרחשת תגובה אירואלסטית שיכולה לנטרל את הרטט שנוצר על ידי המדחף. שני הפתרונות הוערכו על מסוק CH-47D אמיתי במבחן שנקרא MiT Hower Test Sand.
הפיתוח של אלמנטים מבניים מורפים פותח נקודות מבט חדשות בעיצוב מבנים בעלי מורכבות מוגברת, בעוד שמשקלם ועלותם מופחתים באופן משמעותי. הפחתה ניכרת ברמות הרטט מתורגמת ל: חיי מבנה מוגדלים, פחות בדיקות תקינות מבניות, רווחיות מוגברת של עיצובים סופיים מכיוון שמבנים כפופים לרטט, נוחות מוגברת, שיפור ביצועי הטיסה ושליטה ברעשים במסוקים.
על פי נתוני נאס א, צפוי כי במהלך 20 השנים הקרובות הצורך במערכות מטוסים בעלות ביצועים גבוהים שיהפכו לקלים וקומפקטיים יותר ידרוש שימוש נרחב יותר בעיצובים מורפים.
חומרים לריפוי עצמי
חומרים לריפוי עצמי השייכים למעמד החומרים החכמים מסוגלים לתקן באופן עצמאי נזקים הנגרמים כתוצאה מלחץ מכני או השפעות חיצוניות. בעת פיתוח חומרים חדשים אלה שימשו מערכות טבע וביולוגיות (למשל, צמחים, כמה בעלי חיים, עור אדם וכו ') כמקור השראה (למעשה, בהתחלה קראו להם חומרים ביוטכנולוגיים). כיום ניתן למצוא חומרים לריפוי עצמי במרוכבים מתקדמים, פולימרים, מתכות, קרמיקה, ציפויים נגד קורוזיה וצבעים. דגש מיוחד מושם על יישומם ביישומי חלל (מחקר רחב היקף מתבצע על ידי נאס"א וסוכנות החלל האירופית), המתאפיינים בוואקום, הבדלי טמפרטורה גדולים, רעידות מכניות, קרינה קוסמית, כמו גם הפחתת נזקים. נגרם כתוצאה מהתנגשויות עם פסולת חלל ומיקרו -מטוריטים. בנוסף, חומרים לריפוי עצמי חיוניים לתעשיות התעופה והביטחון. חומרים מרוכבים פולימר מודרניים המשמשים בחללים ויישומים צבאיים חשופים לנזקים הנגרמים כתוצאה מאש מכנית, כימית, תרמית, אש של האויב, או שילוב של גורמים אלה. מכיוון שקשה להבחין ולתקן נזקים בתוך חומרים, הפתרון האידיאלי יהיה לחסל את הנזק שאירע ברמת הננו והמיקרו ולהשיב את החומר למאפייניו ולמצבו המקורי. הטכנולוגיה מבוססת על מערכת שלפיה החומר כולל מיקרו כמוסות משני סוגים שונים, האחד מכיל רכיב לריפוי עצמי והשני זרז מסוים. אם החומר ניזוק, המיקרו -קפסולות נהרסות ותכולתן יכולה להגיב זו עם זו, למלא את הנזק ולהחזיר את תקינות החומר. לפיכך, חומרים אלה תורמים רבות לבטיחות ולעמידות של חומרים מרוכבים מתקדמים במטוסים מודרניים, תוך ביטול הצורך בניטור פעיל יקר או תיקון ו / או החלפה חיצוניים. למרות המאפיינים של חומרים אלה, יש צורך לשפר את תחזוקת החומרים המשמשים את התעשייה האווירית, ומוצעות לתפקיד זה צינורות פחמן רב שכבתיים ומערכות אפוקסי. חומרים עמידים בפני קורוזיה מגבירים את חוזק מתיחה ותכונות השיכוך של החומרים המרוכבים ואינם משנים את עמידות הלם התרמי. מעניין גם לפתח חומר מרוכב בעל מטריצה קרמית - הרכב מטריקס הממיר כל מולקולת חמצן (החודרת לחומר כתוצאה מפגיעה) לחלקיק סיליקון -חמצן בעל צמיגות נמוכה, שיכול לזרום לנזקים עקב כך לאפקט הנימי ומלא אותם. נאס"א ובואינג מתנסים בסדקים לריפוי עצמי במבנים בחלל באמצעות מטריצת אלסטומר פולידימתילסילוקסאן עם מיקרו כמוסות מוטבעות.
חומרים לריפוי עצמי מסוגלים לתקן נזקים על ידי סגירת הפער סביב החפץ המחורר. מן הסתם, יכולות כאלה נלמדות ברמת ההגנה, הן לשריון כלי רכב וטנקים והן למערכות הגנה אישיות.
חומרים לריפוי עצמי ליישומים צבאיים דורשים הערכה מדוקדקת של המשתנים הקשורים לנזק היפותטי.במקרה זה, נזק ההשפעה תלוי ב:
- אנרגיה קינטית עקב הכדור (מסה ומהירות), - עיצובי מערכת (גיאומטריה חיצונית, חומרים, שריון) וכן
- ניתוח גיאומטריה של התנגשות (זווית מפגש).
בהתחשב בכך, DARPA ומעבדות הצבא האמריקאי מתנסות בחומרים המתקדמים ביותר לריפוי עצמי. בפרט, פונקציות שיקום יכולות להיפתח על ידי חדירת קליעים כאשר ההשפעה הבליסטית גורמת לחימום מקומי של החומר, מה שמאפשר ריפוי עצמי.
מחקרים ובדיקות של זכוכית לריפוי עצמי מעניינים מאוד, שבהם סדקים הנגרמים כתוצאה מפעולה מכנית כלשהי מתמלאים בנוזל. ניתן להשתמש בזכוכית לריפוי עצמי בייצור של שמשות חסינות כדורים של כלי רכב צבאיים, שיאפשרו לחיילים לשמור על נראות טובה. הוא יכול למצוא יישום גם בתחומים אחרים, תעופה, תצוגות מחשב וכו '.
אחד האתגרים העתידיים העיקריים הוא הארכת חיי חומרים מתקדמים המשמשים אלמנטים מבניים וציפויים. החומרים הבאים נחקרים:
-חומרים לריפוי עצמי המבוססים על גרפן (ננו-מוליך למחצה דו-ממדי המורכב משכבה אחת של אטומי פחמן), - שרפי אפוקסי מתקדמים, - חומרים החשופים לאור השמש, - מיקרו כמוסות נגד קורוזיה למשטחי מתכת, - אלסטומרים המסוגלים לעמוד בפני פגיעת כדור, ו
צינורות פחמן המשמשים כמרכיב נוסף לשיפור ביצועי החומר.
מספר לא מבוטל של חומרים בעלי מאפיינים אלה נבדקים ונחקרים כעת בניסוי.
תְפוּקָה
במשך שנים רבות הנדסאים הציעו לעתים קרובות פרויקטים מבטיחים מבחינה רעיונית, אך לא הצליחו ליישם אותם בשל חוסר הנגשת החומרים המתאימים ליישומם המעשי. כיום, המטרה העיקרית היא ליצור מבנים קלים בעלי תכונות מכניות יוצאות דופן. ההתקדמות המודרנית בחומרים מודרניים (חומרים חכמים וננו -קומפוזיטים) ממלאת תפקיד מרכזי, למרות כל המורכבות, כאשר המאפיינים לרוב שאפתניים מאוד ולעתים אף סותרים. נכון לעכשיו, הכל משתנה במהירות קלידוסקופית, עבור חומר חדש, שהייצור שלו רק מתחיל, יש אחד הבא, עליו הם מבצעים ניסויים ובודקים. התעשייה האווירית והחללית יכולה להפיק יתרונות רבים מהחומרים המדהימים האלה.
