سفر به فضا با سازه‌های کامپوزیتی

 البته در طول تاریخ استفاده از مواد ترکیبی ادامه یافته و بررسی‌ها و تحقیقات برای دست یافتن به مواد جدیدتر با خواص مکانیکی بهتر، همواره انجام می‌گرفته است و هنوز هم همگام با پیشرفت صنایع دنبال می‌شود. در این میان از آنجایی که بسیاری از نیازهای صنایعی مانند صنایع فضایی، رآکتورسازی و الکترونیک نمی‌تواند با استفاده از مواد معمولی شناخته شده برآورده شود، کامپوزیت‌ها به عنوان گزینه‌ای مناسب برای مرتفع کردن این نیازها مطرح شده‌اند. استفاده از این ترکیب استثنایی در سازه‌های فضایی کاری است که گروهی از دانشجویان مهندسی مواد و مکانیک دانشگاه‌های کالیفرنیا آمریکا، لیون فرانسه و صنعتی امیرکبیر ایران در طرحی مشترک آغاز کرده و در نهایت موفق به مدلسازی هندسی، طراحی و ساخت پایلوت سازه فضاپیمای کامپوزیتی شده‌اند.

در سازه‌های مختلف مهندسی ازجمله در محصولات صنعت هوافضا به موادی نیاز است که ضمن داشتن استحکام بالا، سبک باشند و مقاومت سایشی و گرمایی خوبی داشته باشند، اما از آنجا که نمی‌توان ماده‌ای یافت که همه خواص مورد نظر را دارا باشد، باید به دنبال چاره‌ای دیگر بود. کلید این مشکل، استفاده از کامپوزیت‌هاست. کامپوزیت‌ها موادی چند جزئی هستند که خواص آنها در مجموع از هر کدام از اجزا بهتر است. ضمن آن که اجزای مختلف، کارایی یکدیگر را بهبود می‌بخشند همه این محاسن موجب شده‌اند به واسطه سرعت زیاد فضاپیماها در هنگام پرواز و ورود به جو بدنه و تحمل دمای زیادی، کامپوزیت‌ها به گزینه‌ای الزامی تبدیل شوند. ضمن آن که حضور کامپوزیت‌ها در فضاپیما باعث تحمل دمای زیاد و در عین حال به حداقل رساندن وزن آن می‌شوند.

میلاد حاجی‌خانی، شیرین فرزانگان و سمیه وطن‌پرست از دانشگاه صنعتی امیرکبیر به همراه کاوه آذری، کارشناس ارشد مهندسی مواد از دانشگاه اشوود کالیفرنیا از اعضای اصلی تیم طرح مشترکی هستند که در ارتباط با سازه‌های فضایی کامپوزیتی انجام شده است. به اعتقاد آنها، یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این سازه فضایی به کارگیری مواد سبک و پیشرفته است که کاربرد آن را تا حد قابل توجهی افزایش می‌دهد. مهندس کاوه آذری طراح اصلی طرح با بیان این مطلب که مدیریت این پروژه بر عهده دکتر حمید امیدوار از دانشگاه لیون فرانسه است اضافه می‌کند: بدنه، بال و بالک این فضاپیما به ترتیب از کامپوزیت فول هیبریدی هوشمند و هیبریدی متشکل از پلیمر و ورق فلزی ساخته شده است. وی درخصوص نحوه به کارگیری این فضاپیما خاطرنشان می‌کند: این سفینه یک فضاپیماست که با هدف انجام سفرهای فضایی در نظر گرفته شده و برای به کارگیری آن لازم است که این سفینه تا ارتفاع مشخصی با هواپیما حمل شود و از این ارتفاع موتورهای راکت فضاپیما روشن و سفینه پرتاب می‌شود و به سمت بیرون جو شروع به حرکت می‌کند و از زمانی که از جو خارج می‌شود در یک مدت زمان خاص و تعیین شده سفر فضایی خود را انجام می‌دهد و در نهایت با یک پرواز گلایدری به سوی زمین فرود می‌آید. وی در ادامه خاطرنشان کرد: سفر فضایی این سفینه در ارتفاع 14 تا 15 کیلومتری سطح زمین که تقریبا بالای اتمسفر زمین و دارای هوای رقیق است، آغاز می‌شود. در این ارتفاع تقریبا 85 درصد اتمسفر زمین پشت‌سر گذاشته شده و هوا بسیار رقیق است که می‌تواند مکانی بسیار مناسب برای شروع پرتاب به خارج از جو زمین باشد. در این ارتفاع سفینه فضاپیما از هواپیمایی که به وسیله آن به این ارتفاع حمل شده جدا می‌گردد و به مدت 10 ثانیه برای رسیدن به شرایط مطلوب برای پرتاب به طرف بالا بدون هیچ حرکتی باقی می‌ماند تا شرایط برای روشن شدن راکت محیا شود. در این زمان، خلبان فضاپیما فرمان آتش را به راکت فضاپیما می‌دهد و فضاپیما با شتاب 2 تا 3 برابر گرانش زمین به سمت بالا شروع به حرکت می‌کند.

این شتاب‌گیری به مدت تقریبا یک دقیقه و تا مدتی که سوخت فضاپیما در حال مصرف است ادامه می‌یابد. در مدت این شتاب‌گیری یک دقیقه‌ای، فضاپیما به ارتفاع 46 کیلومتری رسیده و در این ارتفاع سوخت راکت تمام می‌شود؛ اما سفینه به دلیل اینرسی حرکتی زیادی که دارد، همچنان با سرعت حدودا 3250 کیلومتر بر ساعت به صورت عمودی به حرکت خود ادامه می‌دهد. در این مدت تا وقتی که سفینه به نقطه اوج خود برسد، جک‌های هیدرولیک فضاپیما از آن خارج شده و نیمه‌ای از بال و دم فضاپیما به سمت بالا سوق داده می‌شود (همانند شخصی که دولا می‌شود تا مچ پای خود را بگیرد)، در این حالت سرعت فضاپیما کاهش پیدا می‌کند. فضاپیما با سرعتی که دارد، همچون گلایدر به صورت عادی پرواز می‌کند و این روند تا زمانی که زاویه بین بدنه فضاپیما تا نیمه دوم بال به 65 درجه برسد، ادامه می‌یابد (حدود 10 تا 15 دقیقه.) در این مدت، فضاپیما در حال سفر فضایی خود است و ساکنان داخل آن می‌توانند از دیدن فضای زیبای بیرون فضاپیما لذت ببرند. گفتنی است سفینه مذکور از لحظه خاموش شدن راکت تا رسیدن به سقف پرواز مطلق در حالت بی‌وزنی (برآیند شتاب گرانشی معادل صفر) قرار دارد.

زمانی که سفینه فضاپیما به نقطه اوج خود رسید، برای بازگشت به زمین آماده می‌شود. این حرکت به صورت سهمی‌گون یا منحنی بالستیک است. در این حالت فضاپیما به سمت پایین آمده و وارد جو زمین می‌شود که در این حالت دمای بدنه فضاپیما به دلیل ورود به لایه‌های ضخیم اتمسفر و اصطکاک بین بدنه و جو تقریبا به 1250 درجه سانتی‌گراد می‌رسد. در این حالت فضاپیما طوری قرار می‌گیرد که هوا به سطح زیرین آن برخورد داشته باشد و همزمان نیمه عقبی بال و دم فضاپیما بالا هستند. بنابراین با برخورد هوا به سطح زیرین فضاپیما به علت چسبندگی مولکولی هوا، نیروی مقاومی ایجاد شده که باعث کاهش سرعت فضاپیما می‌شود و شتاب کاهش سرعت فضاپیما در حدود 5 تا 6 برابر شتاب گرانش می‌شود. این حالت تا زمانی که فضاپیما به ارتفاع 50 یا 60 هزارپایی می‌رسد، ادامه می‌یابد. نهایتا فضاپیما در فرودگاهی که از آن شروع به پرواز کرده می‌نشیند.

وی اضافه می‌کند: این سازه از این رو که در شرایط خاص مکانیکی و با پرتاب راکتی عازم فضا می‌شود، باید دارای بدنه‌ای با مقاومت عالی در برابر انرژی‌ها یا ضربات ناگهانی باشد و بر همین اساس کامپوزیت مورد استفاده در این سازه هوشمند است به گونه‌ای که این کامپوزیت حاوی الیاف کربن  کولار به همراه ماده هوشمندی با عنوان آلیاژ نایتینول در یک زمینه پلیمری است. در واقع قرار دادن این آلیاژ حافظه‌دار در این سازه باعث می‌شود که خاصیت ایده‌آلی برای کامپوزیت ایجاد شود، وجود نایتینول سبب ایجاد تنش بازیابی کششی در هنگام اعمال هر گونه ضربه یا تنش به بدنه کامپوزیتی سفینه می‌شود و این عمل از تخریب سازه جلوگیری و آن را در برابر ضربات وارده ایمن می‌کند. در واقع این آلیاژ می‌تواند با طی یک استحاله رفت و برگشتی تنش‌های وارده را دفع کند. بال این فضاپیما در حین پرواز شرایط خاصی از نظر مکانیکی و دینامیکی دارد. کامپوزیت به کار رفته در این قسمت با ترکیبی از الیاف پلیمری و ورق فلزی در عین سبکی دارای استحکام مکانیکی مناسب به همراه خواص ارتعاشی ایده‌آل است. در واقع سازه بال در شرایط تحت ارتعاشی لرزش از خود نشان نمی‌دهد، به این ترتیب مانع ایجاد حالت خستگی و افت کیفی در سازه می‌شود. مهندس آذری در انتها با تاکید بر این که این طرح در حال حاضر مورد تایید علمی سازمان پژوهش‌های علمی  صنعتی ایران (به عنوان بالاترین مرجع تایید علمی اختراعات در ایران) است، در آینده نزدیک در قالب یک پتنت بین‌المللی به ثبت خواهد رسید. گفتنی است که هم‌اکنون محققان تیم طرح در حال مذاکره با نهادها و مراکز مربوط برای ساخت صنعتی این سازه هستند.

بهاره صفوی