امکان‌سنجی استفاده از الیاف بازالت در سازه‌های کوچک پهپاد

مروری بر خواص پلیمر تقویت‌شده با الیاف بازالت (بی اف آر پی)

به عنوان مثال، یک ورق پولترود شده با ضخامت ۵ میلی‌متر، پارامترهای فیزیکی معمول آن به شرح زیر است: - استحکام کششی: ≥۵۰۰ مگاپاسکال

- مدول الاستیسیته: ≥40 گیگا پاسکال

- چگالی: ۱.۸–۲.۰ گرم بر سانتی‌متر مکعب

- افزایش طول در نقطه پارگی: 2.5-3.0٪

- مقاومت در برابر خوردگیعالی (مقاوم در برابر اسیدها، قلیاها و اشعه ماوراء بنفش)

- ضریب انبساط حرارتی: مشابه بتن؛ عملکرد خوب در دمای پایین

تحلیل امکان‌سنجی کاربرد در سازه‌های کوچک پهپاد

1. مزایا

• پتانسیل کاهش وزن: با چگالی کمتر از آلیاژ آلومینیوم (۲.۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب)، امکان کاهش وزن سازه‌ای را فراهم می‌کند و در نتیجه استقامت پرواز و مانورپذیری را بهبود می‌بخشد.
• استحکام ویژه و مدول ویژه: استحکام ویژه (استحکام/چگالی): ≈250-280 MPa·cm³/g، برتر از آلیاژ آلومینیوم (≈140) اما پایین‌تر از فیبر کربن (≈600).
• مدول ویژه (مدول/چگالی): ≈20-22 GPa·cm³/g، قابل مقایسه با آلیاژ آلومینیوم اما تنها یک سوم فیبر کربن.
• ویژگی‌های میرایی ارتعاش: ضریب میرایی بالاتر از فیبر کربن، کاهش ارتعاشات پرواز و بهبود پایداری حسگر. • شفافیت الکترومغناطیسی: با سیگنال‌های ارتباطی تداخل ندارد و آن را برای محفظه‌های رادار یا آنتن مناسب می‌کند.
• مقاومت محیطی: مقاوم در برابر حرارت مرطوب و خوردگی، مناسب برای پهپادها در محیط‌های دریایی یا صنعتی.

2. کاربردهای توصیه‌شده

• سازه‌های با بار متوسط ​​تا کم: فریم بدنه، تکیه‌گاه‌های ارابه فرود، دنده‌های بال.
• اجزای غیر باربر: پایه‌های آنتن، سینی‌های باتری، محفظه‌های حسگر.
• قطعات برای محیط‌های خاص: قطعاتی که در پهپادهای کشاورزی در معرض محلول‌های آفت‌کش قرار دارند، بدنه پهپادهای دریایی.

مقایسه هزینه-عملکرد با فیبر کربن (CFRP)

مقایسه: الیاف بازالت (BFRP) در مقابل فیبر کربن (CFRP)

تحلیل سناریوی مقرون به صرفه بودن

1. پهپادهای کم‌هزینه (مثلاً پهپادهای بازرسی، کشاورزی): – BFRP می‌تواند جایگزین برخی از اجزای آلیاژ آلومینیوم شود، با هزینه‌هایی ۳۰ تا ۵۰ درصد کمتر از CFRP و مقاومت در برابر خوردگی برتر، که در مجموع مقرون‌به‌صرفه بودن بالایی را ارائه می‌دهد.
2. کاربردهایی که نیاز به استحکام بالا و طراحی سبک دارند (مثلاً پهپادهای مسابقه‌ای، پهپادهای عکاسی هوایی): – CFRP مزیت قابل توجهی در مدول الاستیسیته ارائه می‌دهد و تغییر شکل آیرودینامیکی را کاهش می‌دهد؛ اگرچه گران‌تر است، اما عملکرد آن غیرقابل جایگزینی است.
3. کاربردهایی با الزامات عملکردی ویژه: اگر شفافیت الکترومغناطیسی یا کاهش میرایی/لرزش مورد نیاز باشد، BFRP می‌تواند به عنوان یک ماده تکمیلی برای اجزای خاص (مثلاً گنبدهای راداری) عمل کند.
4. چالش‌های فنی و مسیرهای بهینه‌سازی
5. طراحی سازه هیبریدی: ورقه‌های BFRP + CFRP: فیبر کربن را به صورت موضعی در مناطقی که نیاز به سختی بالا دارند، قرار دهید تا هزینه و عملکرد را متعادل کنید.
6. بهبود فرآیند: توسعه پیش‌فرآوری‌های BFRP یا مواد تقویت‌شده با فیبر چاپ سه‌بعدی برای افزایش توانایی تشکیل ساختارهای پیچیده.
7. فناوری اتصال: برای بهبود راندمان اتصال، از اتصالات کامپوزیتی پرچ شده با چسب یا جوشکاری اولتراسونیک استفاده کنید.

بر اساس تحلیل فوق، BFRP برای سازه‌های با بار متوسط ​​تا کم در پهپادهای کوچک مناسب است و از نظر کاهش وزن، مقاومت در برابر خوردگی و کاهش میرایی/لرزش، ارزش کاربردی ارائه می‌دهد. با این حال، باید در مناطقی که به سختی بالا نیاز دارند از آن اجتناب شود. اگر سختی عامل مهمی نباشد اما هزینه عامل مهمی باشد، BFRP به طور قابل توجهی مقرون به صرفه‌تر از CFRP است.

علاوه بر این، می‌توان برای بهینه‌سازی هزینه‌ها، یک طرح ترکیبی BFRP/CFRP را در نظر گرفت.

تحلیل المان محدود (FEA) همچنین می‌تواند برای شبیه‌سازی اجزای خاص (مانند بدنه هواپیما) مورد استفاده قرار گیرد و وزن و هزینه BFRP و CFRP را تحت ضرایب ایمنی معادل مقایسه کند تا انتخاب مواد بر اساس داده‌ها انجام شود.