विमान के ढांचे में मिश्रित सामग्री का अनुप्रयोग

वर्तमान में, मिश्रित सामग्री धातु सामग्री, बहुलक सामग्री और अकार्बनिक गैर-धात्विक सामग्री के साथ चार प्रमुख सामग्री प्रणालियों में से एक बन गई है। किसी देश के मिश्रित सामग्री उद्योग का स्तर उसकी वैज्ञानिक, तकनीकी और आर्थिक ताकत का एक प्रमुख संकेतक बन गया है। उन्नत समग्र सामग्री राष्ट्रीय सुरक्षा और अर्थव्यवस्था के लिए प्रतिस्पर्धात्मक लाभ का एक स्रोत है। यह अनुमान लगाया गया है कि 2020 तक, केवल मिश्रित सामग्रियों में 20% -25% प्रदर्शन सुधार प्राप्त करने की क्षमता होगी।

‌1. विमान धड़ संरचनाओं में अनुप्रयोग‌
उन्नत समग्र सामग्रियों का उपयोग प्राथमिक भार वहन करने वाली संरचनाओं और द्वितीयक भार वहन करने वाली संरचनाओं के निर्माण के लिए किया जाता है, जो एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं के बराबर या उससे अधिक कठोरता और ताकत प्रदान करते हैं। इन सामग्रियों को अब विमान धड़ संरचनाओं और छोटे मानव रहित हवाई वाहन (यूएवी) एकीकृत संरचनाओं के निर्माण में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। संयुक्त राज्य अमेरिका ने लड़ाकू विमानों और लड़ाकू विमानों में बड़े पैमाने पर कंपोजिट को अपनाया है। 1960 के दशक में, अमेरिका ने पहली बार सैन्य विमानों में केबिन दरवाजे, एक्सेस पैनल, फेयरिंग और नियंत्रण सतहों (उदाहरण के लिए, एलेरॉन और पतवार) जैसे घटकों के लिए कम या गैर-भार - भार वहन आवश्यकताओं के लिए ‍कार्बन फाइबर {8}प्रबलित प्लास्टिक (सीएफआरपी) का उपयोग किया था। 1980 के दशक की शुरुआत तक, कंपोजिट ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज स्टेबलाइजर्स (द्वितीयक भार वहन करने वाली संरचनाएं) जैसे टेल घटकों के लिए उन्नत हो गए, जैसा कि एफ 23 15, एफ 26 16, एफ -18, मिराज 2000 और मिराज 4000 जैसे विमानों में देखा गया था। इस चरण के दौरान, समग्र उपयोग सीमित रहा। 1980 के दशक के अंत तक, चौथी पीढ़ी के लड़ाकू विमान जैसे एफ 22 और F-35 JSF ने कंपोजिट को पंखों और धड़ जैसी प्रमुख भार-वहन संरचनाओं में शामिल करना शुरू किया, जिससे सैन्य विमानों में कंपोजिट के एकीकरण में तेजी आई। मिश्रित सामग्रियों का उपयोग लगातार बढ़ रहा है (तालिका 1-2), जो अब आधुनिक सैन्य विमानों में संरचनात्मक द्रव्यमान का 20%-50% है।

ब्रिटिश कंपनी आईसीआई ने लड़ाकू विमानों के लिए वाल्व बनाने के लिए जीएफ/पीए (संभवतः ग्लास फाइबर -प्रबलित पॉलियामाइड) का उपयोग किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि ये वाल्व व्यापक तापमान रेंज में ईंधन के लंबे समय तक संपर्क में रहने के बाद भी प्रदर्शन और आयामी स्थिरता बनाए रखते हैं। ड्यू पोंट ने सैन्य विमानों के घटकों के निर्माण के लिए जीएफ, केएफ/पीए और पीपीएस (पॉलीफेनिलीन सल्फाइड) जैसी सामग्रियों का भी उपयोग किया।

उदाहरण के तौर पर चौथी पीढ़ी के एफ/ए 22 लड़ाकू विमानों को लेते हुए, इसकी संरचनात्मक सामग्रियों में कंपोजिट का हिस्सा 24.2% है। इनमें थर्मोसेटिंग कंपोजिट 23.8% हैं, जबकि थर्मोप्लास्टिक कंपोजिट लगभग 0.4% हैं। लगभग 70% थर्मोसेटिंग कंपोजिट बिस्मेलीमाइड (बीएमआई) राल पर आधारित होते हैं, जिसका उपयोग 200 से अधिक प्रकार के जटिल घटकों का उत्पादन करने के लिए किया जाता है। शेष थर्मोसेटिंग सामग्री में मुख्य रूप से एपॉक्सी रेजिन आधारित कंपोजिट शामिल हैं, जिसमें साइनेट एस्टर और थर्मोप्लास्टिक रेजिन आधारित कंपोजिट का अतिरिक्त उपयोग होता है। मुख्य अनुप्रयोग क्षेत्रों में पंख, मध्य-धड़ की खाल, फ्रेम और पूंछ अनुभाग शामिल हैं।

सैन्य रोटरक्राफ्ट भी बड़े पैमाने पर कंपोजिट का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, वी-22 ऑस्प्रे टिल्ट्रोटर विमान अपने संरचनात्मक द्रव्यमान के 40% से अधिक के लिए कंपोजिट का उपयोग करता है, जिसमें धड़, पंख, पूंछ और घूर्णी तंत्र शामिल हैं, कुल मिलाकर 3,000 किलोग्राम से अधिक मिश्रित सामग्री होती है। नवीनतम यूरोपीय यूरोकॉप्टर टाइगर अटैक हेलीकॉप्टर में 80% संरचनात्मक घटकों में मिश्रित सामग्री होती है, जो पूरी तरह से मिश्रित एयरफ्रेम के करीब है। इसके विपरीत, सैन्य परिवहन विमान कम कंपोजिट का उपयोग करते हैं (8% पर सी -17 और केवल 2% पर सी-130जे-हालांकि एयरबस ए400एम सैन्य परिवहन में एक पूर्ण-कंपोजिट विंग शामिल होता है, जिसमें कंपोजिट खाली होने पर इसके संरचनात्मक द्रव्यमान का 35% प्रतिनिधित्व करता है।

नागरिक उड्डयन में, 1980 के दशक की शुरुआत में अमेरिका में निर्मित एकल पायलट स्टार हल्के विमान का संरचनात्मक द्रव्यमान लगभग 1,800 किलोग्राम था, जिसमें कंपोजिट 1,200 किलोग्राम से अधिक था। 1986 के वायेजर हल्के विमान ने, जिसकी संरचना का 90% से अधिक हिस्सा कार्बन फाइबर कंपोजिट से बना था, दुनिया भर में बिना रुके, नौ दिन तक लगातार उड़ान भरने का विश्व रिकॉर्ड बनाया। आज, एयरोस्पेस दिग्गज बोइंग और एयरबस के बीच प्रतिद्वंद्विता तेज हो गई है, जिसका मुख्य ध्यान मिश्रित सामग्री के उपयोग को बढ़ाने पर है (चित्र 1-2)।

पहले समग्र 787 विमान धड़ का उत्पादन करने के लिए, बोइंग ने रेथियॉन द्वारा उपयोग की जाने वाली फाइबर प्लेसमेंट विधि को अपनाया। इस प्रक्रिया ने 7 मीटर लंबाई और 6 मीटर चौड़ाई मापने वाला एक मिश्रित धड़ घटक बनाया। इस संरचना का निर्माण एक विशाल घूमने वाले खराद पर स्वचालित फाइबर प्लेसमेंट (एएफपी) तकनीक का उपयोग करके किया गया था। मेन्ड्रेल को पहले से ही धड़ स्ट्रिंगर्स और लॉन्गऑन के आकार और आयामों से मेल खाने वाले खांचे के साथ मशीनीकृत किया गया था। पूर्वनिर्मित स्ट्रिंगर और बीम (कार्बन फाइबर प्रीप्रेग परतों से बने और दबाव से ठीक किए गए) को वाइंडिंग से पहले इन खांचे में रखा गया था। उत्पादन के दौरान, खराद का धुरा अपनी धुरी के साथ घूमता है, जिससे निरंतर फाइबर को सांचे पर लपेटने से धड़ का खोल बनता है, जिसमें खिड़की के खुले हिस्से खुले रहते हैं। बीम और स्ट्रिंगर्स के साथ धड़ खोल को फिर एक मोनोलिथिक मिश्रित धड़ अनुभाग बनाने के लिए आटोक्लेव - से ठीक किया गया था, जिसे बाद में अंतिम उत्पाद के रूप में ध्वस्त कर दिया गया था।

बोइंग 787 का मिश्रित धड़ खंड न केवल दुनिया का सबसे बड़ा फिलामेंट - घाव वाला धड़ घटक है, बल्कि इसे अब तक उत्पादित सबसे बड़े कार्बन फाइबर दबाव पोत के रूप में भी मान्यता प्राप्त है। मिश्रित सामग्री की असाधारण तन्यता/घेरा ताकत इसे उच्च केबिन दबाव का सामना करने में सक्षम बनाती है, जो पारंपरिक विमानों में सामान्य ‌7,000-9,000 फीट की तुलना में ‌6,000 फीट (1,830 मीटर) की ऊंचाई के बराबर आंतरिक दबाव बनाए रखती है। इसके अतिरिक्त, कंपोजिट संक्षारण (धातु एयरफ्रेम की एक बड़ी कमजोरी) का विरोध करते हैं, जिससे केबिन की आर्द्रता ‌10-15% (धातु फ्यूजलेज में 5-10% की तुलना में) पर स्थिर रहती है, जिससे आराम और बढ़ जाता है।

समग्र प्रौद्योगिकी के बढ़ते प्रभाव के तहत, एयरबस ने A-350 को पूरी तरह से नया रूप दिया, और इसका नाम बदलकर ‍A-350 XWB (एक्स्ट्रा वाइड बॉडी) रखा। विमान ने अपने मिश्रित सामग्री के उपयोग को मूल 40% से बढ़ाकर 52% कर दिया। A-350 XWB का धड़ 787 की तुलना में 13 सेमी चौड़ा है, जो उच्च-घनत्व वाले लेआउट में 9-बराबर बैठने की व्यवस्था को सक्षम बनाता है (787 के अधिकतम 8-बराबर की तुलना में)। 787 की तरह, A-350 XWB 6,000 फीट की ऊंचाई के बराबर केबिन दबाव बनाए रखेगा।

14 जून 2013 को, एयरबस ने अपने नए चौड़े बॉडी A350 XWB विमान की पहली उड़ान सफलतापूर्वक आयोजित की, जो बोइंग के B-787 "ड्रीमलाइनर" के बाद वैश्विक विमानन उद्योग में एक और मील का पत्थर साबित हुआ। A350 XWB और B-787 क्रमशः ‌52%‌ और ‌50% मिश्रित सामग्री का उपयोग करते हैं, जो एयरोस्पेस समग्र विकास में एक नए युग का संकेत देता है।

दुनिया के सबसे बड़े विमान, 555{2}}सीट ए{7}}380 ने बड़े पैमाने पर कार्बन फाइबर-प्रबलित प्लास्टिक (सीएफआरपी) का उपयोग करके विमानन इतिहास में अभूतपूर्व उपलब्धियां हासिल कीं। समग्र सामग्री विमान के द्रव्यमान का ‌25% है, जिसमें 22% सीएफआरपी है और 3% ग्लेयर फाइबर-मेटल लैमिनेट (एल्यूमीनियम और ग्लास फाइबर कंपोजिट का एक स्तरित संकर) है, जो नागरिक विमान में बाद का पहला उपयोग है। सीएफआरपी घटकों में शामिल हैं: स्पीड ब्रेक, ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज स्टेबलाइजर्स (ईंधन टैंक के रूप में दोगुना), लिफ्ट, एलेरॉन, फ्लैप स्पॉइलर, लैंडिंग गियर दरवाजे, फेयरिंग, वर्टिकल टेल फिन बॉक्स, ऊपरी केबिन फ्लोर बीम, रियर प्रेशर बल्कहेड, रियर धड़ अनुभाग, क्षैतिज स्टेबलाइजर्स, और एलेरॉन।

कील बीम और कम्पोजिट रियर प्रेशर बल्कहेड्स के लिए कार्बन फाइबर के A{1}}340 के अग्रणी उपयोग के बाद, पारंपरिक डिजाइन बाधाओं को तोड़कर, A-380 ने अपने सेंट्रल विंग बॉक्स (पंखों को धड़ से जोड़ने) के लिए CFRP को अपनाकर इंजीनियरिंग मानदंडों को और अधिक चुनौती दी। उन्नत एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं की तुलना में इस नवाचार ने अकेले वजन को 1.5 मीट्रिक टन कम कर दिया। सीएफआरपी की वजन बचत, थकान और संक्षारण प्रतिरोध के साथ, प्रतिस्पर्धी मॉडलों की तुलना में ईंधन दक्षता में 13% सुधार हुआ और उत्सर्जन कम हुआ। ए-380 प्रति यात्री प्रति 100 किमी में 3 लीटर से कम ईंधन प्राप्त करने वाला पहला लंबी दूरी का विमान बन गया, जिसकी परिचालन लागत अपने समय के सबसे कुशल विमान की तुलना में 15-20% कम थी।

डसॉल्ट एविएशन का फाल्कन 7X बिजनेस जेट, मैक 0.8 की अधिकतम गति के साथ 12,000 मीटर की दूरी तय करने में सक्षम है, 8 यात्रियों को समायोजित कर सकता है और 10,560 किमी (5,700 समुद्री मील) की रेंज का दावा करता है। रेथियॉन का ‌बीचक्राफ्ट प्रीमियर 1‌ लाइट जेट 2,759 किमी की रेंज के साथ 835 किमी/घंटा की क्रूज़िंग गति तक पहुंचता है {{14}दोनों में उन्नत सभी {{15}मिश्रित फ्यूजलेज शामिल हैं।

जापान के नए परिवहन विमान, ‍ALELEX, में महत्वपूर्ण कार्बन फाइबर कंपोजिट भी शामिल हैं।

चीन ने विमान के डिजाइन और उत्पादन में मिश्रित सामग्रियों का भी बड़े पैमाने पर उपयोग किया है। उदाहरण के लिए, बीजिंग एयरोनॉटिकल मैन्युफैक्चरिंग टेक्नोलॉजी रिसर्च इंस्टीट्यूट द्वारा विकसित और निर्मित QY8911/HT3 बिस्मलीमाइड यूनिडायरेक्शनल कार्बन फाइबर प्रीप्रेग और मिश्रित सामग्री को आगे के धड़ अनुभाग, वर्टिकल टेल स्टेबलाइजर, बाहरी विंग पैनल, स्पॉइलर और विमान के सुव्यवस्थित फेयरिंग जैसे घटकों पर लागू किया गया है। बीजिंग इंस्टीट्यूट ऑफ एयरोनॉटिकल मैटेरियल्स द्वारा विकसित PEEK/AS4C थर्मोप्लास्टिक रेजिन यूनिडायरेक्शनल कार्बन फाइबर प्रीप्रेग और मिश्रित सामग्री असाधारण फ्रैक्चर क्रूरता, जल प्रतिरोध, उम्र बढ़ने के प्रतिरोध, लौ मंदता और थकान प्रतिरोध को प्रदर्शित करती है। प्राथमिक भार वहन करने वाले विमान संरचनाओं के निर्माण के लिए उपयुक्त, ये सामग्रियां 120 डिग्री पर लंबे समय तक काम कर सकती हैं और इनका उपयोग विमान लैंडिंग गियर बे पैनलों की सामने की खाल में किया गया है।

चीनी सैन्य विमान "फ्लाइंग लेपर्ड", जिसमें महत्वपूर्ण कार्बन फाइबर मिश्रित घटक शामिल हैं, की कुल लंबाई लगभग 22.3 मीटर, पंखों का विस्तार 12.7 मीटर, अधिकतम टेकऑफ़ वजन 28.4 टन, अधिकतम बाहरी पेलोड क्षमता 6.5 टन, अधिकतम गति मैक 1.70 और नौका सीमा लगभग 3,600 किलोमीटर है। जगुआर, टॉरनेडो और एसयू-24 विमानों से बेहतर लड़ाकू क्षमताओं के साथ, फ्लाइंग लेपर्ड तीसरी पीढ़ी के लड़ाकू जेट के अनुरूप विशेषताओं का प्रदर्शन करता है।

‌2. विमान चुपके में मिश्रित सामग्री का अनुप्रयोग‌
हाल के दशकों में, स्टील्थ मिश्रित सामग्रियों के अनुसंधान में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है, जो "पतलापन, हल्कापन, ब्रॉडबैंड (वर्णक्रमीय) अवशोषण, और ताकत (प्रभाव प्रतिरोध, उच्च तापमान प्रतिरोध) की विशेषताओं की ओर विकसित हो रहे हैं।" उदाहरण के लिए, ‌CF/PEEK‌ या ‌CF/PPS उत्कृष्ट ब्रॉडबैंड अवशोषण प्रदर्शन प्रदर्शित करते हैं, जो रडार तरंगों को प्रभावी ढंग से अवशोषित करते हैं। संयुक्त राज्य अमेरिका ने विमान में गुप्त सामग्री के उपयोग की शुरुआत की, जिसमें ‌F-117 और ‌F-22 सबसे भारी लेपित थे। F-117 पर स्टील्थ कोटिंग अत्यधिक जटिल थी, जिसमें सात विभिन्न सामग्रियां शामिल थीं।

यूएस ‍F-22 सुपरसोनिक लड़ाकू विमान की प्राथमिक संरचना मध्यम {{4}मॉड्यूलस कार्बन फाइबर {{6}प्रबलित विशेष इंजीनियरिंग प्लास्टिक का उपयोग करती है। इसी तरह, ‌मिराज III फाइटर के डिसेलेरेशन पैराशूट कवर और इजेक्शन सीट घटक ऐसी सामग्रियों से बने होते हैं, जिन्हें विमान की पसलियों, खाल, कनेक्टर्स और फास्टनरों जैसे रडार को अवशोषित करने वाले भागों पर सफलतापूर्वक लागू किया गया है। ‍टॉमहॉक क्रूज़ मिसाइल आवरण, ‍बी-2 स्टील्थ बॉम्बर का एयरफ्रेम सब्सट्रेट, और ‍F-117A स्टील्थ विमान के अनुभाग भी कार्बन फाइबर-संशोधित पॉलिमर रडार-अवशोषित सामग्री का उपयोग करते हैं।

‌2000 में, अमेरिकी वायु सेना ने F{4}}117 की स्टील्थ सामग्रियों को अपग्रेड किया, मूल सात परत कोटिंग को एकल सामग्री से बदल दिया। इससे सभी F-117s में मानकीकृत रखरखाव प्रक्रियाओं और राडार सामग्री को अवशोषित करने में बदलाव आया, जिससे तकनीकी विशिष्टताओं में लगभग 50% की कमी आई। अपग्रेड के बाद, F-117 के लिए प्रति उड़ान घंटे के रखरखाव का समय आधे से अधिक कम हो गया, और सभी ‌52 F-117s के लिए वार्षिक रखरखाव लागत 14.5 मिलियन,6.9 मिलियन से कम हो गई। F-117 के विपरीत, F-22 फुल-बॉडी रडार-अवशोषित कोटिंग्स से बचता है लेकिन सभी आंतरिक और बाहरी धातु घटकों पर ‍फेराइट रडार-अवशोषित कोटिंग्स लागू करता है। यह कोटिंग F-117 प्रणाली की तुलना में टिकाऊ, पहनने के लिए प्रतिरोधी और लगाने में आसान है।

विशेषज्ञों का अनुमान है कि 2030 के दशक तक, उन्नत कंपोजिट जैसे कि प्रवाहकीय पॉलिमर इलेक्ट्रोक्रोमिक सामग्री, हाइब्रिड सेमीकंडक्टर सामग्री, नैनोकंपोजिट, और बुद्धिमान स्टील्थ प्रौद्योगिकियों को व्यावहारिक रूप से विमान में लागू किया जाएगा। ये नवाचार एवियोनिक्स सिस्टम और विमान नियंत्रण पद्धतियों को मौलिक रूप से बदल सकते हैं।

स्रोत:विमानन समग्र सामग्री और उनका यांत्रिक विश्लेषणहेताओ कुई और झीगांग सन (सं.) द्वारा