مواد مورد استفاده در ساخت پره هلی کوپتر (ملخ بالگرد)

از دیدگاه سازه ای یک پره لزوما یک عضو متحمل نیرو پیوسته است که جهتهای تنش اصلی آن کاملا مشخص است. اصلی ترین جهت تنش در طول محور طولی پره است و از نیروی گریز از مرکز ناشی می شود. 

هیچ ناچ یا سوراخ قابل ملاحظه ای بر روی پره وجود ندارد بنابراین به جز در ناحیه ریشه پره، جایی که پره به توپی متصل است، هیچ تمرکز تنش جدی ای وجود ندارد. مواد کاندید برای پره ها به صورت زیر است: 

- فلزات: آلومینیوم، فولاد ضد زنگ، تیتانیوم 

- کامپوزیت ها: فیبرهای شیشه، آرامید و کربن (با مدول و استحکام بالا) در ماتریس های رزین اپوکسی. 

اوایل پره های روتور از چوب (یک کامپوزیت طبیعی) ساخته می شد و به صورت صفحه هایی با چسب به هم چسپانده می شدند. به هرحال تاب برداشتن و جذب رطوبت منجر به پایداری ابعادی ضعیف آن می شد. 

فلزات معمول مورد استفاده در صنایع هوا فضا یعنی آلومینیوم، فولاد ضد زنگ و تیتانیوم محدود به استحکام ویژه بین 17/0 تا 23/0 و سختی ویژه در حدود 025/0 هستند. فلز با بهترین خواص مکانیکی تیتانیوم است ولی در حالت کلی استفاده از آن به دلیل قیمت بالا و کمی در دسترس بودنش محدود است. به هر حال مواد کامپوزیت مانند شیشه فیبر/اپوکسی، آرامید فیبر/اپوکسی و کربن فیبر/اپوکسی استحکام ویژه بین 22/0 تا 94/0 و سختی ویژه بین 01/0 تا 11/0 هستند. بنابراین محدوده و مقادیر بالاتر خواص استحکام و سختی استفاده از کامپوزیتها را برای پره های روتور مناسبتر کرده است. همچنین خواص خستگی کامپوزیت ها از فلزات بهتر است و عمر طولانی تری خواهند داشت. 

خوردگی یک مشکل اصلی در رابطه با همه سازه های هوایی فلزی مخصوصا اجزاء در معرض تنش بالا همچون پره¬های هلی کوپتر است. پره ها مستعد خوردگی تنشی و خوردگی ترک هستند. هنگام کار در نزدیک دریا مشکل شدیدتر نیز می شود. آب شور خصوصا برای آلومینیوم خورنده است. بنابراین اغلب فولاد ضد زنگ و تیتانیوم استفاده می شود. به هرحال فرآیند ساختن و تولید این مواد سخت است، مخصوصا تیتانیوم که نقطه ذوب بالایی دارد. در رابطه با کامپوزیت ها هر چند که به مدت طولانی در معرض رطوبت قرار گرفتن رزین های خاصی را می طلبد، ولی به هرحال کامپوزیتها برای مشکلات مربوط به خوردگی مستعد نیستند و در ضمن فرآیند ساخت آنها به آن مشکلی نیست. 

سایش، خصوصا در ناحیه نوک یک مشکل عمده در پره ها محسوب می شود. فلزات نسبت به مواد کامپوزیتی نسبتا نرمتر مزایایی دارند. به هر حال ممکن است که لبه های راهنمای پره ها را با سپرهای سایشی فلزی پوشاند. این کار همچنین یک مسیر رسانا برای رعد و برق فراهم می کند و استحکام را نیز افزایش می دهد. برای ناحیه inboared پره تیتانیوم یک فلز مناسب است ولی برای ناحیه نوک با شکل پیچیده تر، مواد فلزی پیشرفته تر همچون نیکل electro-deposited به کار گرفته می شود. 

در رابطه با امنیت، عمر خستگی پره های کامپوزیتی بسیار از پره های فلزی بیشتر است زیرا مواد کامپوزیتی برای یک بارگذاری مشخص به نسبت مواد فلزی حد دوامشان درصد بالاتری از استحکام نهایی را دارد. همچنین مواد کامپوزیتی اگر به درستی طراحی شوند، مکانیزم شکست کندی خواهند داشت. فرآیند شکست معمولا با یک ترک در ماتریس شروع می شود و منجر به کاهش تدریجی سختی می شود. این ویژگی به اپراتورهای هلی کوپتر که از ردیابهای بصری استفاده می کنند، مقدار زیادی اخطار را به نسبت کاهش سریع مقاومت سازه و شکست فاجعه آمیز می دهد. سازمان هوانوردی کشوری (CAA) در انگلستان و سازمان هوانوردی فدرال (FAA) در آمریکا تایید کرده اند که عمر کارکرد برای پره های فلزی هلی کوپتر حدود 1500 تا 3000 ساعت است. CAA/ FAAتایید کردند که عمر کارکرد پره های کامپوزیتی نامحدود است هر چند که اکثر اوپراتورها پره ها را به صورت دوره ای، معمولا بعد از 10000 ساعت، بازرسی می کنند. عمر یک هلی کوپتر دولتی ممکن است بیش از 40000 ساعت باشد. 

بازده آیرودینامیکی پره روتور روی عملکرد آن تاثیر بسیاری دارد. استفاده از فلزات، به دلیل سادگی تولید و ملاحظات اقتصادی، طراحی پره ها را به استفاده از پروفیلهای مقطع ثابت محدود می کند. استفاده از کامپوزیت ها و فرآیندهای قالبگیری مرتبط دستیابی به پره های با انحنا مرکب از کانتورها را ممکن ساخته به طوری که با پروفیل دقیق و تمام کاری سطح عالی مرتبا تولید شوند. شکلهای پره ای که در فلزات ممکن نیست، می تواند با استفاده از کامپوزیت ها ساخته شود. 


اختصاصی ایران مدرس 
(کپی برداری از مطالب با ذکر منبع و آدرس www.iranmodares.com و یا درج لینک کامل مطلب مجاز است)