کاربرد آلومینیوم در هواپیما چیست؟ چه خواصی سبب شده تا از این فلز در صنعت هوافضا استفاده شود؟ باوجود فلز محکمی چون فولاد، چرا مهندسان و طراحان علاقه‌مند به استفاده از آلومینیوم و آلیاژهای آن در تجهیزات هوایی هستند؟ مزیت استفاده از آلومینیوم چیست؟ این‌ها پرسش‌هایی هستند که به هنگام طراحی و انتخاب محصول باید به‌روشنی پاسخ داده شوند. آن‌هم وقتی‌که صحبت از کاربردهای پیشرفته‌ای چون ساخت هواپیما است.

در این مقاله، به بررسی برخی از رایج‌ترین آلیاژهای آلومینیوم مورداستفاده در صنعت هوافضا و آنچه در آینده در انتظار این صنعت خواهد بود، خواهیم پرداخت. به منظور اطلاع از قیمت ورق آلومینیوم به این لینک مراجعه نمایید.

 

کاربرد آلومینیوم در هواپیما ؛ چرا آلومینیوم؟

آلومینیوم باوجود خواصی همچون وزن سبک، نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت در برابر خوردگی، یک انتخاب ترجیحی در بین مواد فلزی برای کاربردهای هوافضا است. مزایای دیگری که آلومینیوم برای کاربردهای هواپیما ارائه می‌دهد عبارت‌اند از:

• دوام در محیط‌های پراسترس، دما و فشار شدید
• شکل‌پذیری و امکان ساخت آسان برای قطعات کوچک‌تر هواپیما
• رسانایی الکتریکی بالا
• میزان سوخت کمتر
• هزینه کمتر

وزن سبک به معنای مصرف سوخت کمتر است. ضمن اینکه، وقتی صحبت از صنعت هوافضا می‌شود، وزن سبک بیشتر اهمیت می‌یابد، چراکه هرچه یک وسیله سبک‌تر باشد، کنترل و هدایت آن در هوا نیز آسان‌تر است.

آلیاژهای آلومینیوم در اکثر هواپیماها تا ۸۰ درصد از مواد مورداستفاده را پوشش می‌دهند. چگالی کم، استحکام بالا، سفتی الاستیک خوب، شکل‌پذیری عالی، مقاومت در برابر خوردگی بالا، قیمت متوسط و قابلیت ساخت بسیار خوب (اکستروژن، نورد، خمش، جوش، قابلیت تعمیر، ساخت افزودنی) آلیاژهای آلومینیوم را به یکی از مهم‌ترین مواد برای کاربردهای هوافضا تبدیل کرده است.

بنابراین، آلیاژهای آلومینیوم یک ماده انتخابی ایدئال در کاربردهای ساختاری هوافضای هستند. به‌عنوان‌مثال، پانل‌های مورداستفاده برای کل بدنه بیرونی، پوسته‌های بال بالا و پایین، و ورق‌های بال و غیره در یک هواپیما از آلومینیوم و آلیاژهای آن ساخته می‌شوند.

 

تاریخچه کاربرد آلومینیوم در هواپیما

برای مرور تاریخچه استفاده از آلومینیوم در هوافضا، با اشاره به برخی اتفاقات تاریخی مهم، به بررسی عملکرد این فلز می‌پردازیم.

 

برادران رایت

در ۱۷ دسامبر ۱۹۰۳، برادران رایت اولین پرواز انسانی در جهان را با هواپیمای خود به نام رایت فلایر انجام دادند. در آن زمان، موتورهای خودرو بسیار سنگین بودند و قدرت کافی برای برخاستن از زمین را نداشتند، بنابراین برادران رایت موتور خاصی ساختند که در آن بلوک سیلندر و سایر قطعات از آلومینیوم ساخته شده بود.

ازآنجایی‌که آلومینیوم به‌طور گسترده در دسترس نبود و بسیار گران بود، خود هواپیما از یک قاب صنوبر سیتکا و بامبو پوشیده شده با بوم ساخته شد. با توجه به‌سرعت هوای کم و توانایی محدود توان بالابر هواپیما، حفظ وزن بسیار سبک بدنه هواپیما ضروری بود و چوب تنها ماده ممکن برای پرواز سبک و درعین‌حال به‌اندازه کافی قوی برای حمل بار موردنیاز بود.

 

جنگ جهانی اول

هواپیماهای چوبی در اولین روزهای هوانوردی قابلیت خود را نشان دادند، اما در طول جنگ جهانی اول، آلومینیوم به‌عنوان جزء ضروری برای ساخت هوافضا جایگزین چوب شد.

در سال ۱۹۱۵ طراح هواپیمای آلمانی هوگو یونکرز اولین هواپیمای تمام فلزی جهان با نام Junkers J 1. را ساخت. بدنه این هواپیما از آلیاژ آلومینیوم که شامل مس، منیزیم و منگنز بود، ساخته شده بود.

 

عصر طلایی هوانوردی

دوره بین جنگ جهانی اول و جنگ جهانی دوم به‌عنوان عصر طلایی هوانوردی شناخته شد. در طول دهه ۱۹۲۰، آمریکایی‌ها و اروپایی‌ها در مسابقات هواپیما باهم رقابت می‌کردند که منجر به نوآوری‌هایی در طراحی و عملکرد شد. هواپیماهای دوباله با هواپیماهای ساده‌تر جایگزین شدند و انتقالی به قاب‌های تمام فلزی ساخته‌شده از آلیاژ آلومینیوم صورت گرفت.

در سال ۱۹۲۵، شرکت فورد موتور وارد صنعت هواپیمایی شد. هنری فورد هواپیمای ۴-AT، یک هواپیمای سه موتوره و تمام فلزی را با استفاده از آلومینیوم طراحی کرد. در اواسط دهه ۱۹۳۰ نیز یک هواپیمای ساده و جدید با موتورهای متعدد و ساخته‌شده از چرخه‌ای فرود جمع‌شونده، پروانه‌های گام متغیر و ساختار آلومینیومی با پوسته‌های تحت‌فشار ساخته شد.

 

جنگ جهانی دوم

در طول جنگ جهانی دوم، آلومینیوم برای کاربردهای نظامی متعدد، به‌ویژه ساخت قاب هواپیما، موردنیاز بود که باعث افزایش تولید آلومینیوم شد.
تقاضا برای آلومینیوم به حدی بود که در سال ۱۹۴۲، WOR-NYC یک برنامه رادیویی “آلومینیوم برای دفاع” را پخش کرد تا آمریکایی‌ها را تشویق کند تا ضایعات آلومینیوم را در تلاش‌های جنگی مشارکت دهند. بازیافت آلومینیوم تشویق شد و “Tinfoil Drives” بلیت فیلم رایگان درازای توپ‌های فویل آلومینیومی ارائه کرد.

در دوره ژوئیه ۱۹۴۰ تا اوت ۱۹۴۵، ایالات‌متحده ۲۹۶۰۰۰ هواپیما تولید کرد. بیش از نیمی از آن‌ها عمدتاً از آلومینیوم ساخته شده بود. صنعت هوافضای ایالات‌متحده توانست نیازهای ارتش آمریکا و همچنین متحدان آمریکایی ازجمله بریتانیا را برآورده کند. در اوج این زمان در سال ۱۹۴۴، کارخانه‌های هواپیماسازی آمریکا هر ساعت ۱۱ هواپیما تولید می‌کردند. در پایان جنگ، آمریکا قدرتمندترین نیروی هوایی جهان را در اختیار داشت.

 

دوران مدرن

از زمان پایان جنگ، آلومینیوم به بخشی جدایی‌ناپذیر از ساخت هواپیما تبدیل شده است. درحالی‌که ترکیب آلیاژهای آلومینیوم بهبود یافته است، مزایای آلومینیوم ثابت می‌ماند. آلومینیوم به طراحان این امکان را می‌دهد که هواپیمایی بسازند که تا حد امکان سبک باشد، بتواند بارهای سنگین را حمل کند، کمترین میزان سوخت را مصرف کند و در برابر زنگ‌زدگی غیرقابل نفوذ باشد.

در ساخت هواپیماهای مدرن، آلومینیوم در همه‌جا استفاده می‌شود. کنکورد که به مدت ۲۷ سال مسافران را با بیش از دو برابر سرعت صوت پرواز می‌داد، با پوسته آلومینیومی ساخته شد. بوئینگ ۷۳۷، پرفروش‌ترین هواپیمای تجاری جت که سفر هوایی را برای توده‌ها به واقعیت تبدیل کرده است نیز ۸۰ درصد آن آلومینیوم است.

هواپیماهای امروزی از آلومینیوم در بدنه، شیشه‌های بال، سکان، لوله‌های اگزوز، در و کف، صندلی‌ها، توربین‌های موتور و ابزار دقیق کابین خلبان استفاده می‌کنند.

 

اکتشافات فضایی

آلومینیوم نه‌تنها در هواپیماها بلکه در فضاپیماها بسیار ارزشمند است، جایی که وزن کم همراه با حداکثر استحکام ضروری‌ است. در سال ۱۹۵۷، اتحاد جماهیر شوروی اولین ماهواره به نام اسپوتنیک ۱ را به فضا پرتاب کرد که از آلیاژ آلومینیوم ساخته شده بود.

همه فضاپیماهای مدرن از ۵۰ تا ۹۰ درصد آلیاژ آلومینیوم تشکیل‌شده‌اند. آلیاژهای آلومینیوم به‌طور گسترده در فضاپیمای آپولو، ایستگاه فضایی Skylab، شاتل‌های فضایی و ایستگاه فضایی بین‌المللی استفاده شده است.

فضاپیمای Orion که در حال حاضر درحال‌توسعه است، در نظر گرفته شده است تا به انسان اجازه اکتشاف سیارک‌ها و مریخ را بدهد. سازنده آن یعنی لاکهید مارتین، آلیاژ آلومینیوم-لیتیوم را برای اجزای اصلی ساختاری Orion انتخاب کرده است.

 

در طول سال‌ها، مواد موردنیاز در صنعت هوافضا تغییراتی کرده‌اند و تقاضا برای موادی با مجموعه از خواص برتر شامل وزن سبک، استحکام و دوام بالا و… افزایش پیدا کرده است. ظهور جامبوجت‌ها و پروازهای بین‌المللی طولانی به این معنی بود که پوسته و قطعات موتور هواپیما باید بسیار بادوام و در برابر خستگی مقاوم باشند. این امر منجر به توسعه و استفاده از انواع مختلفی از آلیاژهای آلومینیوم شده است. 

 

کاربرد انواع آلیاژهای آلومینیوم در هوافضا

گرید آلومینیوم موردنیاز برای کاربرد هوافضا تا حد زیادی به عملکرد و برنامه شما بستگی دارد. مقاومت در برابر خوردگی و ماشین‌کاری در کنار استحکام کافی، ازجمله عواملی هستند که در انتخاب آلیاژ آلومینیوم مناسب باید در نظر گرفته شوند. پرمصرف‌ترین آلیاژهای آلومینیوم در صنایع هوافضا آلیاژهای سری ۲۰۰۰، ۵۰۰۰، ۶۰۰۰ و ۷۰۰۰ هستند.

 

آلومینیوم ۲۰۲۴

AA2024 یکی از متداول‌ترین آلیاژهای آلومینیوم مورداستفاده در ساختار بدنه و بال هواپیما است که قابلیت تحمل آسیب عالی در شرایط T3 را داراست. بااین‌حال، مقدار استحکام تسلیم محدود آن (۳۴۵ MPa) و چقرمگی شکست (۳۷ MPa.m0.5) کاربرد آن را محدود می‌کند.

 

آلومینیوم ۲۵۲۴

استفاده از آلیاژ AA2524-T3 به‌جای آلیاژ ۲۰۲۴ در ساخت بسیاری از هواپیماها مانند هواپیماهای بوئینگ ۷۷۷، منجر شد تا چقرمگی شکست به میزان ۱۵ تا ۲۰ درصد بهبود یابد و وزن هواپیما نیز حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد کاهش یابد .

 

آلومینیوم ۲۳۲۴ و ۲۰۲۶

آلیاژ ۲۳۲۴ به همراه ۲۰۲۴ که استحکام بیشتری را ارائه می‌دهند، در بدنه بال تحتانی استفاده می‌شوند. AA2026 نیز به دلیل تحمل آسیب و مقاومت در برابر خستگی و همچنین استحکام بالاتر، جایگزینی عالی برای AA2024 در نظر گرفته می‌شود.

 

آلومینیوم ۲۰۱۴

AA2014 ازنظر محبوبیت در مهندسی هوافضا پس از گرید ۲۰۲۴ قرار دارد و فلزی قوی، سخت و دارای قابلیت ماشین‌کاری خوب است. این آلیاژ برای جوشکاری قوس الکتریکی و مقاومتی نیز مناسب است. بااین‌حال، مقاومت در برابر خوردگی ضعیفی دارد و به همین دلیل، اغلب در ساختار یا چارچوب داخلی هواپیما از آن استفاده می‌شود.

 

آلومینیوم ۵۰۵۲

این آلیاژ در بین گریدهای غیرقابل عملیات حرارتی، بالاترین استحکام را دارد و بسیار انعطاف‌پذیر است. بنابراین می‌توان آن را به اشکال مختلف ازجمله اجزای موتور، اتصالات و مخازن سوخت هواپیما شکل داد. همچنین در برابر خوردگی و خستگی بسیار مقاوم است.

 

آلیاژ ۶۰۶۱

استفاده این آلیاژ در هواپیماهای سبک به‌خصوص در هواپیماهای شخصی بسیار رایج است. آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۱ به‌راحتی جوش داده می‌شود، بسیار سبک و نسبتاً قوی است و برای بدنه و بال‌ها ایدئال است. با خواص و مشخصات آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۱ در این لینک آشنا شوید.

 

آلومینیوم ۷۰۷۵

آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵ در حالت تمپر T6، به دلیل استحکام کششی نسبتاً بالا و قیمت پایین از دهه ۱۹۴۰ در بدنه هواپیما استفاده شده است. بااین‌حال، حساسیت به خوردگی این آلیاژ باعث کاهش طول عمر اجزای بدنه هواپیما شده است که منجر به جایگزینی آن با آلیاژهای جدید از سری ۷۰۰۰ در بسیاری از کاربردها شده است.

به‌عنوان‌مثال، آلیاژ ۷۴۷۵ دارای استحکام تسلیم بالاتر و ترکیبی بهتر از مقاومت در برابر خوردگی و چقرمگی شکست است که آن را به یک جایگزین ایدئال برای AA7075 تبدیل می‌کند.

آلیاژ ۷۰۷۵ با خواص کششی مشابه فولاد، به دلیل سطوح بالای روی در آن، مقاومت در برابر خستگی عالی دارد. همچنین، می‌توان آن را به‌راحتی ماشین‌کاری کرد. این آلیاژ یک انتخاب محبوب برای هواپیماهای جنگنده در جنگ جهانی دوم بود، ازجمله جنگنده میتسوبیشی A6M Zero که توسط نیروی دریایی امپراتوری ژاپن بین سال‌های ۱۹۴۰ تا ۱۹۴۵ بر روی ناوهای خود استفاده می‌شد. هنوز هم اغلب در هواپیماهای نظامی از این آلیاژ استفاده می‌شود. مشخصات آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵ را در این لینک ببینید.

 

آلومینیوم ۷۰۵۰

یکی دیگر از آلیاژهای با کارایی بالا آلیاژ ۷۰۵۰ است که در قاب‌ها و دیوارهای بدنه به‌عنوان یک صفحه ضخیم استفاده می‌شود. بهترین ضخامت برای این امر بین ۷۶ تا ۱۵۲ میلی‌متر است. از این آلیاژ در قالب ورق نیز برای ساخت پوسته بال استفاده می‌شود.

تنش تسلیم این آلیاژ در حالت تمپر T7751 می‌تواند به ۶۲۰ مگاپاسکال با چقرمگی شکست و مقاومت در برابر خوردگی بالا برسد. استفاده از این آلیاژ در اجزای بوئینگ ۷۷۷ باعث کاهش ۶۳۵ کیلوگرمی وزن هواپیما شد.

 

آلومینیوم ۷۰۶۸

آلیاژ ۷۰۶۸ یکی از قوی‌ترین آلیاژهای آلومینیوم موجود برای کاربردهای هوافضا است. مقاومت در برابر خوردگی و استحکام بالا آن را به یک گرید آلیاژ آلومینیوم محبوب برای کاربردهایی تبدیل کرده است که تحت فشارهای محیطی بالا قرار دارند.

 

آلیاژهای آلومینیوم- لیتیم

آلیاژهای Al-Li آلیاژهای آلومینیومی سبک‌وزن پیشرفته و قابل عملیات حرارتی هستند که می‌توانند با گنجاندن ۱ تا ۳ درصد لیتیوم، چگالی را تا ۱۰ درصد کاهش دهند. لیتیوم همچنین مدول الاستیک آلیاژها را به ازای هر درصد اضافه‌شده، ۶ درصد افزایش می‌دهد.

آلیاژهای Al-Li نسبت به برخی آلیاژهای سری ۲۰۰۰ و ۷۰۰۰ حدود ۱۰ درصد سبک‌تر و ۲۵ درصد سفت‌تر هستند. ورق و صفحه آلیاژی AA2199 قبلاً در اجزای بدنه و بال‌های پایینی استفاده شده است. به‌عنوان‌مثال ورق‌های AA2199 در پوسته‌های بدنه استفاده می‌شوند که ساختاری سبک‌تر، چقرمگی خستگی بهتر، استحکام بالاتر (۴۰۰ مگاپاسکال)، تنش خوردگی بهتر و مقاومت در برابر خوردگی بهتری را نسبت به نمونه‌های ساخته‌شده از AA2024 دارند.

محصولات اکستروژن شده از AA2099 می‌توانند جایگزینی عالی برای کاربرد در ساختارهای داخلی بدنه و رشته‌های بال پایینی باشند. AA2050 می‌تواند جایگزین آلیاژهای Aآلومینیوم معمولی شود که در آن استحکام متوسط یا بالا و تحمل آسیب برای ارائه عملکرد بهتر موردنیاز است. AA2198 می‌تواند جایگزین AA2024 و AA2524 برای کاربردهای با تحمل آسیب بالا شود.

 

آلومینیوم به چه شکل‌هایی در هواپیما به کار می‌رود ؟

کاربرد آلومینیوم در هواپیما و ساخت قطعات آن به شکل محصولاتی زیر رایج است:

• ورق
• صفحه
• نوار یا تسمه
• لوله

 

آینده آلیاژهای آلومینیوم در صنعت هوافضا

کارشناسان صنعت درباره آینده آلیاژهای آلومینیوم در هوافضا نظر مثبت دارند. پیش‌بینی می‌شود که تقاضا برای آلومینیوم در دهه آینده دو برابر شود. تا سال ۲۰۲۵ تقاضای جهانی ۸۰ میلیون تن خواهد بود. به همین دلیل، صنعت هوافضا به‌طور فزاینده‌ای به دنبال آلیاژهای بازیافتی برای برآوردن تقاضای بالای آن‌ها است. همچنین فشاری برای نوآوری در مواد مورداستفاده و همچنین ساختار طراحی هواپیما وجود دارد.

به‌عنوان‌مثال، آلیاژهای آلومینیوم-لیتیوم برای صنعت هوافضا ساخته شده است تا وزن هواپیما را کاهش دهد و درنتیجه عملکرد هواپیما را بهبود بخشد. آلیاژهای Al-Li به دلیل چگالی کم، مدول ویژه بالا و خواص خستگی عالی برای این کاربردها مواد پیشرفته‌ای هستند.

همان‌طور که کشورهای درحال‌توسعه بیشتر در صنعت هوافضا مشارکت می‌کنند، با افزایش سرمایه‌گذاری نیز نوآوری‌های بیشتری در آلیاژهای آلومینیوم در سال‌های آینده ایجاد خواهد شد.

 

جمع بندی

آلومینیوم از زمان تولید اولین هواپیماها همواره در معرض توجه بوده است. خواص برتر این فلز همچون نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت بالا در برابر خوردگی، قیمت مناسب، در دسترس بودن و غیره سبب شده تا امروزه نیز کاربرد آلومینیوم در هواپیما همچون گذشته پررنگ باشد. آلیاژهای آلومینیوم- لیتیم، جدیدترین آلیاژهای توسعه داده شده برای کاربرد در انواع بخش‌های صنعت هوافضا هستند.