تعد واجهة القمر الصناعي أحد أهم مكونات مركبة الإطلاق، حيث تمتلك شكلًا ديناميكيًا هوائيًا جيدًا وكتلة هيكلية خفيفة وقدرة فصل موثوقة. وتتمثل وظيفته الرئيسية في الحفاظ على الشكل الديناميكي الهوائي لمركبة الإطلاق أثناء- مرحلة ما قبل الإطلاق والطيران، وحماية الحمولة النافعة بالداخل من تأثير البيئة الطبيعية الخارجية والتآكل الديناميكي الهوائي، والفصل بشكل موثوق عن الصاروخ بعد الخروج من الغلاف الجوي. ويبين الشكل 1 هدية مركبة الإطلاق في حالة الانفصال. توجد هذه الواجهة في مقدمة مركبة الإطلاق، مما يحمي القمر الصناعي والأدوات الدقيقة الأخرى الموجودة داخل مركبة الإطلاق من التآكل الحراري أثناء الخروج من الغلاف الجوي. بمجرد خروج مركبة الإطلاق من الغلاف الجوي، لا تخدم الهدية غرضها، وعند هذه النقطة، لتقليل وزن الصاروخ، تنفصل الهدية عن مركبة الإطلاق. لضمان نقل البيانات بين الحمولة داخل الهدية والعالم الخارجي قبل الانفصال، تتمتع الهدية بشكل عام بقدرات نقل الموجات الكهرومغناطيسية. في الوقت الحالي، تنقسم هياكل الأقمار الصناعية محليًا ودوليًا إلى فئتين: الهياكل المعدنية المثبتة وهياكل المواد المركبة. عادةً ما تستخدم الهياكل المعدنية المثبتة بالبرشام سبائك الألومنيوم، في حين تستخدم هياكل المواد المركبة مواد مركبة من الألياف القائمة على الراتنج-مع إمكانات إرسال الموجات-. يمكن للواجهات المصممة والمصنعة من مواد الألياف المركبة القائمة على الراتنج- أن تقلل بشكل فعال الوزن الهيكلي بنسبة 20%-30%، مما يزيد من سعة حمولة الصاروخ ويقلل استهلاك وقود المحرك تحت نفس الحمولة، وبالتالي تقليل تكاليف إطلاق الصاروخ. علاوة على ذلك، توفر مواد الألياف المركبة التي تعتمد على الراتنج- مرونة أكبر في التصميم مقارنة بالمواد المعدنية، مما يسمح بالتصميم والتصنيع المتكاملين، مما يقلل عدد المكونات الهيكلية ويحسن الموثوقية الهيكلية. إن المقاومة الممتازة للتآكل، ومقاومة الحرارة الرطبة، ومقاومة الإشعاع، ومقاومة التعب للمواد المركبة المصنوعة من الألياف القائمة على الراتينج تعمل على إطالة عمر خدمة هيكل الهدية، وبالتالي تمكين استعادة الهدية.
2.1 مواد اللوحة يوفر هيكل اللوحة الشكل الديناميكي الهوائي للهدية. مادة اللوحة عبارة عن مادة مركبة من الألياف تعتمد على الراتنج-، وتتكون من مادة مصفوفة ومواد تقوية. تتميز مواد الألياف المركبة التي تعتمد على الراتنج- بخفة الوزن، والقوة- العالية، والمقاومة للحرارة-، مع مرونة عالية في التصميم، ويمكنها تحقيق وظيفة نقل الموجات- عبر نطاق واسع، مما يجعلها مواد مثالية للواجهات. يستعرض هذا الفصل مواد الهدايا التي تعتمد على الألياف والراتنجات{9}}شائعة الاستخدام محليًا ودوليًا.
2.1.1 مواد الألياف الراتنجية-تتميز مركبات الألياف القائمة على الراتنج بمزايا مثل القوة النوعية العالية والمعامل النوعي العالي. تشتمل مواد التسليح عالية الأداء-المستخدمة بشكل شائع في ألواح الهدايا محليًا ودوليًا على ألياف الكربون، والألياف الزجاجية، وألياف الأراميد.
تمتلك ألياف الكربون العديد من الخصائص الممتازة، بما في ذلك القوة والمعامل المحوري العالي، والكثافة المنخفضة، وعدم الزحف، ومقاومة التعب الجيدة، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، والتوصيل الكهربائي الجيد وأداء التدريع الكهرومغناطيسي. وقد تم استخدامه على نطاق واسع في مجال الطيران.الألياف الزجاجيةهي مادة التقوية الأكثر استخدامًا للجلود الرقيقة الشفافة-المموجة، وتتمتع بمزايا مثل القوة العالية، وخصائص العزل الكهربائي الممتازة، وانخفاض امتصاص الرطوبة، وثبات الأبعاد. كوارتزالألياف الزجاجيةيمتلك أفضل خصائص العزل الكهربائي لجميع الألياف الزجاجية، ويبقى دون تغيير بشكل أساسي على نطاق ترددي واسع، مما يتيح نقل الموجات ذات النطاق العريض في الواجهات. علاوة على ذلك، تعرض ألياف الكوارتز أداءً ممتازًا في نقل الموجات في درجات حرارة عالية، وتستخدم معظم الواجهات المتطورة في الخارج حاليًا ألياف الكوارتز كمواد تقوية. ألياف الأراميد، وهي ألياف متخصصة ذات تقنية عالية-، تتمتع بقوة عالية ومعامل عالي، ومقاومة ممتازة للحرارة ومثبطات للهب، وتستخدم في تطبيقات الفضاء الجوي مثل سترات وخوذات الأراميد المضادة للرصاص. ومع ذلك، فإن الطبيعة الاسترطابية لألياف الأراميد تؤثر على خصائصها العازلة، مما يحد من تطبيقها في الواجهات الشفافة الموجية-.
2.1.2 تستخدم مواد الراتنج بشكل عام راتنجات التصلد بالحرارة عالية الأداء - كمادة مصفوفة اللوحة، بما في ذلك راتنجات الإيبوكسي (EP)، وراتنج البيسمالميد (BMI)، وراتنج إستر السيانات (CE)، وما إلى ذلك. راتنجات الإيبوكسي هي مادة الراتنج الأكثر استخدامًا. إنه يتميز بخصائص ديناميكية حرارية ممتازة، وقابلية معالجة قوية، وخصائص كهربائية فائقة، مما يجعله عنصرًا أساسيًا في مصفوفات الراتنج المركبة. ومع ذلك، يعاني راتنجات الايبوكسي من ضعف مقاومة الصدمات وانخفاض كبير في الخواص الميكانيكية في ظل الظروف الرطبة والحارة. في السنوات الأخيرة، ركز الباحثون على إضافة مجموعات مرنة إلى أنظمة الإيبوكسي لتحسين صلابتها ومقاومتها للحرارة. يتمتع راتنج البيسمالميد (BMI)، باعتباره مادة بوليميد عطرية، بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة، وقوة ومعامل عاليين، ومعامل تمدد حراري منخفض، وثبات وخسارة عازلة كهربائية منخفضة، ومواد متطايرة منخفضة التفريغ، ومكثفات منخفضة المتطايرة. كما أنها تشترك في مزايا مماثلة مع راتنجات الايبوكسي، مثل سهولة المعالجة، وتستخدم على نطاق واسع في مجال الطيران. ومع ذلك، تشمل عيوبه نقطة انصهار عالية، وضعف الذوبان، وهشاشة عالية. راتنج استر السيانات (CE) هو نوع جديد من الراتنجات تم تطويره في الثمانينات. ويتميز بثبات العزل الكهربائي المنخفض، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الحرارة الرطبة، ويستخدم بشكل رئيسي في لوحات الدوائر المطبوعة عالية الأداء-وفي المواد الهيكلية الشفافة عالية الأداء-. وتشمل عيوبه هشاشة عالية وضعف الصلابة بعد المعالجة. لزيادة صلابة نظام الراتينج، يستخدم BMI وCE بشكل عام أنظمة راتنجات مختلطة معدلة ومقواة كمصفوفة المواد المركبة. يمكن لأنظمة راتينج BMI وCE المعدلة، مع ضمان مقاومة ممتازة للحرارة الرطبة وخصائص العزل الكهربائي، تحسين قوة تأثير الهيكل.
2.2 مواد الساندوتش يلعب هيكل الساندوتش الانسيابي دورًا داعمًا لمواد اللوحة، وتؤثر معلمات الأداء الخاصة به بشكل كبير على الخواص الميكانيكية لقسم إرسال موجة هدية القمر الصناعي -. يجب أن تلبي مادة الساندويتش المتطلبات التالية: كثافة منخفضة، معامل ضغط عالي، معامل قص عالي، قوة انثناء عالية، وخصائص عازلة ممتازة. المواد الرئيسية للشطيرة الانسيابية التي تلبي هذه المتطلبات هي:الألياف الزجاجيةقرص العسل، قرص العسل من الألومنيوم، قرص العسل الورقي نومكس، وقرص العسل الرغوي PMI (بولي ميثيل ميثاكريلات).
قرص العسل المصنوع من الألياف الزجاجية له تأثير ضئيل في تقليل الوزن وخصائص ميكانيكية سيئة. في مجال الطيران، تم استبدال قرص العسل الورقي Nomex وقرص العسل الرغوي PMI بالتدريج؛ يمكن أن يتسبب الجمع بين قرص العسل المصنوع من الألومنيوم وألواح ألياف الكربون في حدوث تآكل كهروكيميائي، مما يفشل في تلبية متطلبات مقاومة التآكل للمواد المركبة في البيئة القاسية للمركبات الفضائية؛ قرص العسل الورقي Nomex مصنوع من الأراميد المشرب براتنج الفينول، ولا يسبب الجمع بين قرص العسل Nomex وألواح ألياف الكربون تآكلًا كهروكيميائيًا، وله معامل قص أعلى من الرغوة الصلبة PMI، وأقل تكلفة، وله قابلية معالجة جيدة، ويستخدم على نطاق واسع في جسم الطائرة، والموصلات، وأجزاء أخرى، مما يجعله يستخدم على نطاق واسع في مجال الفضاء الجوي؛ يتفوق هيكل ساندويتش الرغوة PMI على هياكل ساندويتش قرص العسل الأخرى في العديد من الخواص الميكانيكية، وهو عبارة عن هيكل صلب عالي الصلابة-. مع قوة شد تتجاوز 0.5 ميجا باسكال، وكثافة أقل من 100 كجم/م3، ودرجة حرارة تشويه حرارية تصل إلى 240 درجة، يُظهر PMI قوة ربط بينية ممتازة مع الراتنجات المتصلدة بالحرارة مثل EP، وBMI، وCE. باعتباره هيكلًا ساندويتشًا، فهو أقل عرضة للانفصال عن واجهة اللوحة. علاوة على ذلك، توفر هياكل PMI أداءً ممتازًا في نقل الموجات، مما يتيح نقل الموجات ذات النطاق العريض مع تلبية متطلبات الحمل. يتم استخدامه على نطاق واسع في المعارض الخارجية، ومحليًا، ويستخدم بشكل أساسي في المكونات الهيكلية للطائرات المدنية. اعتمد الجيل الجديد من مركبات الإطلاق-سلسلة Long March 3A-بنية ساندويتش PMI منتجة محليًا لمخروطها الأمامي الانسيابي، مما يقلل من تكاليف إطلاق القمر الصناعي ويوضح آفاق التطبيقات الواسعة.
الوضع الحالي لتطوير مواد الهدايا المحلية
لتلبية احتياجات التطوير المستقبلية للواجهات الخاصة بمركبات الإطلاق والمركبات الفضائية الأخرى في بلدي، ركزت العديد من الجامعات ومعاهد الأبحاث في الصين على تعديل مواد الألياف المركبة لتصميم وتطوير-مواد ألياف مركبة عالية الأداء ومنخفضة-التكلفة. وقد أدى ذلك إلى تعزيز قدرة مركبة الإطلاق على الوصول إلى الفضاء وتقليل دورات الإطلاق والتكاليف.
في البحث عن المواد التي تعتمد على الراتنج-في واجهات مركبات الإطلاق، قام يانغ شيونغ وآخرون. من معهد الكيمياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، طوروا سلسلة من مصفوفات راتنجات البوليميد، بما في ذلك الجيل الأول المقاوم لدرجة 316 درجة، والجيل الثاني مقاوم لدرجة 371 درجة، والجيل الثالث مقاوم لدرجة 426 درجة. لقد قاموا أيضًا بتطوير طرق قولبة مختلفة لمركبات مصفوفة الراتنج المقوى بألياف الكربون المقاومة للحرارة العالية، بما في ذلك تقنية الأوتوكلاف الفراغي، وتقنية RTM ذات درجة الحرارة العالية - الفراغية، وتقنية القولبة الساخنة التفاعلية. أجرى He Guowen دراسات تحليلية مجهرية حول التحضير وقوة الترابط بين الأسطح لمركبات البوليميد، مما يوفر مرجعًا لتطبيق مركبات البوليميد في واجهات الطائرات. أجرى راو شيان هوا من جامعة جيلين بحثًا حول-مصفوفات راتنجات البوليميد المنتهي من الفينيل{11}}عالية الأداء ومركبات ألياف الكربون الخاصة بها، مما وسع الآفاق لتطوير-واجهات مركبة من ألياف الكربون من البوليميد عالية المقاومة لدرجات الحرارة. لقد طوّر معهد أبحاث المواد والعمليات الفضائية مادة مركبة من البوليميد المقوى بالكوارتز-يمكن استخدامها لفترة طويلة-في درجات حرارة تصل إلى 370 درجة. تعرض هذه المادة أيضًا انخفاض ثابت العزل الكهربائي وفقدان العزل الكهربائي، وأداء مستقر، وخصائص عازلة وميكانيكية ممتازة، مما يجعلها مرشحًا مناسبًا لمواد وظيفية تحمل موجة -شفافة/عالية-حمل-. تشانغ شينغ وآخرون. صممت واجهة قمر صناعي شفافة وموجة بالكامل-باستخدام لوحة من الألياف الزجاجية-بنية ساندويتش من ورق الأراميد على شكل قرص العسل. لقد أثبتت النتائج التجريبية أنه يحقق قدرة عالية-على نقل الموجات بمتوسط 90% من معدل نقل الموجات متعدد الاتجاهات. حتى مع تقليل الوزن بنسبة تزيد عن 20%، لا تزال قدرة تحمل الحمولة تفي بمتطلبات التصميم، وتحقق قدرة تحمل خفيفة الوزن وعالية الحمولة، ووظيفة نقل الموجات شاملة الاتجاهات، والتي تم التحقق منها في اختبارات الطيران. صمم Qu Guangyan من معهد Harbin FRP للأبحاث هيكلًا خفيف الوزن وعالي-قوة وسمك-مواد مركبة يمكن التحكم فيه باستخدام عملية معالجة مشتركة لمواد مركبة من ألياف الكربون عالية القوة-. ويتغلب هذا على تحديات تصميم القالب التي تنتج عن{38}}تقنية القولبة المتكاملة واسعة النطاق. تحافظ المادة المركبة المصنوعة من ألياف الكربون عالية القوة- على شكلها الديناميكي الهوائي مع ضمان أبعاد كبيرة، مما يحمي الحمولة الداخلية من التأثيرات البيئية الخارجية.
الوضع الحالي لتطوير مواد الهدايا في الخارج
تفتخر الولايات المتحدة بالتكنولوجيا الأكثر تقدمًا في تصميم وتصنيع مواد هدية مركبات الإطلاق. تشمل المواد الانسيابية كلاً من المواد غير العضوية والعضوية، وتشمل عمليات التشكيل التعبئة الفراغية، والقولبة، والصب. تمتلك الولايات المتحدة اختبارات أداء شاملة وأساليب تجريبية، بالإضافة إلى تكنولوجيا أنفاق الرياح لإجراء- اختبارات حقيقية على مستوى العالم. في سبعينيات القرن العشرين، طورت الولايات المتحدة المادة المركبة Duroid 5870 وأكملت اختبارات التحميل الحراري الملائم، والخصائص الكهربائية في درجات الحرارة العالية-، والاستئصال، ومقاومة التآكل الناتج عن المطر. كما قامت بتطوير معدات اختبار الهدايا الآلية لاختبار الأداء الكهربائي. حاليًا، في نظام المواد المركبة (HTPMCs)-المعتمد على الراتنجات العضوية ذات المقاومة العالية لدرجات الحرارة، أصبحت راتنجات PI (PMR-15 وPMR-50) التي طورتها الولايات المتحدة مواد أساسية في صناعة الطيران، مما يعزز بشكل كبير تطبيق مواد PI المركبة في المكونات الهيكلية الكبيرة ويقلل التكاليف. تعمل الخصائص العازلة الممتازة لألياف الكوارتز على تسهيل نقل الموجات ذات النطاق العريض، ومعظم هياكل مركبات الإطلاق الأجنبية مصنوعة الآن من مواد مركبة من ألياف الكوارتز. لقد طورت الولايات المتحدة هيكلًا مركبًا من راتينج PI مقوى بألياف الكوارتز- مع درجة حرارة تشغيل تتجاوز 538 درجة. تمتلك روسيا-تكنولوجيا رائدة عالميًا في تصنيع المواد المركبة. أثناء تطوير وتطبيق مواد متقدمة مقاومة لدرجات الحرارة العالية، فقد طورت أيضًا مواد مركبة جديدة مناسبة للواجهات ذات النطاق العريض والواجهات الكهرومغناطيسية/الأشعة تحت الحمراء ذات الوضع المزدوج. وفي الوقت نفسه، تعمل على تعزيز الأبحاث المتعلقة بتقنيات معالجة وتصنيع الهدايا، مع التركيز على تصميم الأداء الهيكلي والكهربائي للهدايا. لقد حقق الراتنج الفينولي المعدل الذي طورته روسيا مستويات عالية جدًا من أداء المعالجة ونقل الموجات، مع درجة حرارة تشغيل قصوى تبلغ 600 درجة، وتم تطبيقه بنجاح على واجهات النطاق العريض.