اولین هواپیمای کنترلی چاپ سه‌بعدی مجهز به موتور جت پرواز کرد

گروهی از فارغ‌التحصیلان دانشگاه باث بریتانیا با نام The Mach Initiative با ساخت هواپیمای کنترلی چاپ سه‌بعدی مجهز به موتور جت، برای شکستن رکورد جهانی سرعت و دستیابی به سرعت ۹۸۸ کیلومتر بر ساعت آماده می‌شوند.

به گزارش سرویس هوافضای تک‌ناک، این گروه پس از موفقیت در نخستین پرواز آزمایشی هواپیمای جت Kingfisher، اکنون نمونه پیشرفته‌تری به نام Kingchaser را توسعه داده است. هدف نهایی این پروژه دستیابی به سرعت ۰٫۸ ماخ، معادل حدود ۹۸۸ کیلومتر بر ساعت و شکستن رکورد جهانی گینس است.

رکورد کنونی سریع‌ترین هواپیمای مدل جهان به نیلز هربریش، خلبان آلمانی تعلق دارد که حدود ۹ سال پیش آن را ثبت کرده است. مهندسان بریتانیایی امیدوار هستند با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی، مواد سبک و مقاوم و موتور توربینی قدرتمند، این رکورد را پشت سر بگذارند.

هواپیمای Kingchaser با ترکیبی از پلاستیک PETG، پلیمر تقویت‌شده با فیبر کربن PPS-CF، میله‌های فیبر کربنی و قطعات آلومینیومی ساخته شده است. این ترکیب به مهندسان امکان می‌دهد وزن هواپیما را کنترل کنند و مقاومت ساختاری آن را در برابر فشارهای شدید ناشی از پرواز سریع افزایش دهند.

گروه The Mach Initiative ویدیوی نخستین پرواز موفق Kingfisher را در یوتیوب منتشر کرده است. این پرواز یکی از مراحل مهم پروژه محسوب می‌شود، چرا که عملکرد موتور جت و بدنه چاپ سه‌بعدی را در شرایط واقعی آزمایش کرده است.

بیشتر بخوانید: انقلاب در پرواز پهپادها با سیستم پیشران HyperDrive

از نمونه اولیه تا Kingchaser

مهندسان این پروژه فعالیت خود را با ساخت هواپیمای کنترلی چاپ سه‌بعدی کوچکی به نام Kinglet آغاز کردند. این نمونه اولیه با استفاده از مواد PETG، PET-CF و مقداری PLA تولید شد. توسعه‌دهندگان در مرحله نخست تصمیم گرفتند به‌جای موتور جت از فن کانالی الکتریکی یا EDF استفاده کنند.

این انتخاب هزینه آزمایش‌ها را کاهش داد و امکان بررسی ایمن‌تر طراحی‌های مختلف را فراهم کرد. همچنین مهندسان توانستند پیش از استفاده از موتورهای قدرتمندتر، عملکرد آیرودینامیکی و مقاومت بدنه را بررسی کنند.

یکی از ویژگی‌های مهم Kinglet طراحی ماژولار آن بود. مهندسان می‌توانستند بخش‌های مختلف هواپیما را جداگانه چاپ و آزمایش کنند. در صورت آسیب‌ دیدن هر قسمت نیز تنها همان قطعه تعویض می‌شد و نیازی به ساخت دوباره تمام بدنه وجود نداشت.

پس از دستیابی به نتایج رضایت‌بخش، گروه توسعه‌دهنده ساخت نمونه بزرگ‌تری به نام Kingfisher را آغاز کرد. طول این هواپیما کمی کمتر از یک متر بود و برای نخستین بار از موتور توربینی کوچک Jetcat P60 استفاده می‌کرد.

این موتور قادر به تولید نیروی رانش ۶۳ نیوتن بود و سرعت هواپیما را به حدود ۳۳۰ کیلومتر بر ساعت می‌رساند. البته مهندسان تأکید کردند که Kingfisher برای شکستن رکورد سرعت طراحی نشده است. هدف اصلی، دستیابی به پرواز موفق با موتور توربینی جت و ارزیابی عملکرد تجهیزات بود.

افزایش اندازه هواپیما و قدرت موتور، تغییرات مهمی را در طراحی ضروری کرد. نیروهای واردشده به بدنه Kingfisher بسیار بیشتر از نمونه اولیه بودند و استفاده از ساختار مقاوم‌تر اهمیت بیشتری پیدا کرد.

مهندسان همچنان از PETG برای ساخت بیشتر قسمت‌های بدنه استفاده کردند. با وجود این‌، محفظه موتور را از PET-CF عملیات حرارتی‌شده ساختند تا مقاومت بیشتری در برابر شرایط کاری موتور داشته باشد.

موتور با اتصالات آلومینیومی در جای خود ثابت شد و یک اسکلت آلومینیومی نیز قسمت‌های مختلف بدنه را تقویت کرد. این تغییرات امکان آزمایش موتور جت را در ساختاری عمدتا چاپ سه‌بعدی فراهم کردند.

برنامه اولیه گروه، ساخت نسخه Kingfisher MK2 با موتور جتی دارای نیروی رانش ۱۵۰ نیوتن بود. مهندسان قصد داشتند این هواپیما را به سرعت ۶۱۴ مایل بر ساعت، معادل ۹۸۸ کیلومتر بر ساعت برسانند.

این سرعت از رکورد ۴۳۴ مایل بر ساعت سریع‌ترین پهپاد الکتریکی جهان نیز به‌مراتب بیشتر است. با وجود این‌، مهندسان تصمیم گرفتند طراحی جدیدی را جایگزین نسخه دوم Kingfisher کنند.

نتیجه این تصمیم، توسعه هواپیمای Kingchaser بود که ابعاد آن حدود ۲۰ درصد بزرگ‌تر از Kingfisher است. طراحی جدید تغییرات گسترده‌ای در بدنه، ساختار داخلی و مواد مصرفی به همراه داشت.

بیشتر بخوانید: ساخت پهپاد رهگیر Zorelit v5 با سرعت بیش از ۴۰۰ کیلومتر

فناوری‌های پیشرفته هواپیمای کنترلی چاپ سه‌بعدی

هواپیمای Kingchaser حدود ۹ کیلوگرم وزن دارد و بخش عمده بدنه خارجی آن همچنان از PETG ساخته شده است. با وجود این‌، مهندسان برای محفظه موتور به‌جای PET-CF عملیات حرارتی‌شده از ماده پیشرفته‌تر PPS-CF استفاده کردند.

دلیل این تغییر، مشکلات ایجادشده هنگام عملیات حرارتی محفظه بزرگ‌تر موتور بود. این فرایند باعث تغییر شکل قطعه می‌شد که احتمالا به توزیع نامتوازن گرما ارتباط داشت.

مهندسان برای تقویت محفظه موتور چند لایه فیبر کربن به سطح آن اضافه کردند. همچنین قطعات آلومینیومی و فولادی برای محکم‌ کردن محل نصب موتور مورد استفاده قرار گرفتند.

حرارت بالای موتور جت یکی دیگر از چالش‌های اصلی طراحی بود. توسعه‌دهندگان برای محافظت از قطعات چاپ سه‌بعدی، ورق‌های تیتانیومی مخصوص خروجی اگزوز و نوارهای آلومینیومی را به ساختار هواپیما اضافه کردند.

ساختار داخلی Kingchaser نیز تغییر کرده است. مهندسان اسکلت آلومینیومی نمونه قبلی را با میله‌های فیبر کربنی جایگزین کردند. این تصمیم وزن هواپیما را کاهش می‌دهد و نیاز به ساخت قطعات سفارشی با دستگاه‌های ماشین‌کاری CNC را کمتر می‌کند.

در بخش تجهیزات الکترونیکی، یکی از اعضای گروه مسئولیت اختصاصی توسعه سیستم کنترل پرواز و تجهیزات اویونیک را بر عهده دارد.

هواپیمای Kingchaser از یک سیستم کامل اویونیک بهره می‌برد که اطلاعات گسترده‌ای درباره وضعیت پرواز جمع‌آوری می‌کند. این داده‌ها برای بررسی عملکرد هواپیما و ارزیابی شرایط آن در سرعت‌های بالا اهمیت دارند.

همچنین مهندسان یک سیستم تصویربرداری اول‌شخص یا FPV در هواپیما نصب کرده‌اند. این فناوری تصاویر دوربین هواپیما را در اختیار خلبان قرار می‌دهد و کنترل آن را هنگام پرواز سریع آسان‌تر می‌کند.

برای حرکت‌ دادن سطوح کنترلی بال‌ها نیز سرووهای قدرتمندی با گشتاور ۷۰ کیلوگرم‌سانتی‌متر انتخاب شده‌اند. این سرووها وظیفه کنترل سطوح متحرکی به نام Elevon را بر عهده دارند.

این سطوح در کنترل جهت و ارتفاع هواپیما نقش دارند و هنگام پرواز سریع با نیروهای آیرودینامیکی قابل‌ توجهی مواجه می‌شوند. بنابراین استفاده از سرووهای پرقدرت برای حرکت‌ دادن آنها ضروری است.

گروه The Mach Initiative هنوز تاریخ مشخصی برای تلاش رسمی جهت شکستن رکورد جهانی اعلام نکرده است. با وجود این‌، مراحل توسعه و آزمایش هواپیماهای این پروژه در ویدیوهای منتشرشده در یوتیوب قابل مشاهده است.

موفقیت نهایی Kingchaser می‌تواند ظرفیت فناوری چاپ سه‌بعدی را برای ساخت هواپیماهای کنترلی بسیار پرسرعت نشان دهد. اکنون مهم‌ترین هدف مهندسان، دستیابی به سرعت تعیین‌شده و عبور از رکوردی است که نزدیک به یک دهه پابرجا مانده است.

بیشتر بخوانید: هواپیمای مافوق صوت چین تا پایان سال دیوار صوتی را می‌ شکند