اولین هواپیمای کنترلی چاپ سه بعدی مجهز به موتور جت پرواز کرد

گروهی از فارغ التحصیلان دانشگاه باث بریتانیا به نام The Mach Initiative در حال آماده شدن برای شکستن رکورد سرعت جهانی و دستیابی به سرعت 988 کیلومتر بر ساعت با ساخت هواپیمای کنترلی پرینت سه بعدی مجهز به موتور جت هستند.

گزارش کردن سرویس هوافضای تکناکپس از اولین پرواز آزمایشی موفقیت آمیز هواپیمای جت Kingfisher، این گروه اکنون مدل پیشرفته تری به نام Kingchaser توسعه داده است. هدف نهایی این پروژه دستیابی به سرعت 0.8 ماخ معادل حدود 988 کیلومتر بر ساعت و شکستن رکورد جهانی گینس است.

رکورد کنونی سریع ترین مدل هواپیمای جهان متعلق به نیلز هربریچ، خلبان آلمانی است که حدود 9 سال پیش آن را ثبت کرده است. مهندسان بریتانیایی امیدوارند با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی، مواد سبک و مقاوم و موتور توربین قدرتمند، از این رکورد عبور کنند.

هواپیمای Kingchaser با ترکیبی از پلاستیک PETG، پلیمر تقویت شده با فیبر کربن PPS-CF، میله های فیبر کربن و قطعات آلومینیومی ساخته شده است. این ترکیب به مهندسان اجازه می دهد تا وزن هواپیما را کنترل کرده و مقاومت ساختاری آن را در برابر تنش های شدید پرواز با سرعت بالا افزایش دهند.

گروه ابتکار ماخ ویدئو اولین پرواز موفق Kingfisher در یوتیوب منتشر شد. این پرواز یکی از مراحل مهم پروژه محسوب می شود، زیرا عملکرد موتور جت و بدنه پرینت سه بعدی را در شرایط واقعی آزمایش کرد.

بیشتر بخوانید: انقلاب در پرواز پهپادها با پیشرانه HyperDrive

از نمونه اولیه تا Kingchaser

مهندسان این پروژه فعالیت خود را با ساخت یک هواپیمای کنترلی کوچک چاپ سه بعدی به نام Kinglet آغاز کردند. این نمونه اولیه با استفاده از PETG، PET-CF و مقداری PLA تولید شد. توسعه دهندگان در ابتدا تصمیم گرفتند به جای موتور جت از یک فن کانالی الکتریکی یا EDF استفاده کنند.

این انتخاب هزینه آزمایش ها را کاهش داد و امکان بررسی ایمن تر طرح های مختلف را فراهم کرد. مهندسان همچنین توانستند عملکرد آیرودینامیکی و مقاومت بدنه را قبل از استفاده از موتورهای قدرتمندتر بررسی کنند.

یکی از ویژگی های مهم Kinglet طراحی مدولار آن بود. مهندسان می توانستند قسمت های مختلف هواپیما را به طور جداگانه چاپ و آزمایش کنند. اگر قسمتی آسیب می دید فقط همان قسمت تعویض می شد و نیازی به بازسازی کل بدنه نبود.

پس از دستیابی به نتایج رضایت بخش، تیم توسعه شروع به ساخت یک مدل بزرگتر به نام Kingfisher کرد. طول این هواپیما کمی کمتر از یک متر بود و برای اولین بار از موتور توربین کوچک Jetcat P60 استفاده کرد.

این موتور قادر به تولید نیروی رانش 63 نیوتن بوده و سرعت هواپیما به حدود 330 کیلومتر بر ساعت می رسد. با این حال، مهندسان تاکید کردند که Kingfisher برای شکستن رکورد سرعت طراحی نشده است. هدف اصلی دستیابی به یک پرواز موفق با موتور جت توربین و ارزیابی عملکرد تجهیزات بود.

افزایش اندازه هواپیما و قدرت موتور، تغییرات قابل توجهی در طراحی را ضروری کرد. نیروهای اعمال شده به بدنه کینگ فیشر بسیار بیشتر از نمونه اولیه بود و استفاده از ساختار مقاوم تر اهمیت بیشتری پیدا کرد.

مهندسان به استفاده از PETG برای ساخت بیشتر قسمت های بدن ادامه دادند. با این حال، محفظه موتور از PET-CF عملیات حرارتی ساخته شده است تا در برابر شرایط کاری موتور مقاوم تر شود.

موتور با اتصالات آلومینیومی در جای خود ثابت شد و یک اسکلت آلومینیومی قسمت های مختلف بدنه را تقویت کرد. این تغییرات امکان آزمایش موتور جت را در ساختاری عمدتاً چاپ شده سه بعدی فراهم کرد.

طرح اولیه این گروه ساخت نسخه ای از Kingfisher MK2 با موتور جت با نیروی رانش 150 نیوتن بود. مهندسان قصد داشتند این هواپیما را به سرعت 614 مایل در ساعت معادل 988 کیلومتر در ساعت برسانند.

این سرعت بسیار بالاتر از رکورد 434 مایل در ساعت سریعترین پهپاد الکتریکی جهان است. با وجود این، مهندسان تصمیم گرفتند نسخه دوم Kingfisher را با طراحی جدید جایگزین کنند.

نتیجه این تصمیم توسعه هواپیمای Kingchaser بود که ابعاد آن حدود 20 درصد بزرگتر از Kingfisher است. طراحی جدید تغییرات گسترده ای را در بدنه، ساختار داخلی و مواد مصرفی به همراه داشت.

بیشتر بخوانید: ساخت پهپاد رهگیر Zorelit v5 با سرعت بیش از 400 کیلومتر

فناوری های پیشرفته هواپیمای کنترلی چاپ سه بعدی

وزن هواپیمای Kingchaser حدود 9 کیلوگرم است و بیشتر بدنه بیرونی آن هنوز از PETG ساخته شده است. با این حال، مهندسان از مواد پیشرفته تر PPS-CF برای محفظه موتور به جای PET-CF عملیات حرارتی استفاده کردند.

دلیل این تغییر مشکلات ایجاد شده در عملیات حرارتی محفظه بزرگتر موتور بود. این فرآیند شکل قطعه را تغییر داد که احتمالاً مربوط به توزیع ناهموار گرما بود.

برای تقویت محفظه موتور، مهندسان چندین لایه فیبر کربن را به سطح آن اضافه کردند. همچنین برای تقویت محل نصب موتور از قطعات آلومینیومی و فولادی استفاده شد.

دمای بالای موتور جت یکی دیگر از چالش های اصلی طراحی بود. برای محافظت از قطعات پرینت سه بعدی، توسعه دهندگان صفحات تیتانیوم مخصوص خروجی اگزوز و نوارهای آلومینیومی را به ساختار هواپیما اضافه کردند.

ساختار داخلی Kingchaser نیز تغییر کرده است. مهندسان فریم آلومینیومی مدل قبلی را با میله های فیبر کربن جایگزین کردند. این تصمیم باعث کاهش وزن هواپیما و کاهش نیاز به ساخت قطعات سفارشی با ماشین های CNC می شود.

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

هواپیمای Kingchaser از یک سیستم اویونیک کامل استفاده می کند که اطلاعات گسترده ای در مورد وضعیت پرواز جمع آوری می کند. این داده ها برای بررسی عملکرد هواپیما و ارزیابی شرایط آن در سرعت های بالا مهم هستند.

مهندسان همچنین یک سیستم تصویربرداری اول شخص (FPV) را در هواپیما نصب کرده اند. این فناوری تصاویر دوربین هواپیما را در اختیار خلبان قرار می دهد و کنترل آن را در حین پرواز سریع آسان می کند.

سرووهای قدرتمند با گشتاور 70 کیلوگرم سانتی متر برای حرکت سطوح کنترلی بال ها انتخاب شده اند. این سرووها وظیفه کنترل سطوح متحرک به نام Elevon را بر عهده دارند.

این سطوح در کنترل جهت و ارتفاع هواپیما نقش دارند و در هنگام پرواز سریع با نیروهای آیرودینامیکی قابل توجهی مواجه می شوند. بنابراین برای جابجایی آنها باید از سرووهای قدرتمند استفاده کرد.

ابتکار ماخ هنوز تاریخی برای تلاش رسمی برای شکستن رکورد جهانی اعلام نکرده است. با وجود این مراحل توسعه و آزمایش هواپیمای این پروژه در ویدئوهای منتشر شده در یوتیوب قابل مشاهده است.

موفقیت نهایی Kingchaser می تواند نشان دهنده ظرفیت فناوری چاپ سه بعدی برای ساخت هواپیماهای کنترلی بسیار سریع باشد. اکنون مهمترین هدف مهندسان رسیدن به سرعت تعیین شده و عبور از رکوردی است که نزدیک به یک دهه است.

بیشتر بخوانید: هواپیمای مافوق صوت چین تا پایان سال دیوار صوتی را خواهد شکست