بخشی از مقاله
مزایا و محدودیت هاي استفاده از مواد کامپوزیتی در صنایع دریایی و زیردریایی ها
چکیده :
در این تحقیق کاربردهاي فیبرهاي تقویت شده کامپوزیتی در کشتی ها و زیر دریایی ها مرور شده است. بـراي
بهبــود بخشــیدن ســاختار و کــاهش محــدودیتها در شــناورهاي دریــایی در یــک گســتره از کاربردهــاي جدیــد
کامپوزیتها در تجهیزات دریایی شامل استفاده آنها در ابرسـازههـا (Super Structures) و تجهیـزات کشـتی
هاي جنگی بزرگ مانند ناوچه ها و هواپیماها شرح داده می شود.
مزایاي مهمی در استفاده از مواد کامپوزیت هاي معمولی بجاي آهن و آلیاژ هاي آلومینیوم در ساخت کشتی ها
وجود دارند که قابل توضـیح و بررسـی مـیباشـند. در ایـن تحقیـق همچنـین شـرح نکـاتی در مـورد مهمتـرین
اشکالات استفاده از مواد کامپوزیت در صنایع دریایی بررسی شده است.
کلمات کلیدي : کامپوزیت - زیر دریایی – کشتی - سوپراسترا کچرها
مقدمه :
این تحقیق پیشرفتهاي اخیر در مورد توسعه سازه هاي کامپوزیتی در کشتیها و زیردریایی ها را مرور می کنداخیراً. یـک
دامنه استفاده از مواد کامپوزیتی پلیمري تقویت شده در سازه هاي دریایی گسترش وسیعی پیدا کرده است. این توسعه بـه
علت افزایش محدودیتهاي عملـی نیازهـا (ماننـد افـزایش محـدوده عملکـرد-خـواص ضـدرادار- پایـداري – ظرفیـت) و
همچنین کاهش هزینه هاي مالکیت (مانند کاهش هزینه هاي نگهداري و کاهش هزینه هاي مصـرف سـوخت) در کشـتی
هاي جنگی و زیردریایی ها می باشد.
بررسی سازهها شامل قایقهاي بزرگ گشتی ... هاورکرافتها. کشتی هاي مین یاب و رزمناوها کهکاملاً از مواد کـامپوزیتی
ساخته شده اند می باشد. استفاده از مواد کامپوزیت در آینده در ساختارهاي زیردریایی شامل سطوح کنترل، پروانـه هـا و
سیستم هاي دکل می باشد.
در حال حاضر کامپوزیتها براي رنجهاي مختلفی از کاربردهاي دریایی در نظر گرفته می شوند در صورتیکه براي سالهاي
زیادي این مواد فقط براي تعداد کمی از شناورهاي دریایی غیر بحرانی و قایقهاي کوچک استفاده مـی شـدند. . قایقهـاي
کامپوزیتی علاوه بر ویژگیهایی مانند سختی، استحکام و دوام زیاد، براحتی قابل تعمیر میباشند.
بسیاري از بررسی ها در مورد کاربرد کامپوزیتها در کشتی ها منتشر شده اند اگر چه این نشریات مربوط به 10 سـال پـیش
می شوند و بعضی از آنها بیش از 3 سال قدمت دارنـد. ایـن نوشـته یـک شـرح کلـی از مزایـا و محـدودیتهاي اسـتفاده از
کامپوزیتها در سطوح معمولی کشتی هاي ساخته شده از موادي مانند فولاد آلیاژهاي آلومینیـوم را نشـان میدهـد. مراحـل
متداول توسعه ساختارهاي کامپوزیتی جدید نیز بحث می شود و مدلهایی از کشتیهایی که با این ساختارها مونتاژ شده انـد
توضیح داده می شود.
چون سازه هاي دریایی گوناگون کمتر توسعه یافته اند توضیح مختصـري از هـر سـاختار داده مـی شـود. ایـن توضـیحات
برمبناي اطلاعات منتشر شده در دست نوشته ها می باشد. بنیه کاربردهایی که در این تحقیق وجود ندارنـد بـدلایل امنیتـی
در ارگانهاي دفاعی درجه بندي شده و سري می باشد.
١
-1 توسعه هاي جدید در شناورهاي دریایی کامپوزیتی :
در ابتدا از مواد کامپوزیت در ساختار قایقهاي گشتی کوچک ولندینگ کرافتها1 در شناورهایی2 با کیفیـت کـم و سـختی
پائین با ظرفیتی در حدود 20 تن و طولی در حدود 15 متر استفاده می شد. در سالهاي اخیر طراحی و سـاختار و عملکـرد
کامپوزیتها براي قایقهاي بزرگ گشتی، هاورکرافتها3 و رزمناوها در نظر گرفته شده است. شکل (1) نتایج حاصل از یـک
بررسی در شناورهاي دریایی طویل که بین سالهاي 1945 تا 2000کاملاً از مواد کامپوزیتی ساخته شـده انـد را نشـان مـی
دهد. طول آنها بطور پیوسته با گذشت زمان افزایش پیدا کرده اند اخیراًو کشتی هایی با طول 80 تـا 90 متـر وجـود دارد
کهکاملاً با مواد کامپوزیتی ساخته شده اند. با این روند ساخت کشتی هاي جنگی با اندازه هاي میانگین مانند ناوچه هاي
جنگی با طول 120 تا 160 متر با مواد کامپوزیت تا سال 2020 امکان پذیر است. قسمت هاي بعدي این تحقیـق پیشـرفتهاي
انجام شده در مورد استفاده از قایقهاي گشتی، کشتی هاي مین یاب ها و رزمناوهايکاملاً کـامپوزیتی شـرح داده شـده و
همچنین استفاده از این مواد را در هیدروفیلهاي دریایی توضیح می دهد.
-1-1 قایقهاي گشتی :
از کامپوزیتها براي ساخت قایق هـاي گشـتیتقریبـاً بـه مـدت 40 سـال اسـتفاده شـده اسـت. بیشـترین قـایق هـاي گشـتی
فایبرگلاس کمتر از 10 متر طول و 10 تن ظرفیت دارنـد و آنهـا بنـدرت بـا طـول بیشـتر از 20 متـر سـاخته شـده انـد زیـرا
تیرکهاي بدنه آنها ضعیف هستند.
بدنه قایقهاي گشتی با طول بیش از 25 مترمعمولاً با فولاد و آلیاژهاي آلومینیوم ساخته می شوند. این گونه قایقهاي گشتی
کامپوزیتی به علت وزن کم آنهامعمولاً در رودخانه ها و راه هاي آبی کوچک تردد دارنـد و نمـی تـوان در فاصـله هـاي
دور از ساحل به آنها اطمینان پیدا کرد. با این وجود بسیاري از کشورها از ساخت قایق هايکاملاً کامپوزیت تـا طـول 55
متر وظرفیت بار 30 تن در دور از ساحل بهره می برند. با انجـام مطالعـات امکـان مقایسـه هزینـه هـا، وزن و محـدودیتهاي
٢
ساختاري در قایق هاي بزرگ گشتی ساخته شده با فولاد-آلومینیوم با کامپوزیتها صـورت گـر فتـه اسـت. ایـن تحقیقـات
نشان می دهد که وزن سازه هاي قایق هاي گشتی ساخته شده با کامپوزیتهاي ساندویچی1 باید %10 سبکتر از آلومینیـوم و
در حدود %36 سبکتر از فولاد با اندازه هاي مشابه باشد.
استفاده از تکنولوژي ساختارهاي آینده مانند پاشش تزریـق کـامپوزیتی سـی مـن( SCRIMP) 2 یـا اسـتفاده از فیبرهـاي
تقویت شده کربن باعث صرفه جویی در وزن بدنه قایق ها می شود.
طراحان انتظار دارند که کاهش وزن بدنه ها باعث افزایش ظرفیت نظامی،تهیه محدوده عملهاي بزرگتر و کاهش مصـرف
سوخت شود. گوبالت و مایس3 پیش بینی می کنند که هزینـه هـاي عملکـرد یـک قـایق کـامپوزیتی کمتـر از یـک قـایق
فولادي می باشد زیرا باعث کاهش هزینه هاي نگهداري (بخاطر کاهش خوردگی) و باعث کاهش هزینـه هـاي مصـرفی
می شود .[1]
محاسبه هزینه طول عمر یک قایق کامپوزیتی کمی کمتر از %7 از یک قایق فولادي با همان اندازه می باشد. یـک مشـکل
اصلی در ساخت کشتی هاي کامپوزیتی سختی پائین تیرکهاي اصلی این کشتی هـا مـی باشـد (مـاکینن4 و دیگـران). [2]
انتظار می رود که یک قایق با طول 50 متر ساخته شده از کامپوزیتهـاي سـاندویچی، خمـش تیرکهـاي اصـلی آن تـا %30
بیشتر از فولاد می باشد. بطور مشابه آلم5بدست آورد که در کشتی هاي با طول 50 متـر سـاخته شـده از مـواد کامپوزیـت
خمشی تیرکهاي اصلی آن در حدود %240 بیشتر از زمانی که با فولاد ساخته شده اند می باشـند افـزایش خسـتگی باعـث
مشکلاتی از قبیل ترکهاي خستگی اطراف لوله ها و اتصالات و شافتهاي ملخ می شـود. کامپوزیتهـا یـک مقاومـت زیـاد
نسبت به وزن، خواص ضربه اي خوب و اشعه مادون قرمز کم و سیگنالهاي سطح مقطعی رادار رامهیا می کنند. [3]
فیبرهاي کربنی در سوپر استراکچرها استفاده شده و بعضی روکشهاي الکترومغناطیسی را مهیا می کنند.
٣
این مواد براي دستیابی به یک تعادل خوب از خواص مطلوب انتخاب شده اند که آنها سبک وزن بوده، دفاع عالی در
برابر خوردگی داشته و همچنین دفاع خوب در برابر تخریب در مقابل نیروهاي شاك زیر آبی و یک تعداد خواص شامل
اثر کم خواص حرارتی و اثرات مغناطیسی را دارا میباشد.[2]
-2-1کشتی هاي مین یاب: 1
کشتی هاي دریایی طراحی شده براي مکانیابی و تخریب مینهاي دریایی به کشتی هاي مین یـاب معـروف هسـتندمتعاقبـاً.
این کشتی ها از چوب ساخته می شدند زیرا خواص غیر مغناطیسی به آنها اجازه میداد که این کشتی ها در آب از مینهـاي
دریایی مغناطیسی محافظت شوند. کیفیت بالایی که ساخت کشتی هاي مین یاب ها نیاز داشت باعث کمبود آنها در طول
جنگ جهانی دوم شد بنابر این هزینه ساخت این کشتی ها مقرون به صرفه نبود.
همچنین کشتی هاي مین یاب ساخته شده از چوب هزینه هاي بسیار زیادي در طول عمر شان داشـتند زیـرا آنهـا بسـیار بـه
نگهداري نیاز داشتند. براي غلبه بر استفاده از چوب در سال 1951 به ساخت مینی یابهـایی بـه طـول 15/5 متـر کـه بـه نـام
XMSB-23 شناخته شده اند با یک کامپوزیت لانه زنبوري2 پرداخته شد. بـه علـت محـدودیتهاي مکـانیکی و خـواص
ضعیف ضدآب بودن کامپوزیتها، نفوذ آب دریا در بدنه XMSB-23 زیاد بود و بنـابر ایـن کشـتی هـا نبایـد از کـارایی
کشتی هاي مین یاب ها استفاده می کردند جدول شماره 2 لیستی از مدلهاي مختلف کشتی هاي مـین یـاب کـهاخیـراً در
حال کار بوده و یا در حال ساخت می باشند و بسیاري از آنها بیش از 50 متر طول و ظرفیـت بـاري متجـاوز از 600 تـن را
دارا می باشد را نشان می دهد.. [4] بیشترین ساختاري کهمعمولاً در بدنه کشتی هاي مین یاب استفاده می شـوندمعمـولاً
قالب هاي پوسته اي تکی3، مونو کوکهاي بدون قاب4 و کامپوریت سـاندویچی مـی باشـند.. [2] طراحـی شـامل قابهـاي
عمودي و تیرکهاي کامپوزیتکاملاً چسبنده طبق دسـتورالعمل هـا در طـول و عـرض بدنـه کشـتی از جـنس کامپوریـت
ساندویچی می باشند. این سیستم قاب بندي الزامات سخت تیرکهاي بدنه را که شماتیک آن در شـکل 1 نشـان داده شـده
٤
است تأمین می کند ساختار مونوکوکها نباید مانند سیستم قاب بندي کشتی ها باشد. بجاي یـک پوسـته ضـخیم 0,15) تـا
0,2متر) از کامپوریت ساندویچی ها ما باید ملزومات استفاده از سختی بدنه و دفاع در برابر شاك زیـر آب را مهیـا کنـیم.
عرشه ها و همچنین دیواره هاي اصلی نقش مهمی را در سختی کشتی هاي مونوکوکی دارند .[4]
-3-1 رزمناو ها: 1
بزرگترین کشتی هاي دریایی کهاخیراً با مواد کامپوزیت شروع به ساخت کرده اند رزمناوها هستند
ویسبی کلاسی، شناورهاي چند منظوره را با امکانات عملکرد مراقبت بازرسی، جنگنده، نگهدارنده مواد منفجره، دستگاه
هاي مین یاب و جنگنده ضد زیردریایی طراحی کرده است. براي برعهده گرفتن این وظایف شـناورها بایـد سـبک و زن
بوده و همچنین مستحکم و ضد بارهاي شاك زیر آب بـوده و از اثـرات مغناطیسـی و رادار مخفـی باشـنداین وظـایف بـه
آسانی با مواد کـامپوزیتی بدسـت مـی آینـد و بـا فـولاد یـا آلیاژهـاي آلومینیـومی بدسـت نمـی آیـد. مزیـت اسـتفاده از
کامپوزیتهاي کربن تقویت شده تهیه روکش فیبري مناسب الکترومغناطیسی در سوپراستراکچرهاي ویسبی می باشد. اگـر
چه تعدادي از مشکلات در استفاده از کامپوزیتها از قبیل مقابله کم با آتش وجود دارند .[6]
نکات طراحی ابتدایی کارایی ساخت کشـتی هـاي جنگـی تـا طـول 85 متـر و 1200 تـن ظرفیـت بـار بـا اسـتفاده از مـواد
کامپوزیت بجاي فولاد را نشان می دهد. آنهااستنتاج کردند که یک کاهش وزن در ساختار تا حـدود %3 و یـک کـاهش
در ظرفیت بار از %7 تا %21 و یک صرفه جویی در هزینه ها تا %15 بدست می آید. کاهش وزن بدنـه عامـل بـالقوه بـراي
بهبود قابلیت هاي جنگی در رزمناوها براي افزایش محدوده عملکرد می باشد.
-4-1 تیرك هاي کامپوزیتی :
کامپوزیتها در ابتدا در دکلها وقتی که دکلهاي ارتباطی روي کشتی ها فولادي بودند استفاده می شدند. خرپاهاي دکلهاي
فولادي یک منبع مداخله در رادارها و سیستم ارتباطی کشـتی هـا مـی باشـند. دکلهـاي فـولادي همچنـین اثـرات رادار را
٥
افزایش داده و در معرض خوردگی می باشند در ابتدا نشان داده شد که دکلهاي کامپوزیتی باید بـر بسـیاري از مشـکلاتی
که دکلهاي فولادي دارند غلبه کنند.
مطالعات نشان می دهد که یک دکل کامپوزیتی باید 20 تا %50 سبکتر از دکل آلومینیومی با همان سـایز باشـد. بـرآورده
می شود که دکلهاي کامپوزیتی داراي استحکام خستگی بهتـر، حـذف خـوردگی و بهبـود کـارایی سنسـورهاي دکـل بـا
استفاده از کاهش ممانعت هاي دریایی درمقایسه با دکلهاي فـولادي مـی باشـند.. هرچنـد کـه یـک دکـل کـامپوزیتی در
حدود %50 از دکلهاي آلومینیومی گرانتر هستند .[7]
اختلاف بین دکلهاي فولادي جلو و دکلهاي کامپوزیتی عقب طراحی سیستم AEM/S را از این انتخاب منحصر بـه فـرد
اجازه عبور فرکانس سنسور از میان ساختارهاي کامپوزیتی می داد به طوري که گم شدن کشتی ها خیلی کـم مـی شـد و
دیگر فرکانسها بازتاب داده می شدند. دیگر مزیتها در ساختار دکلها ضمیمه کردن همه آنتنهاي اصلی و دیگـر تجهیـزات
الکترونیکی حساس می باشد بنابر این باعث محافظت آنها از آب و هوا کاهش هزینه هاي نگهـداري مـی شـود برخـی از
فواید این دکلهـاي کـامپوزیتی عبارتنـد از بهبـود سـري، محافظـت محیطـی بهتـر و کـاهش تـداخل الکترومغناطیسـی در
سنسورها می باشد همچنین یک کاهش از 10 تا %3 در وزن در مقایسه با دکلهاي فولادي با سایز مشابه داریم .[8]
-2 سیستم هاي پیشران کامپوزیتی :
-1-2 پروانه کشتی :
پروانه هاي پیشران براي کشتی ها و زیر دریاي هامعمولاً از آلیاژ نیکل – آلومینیوم – برنز (NAB) ساخته شده اند زیـرا
در برابر خوردگی دفاع عالی داشته و بازده مقاومتی بالایی دارند. تعدادي از مشکلات که در خواص NAB با آن مواجه
هستیم عبارتند از تراشکاري و شکل دادن آنها به شکل تیغه ها گران و پر خرج می باشد. تیغه هاي پروانه NAB تمایل به
ترکهاي خستگی القاء شده دارند نسبتاًو خواص میرایی کمی در برابر صدا دارند که این منجر به مشـکلات نـویزي بـراي
ارتعاشات می شود.
٦
مشکلاتی از این قبیل باعث شد که طراحان به فکر ساخت تیغه هاي پروانه ها با موادي به غیر از NAB شوند. موادي کـه
براي این جایگزینی مطرح شدند عبارتند از – استاینلیس استیل- آلیاژ تیتانیوم – سوناستون و کامپوزتیها.
اطلاعات طراحی و عملکرد سیستم هاي پروانه کامپوزیتی خیلی محرمانه می باشند و بنابراین پیشرفتهاي اخیر ساخت ایـن
گونه پروانه ها در جایی گزارش نشده اند مواردي از آن که منتشر شده است این است که تیغه هاي کـامپوزیتی بـا فیبرهـا
مرتب شده و با بارهاي هیدرودینامیکی مرکز گرا حمایت می شوند.
یک مزیت استفاده از کامپوزیتها در یاطاقانها این است که فیبرها می توانند در جهت هاي مختلف در طـول یـک تیغـه بـا
مینیمم تغییر شکل هدایت شوند. یکی از برآیندهاي عملکرد تیغه ها بهینه کردن و هدایت تعدادي از فیبرها از میان انبوهی
از آنها می باشد.
لین ولین[9] 1 نشان دادند که تطبیق مسیر فیبرها بر روي ضربه و نسبت گـام مـؤثر بـر انحنـاي تیغـه هـاي پروانـه تـأثیر مـی
گذارد. تیغه هاي کامپوزیتی از ورقه هاي جامد شامل شیشه و فیبرهاي کربن یا از یک ساندویچ سـاخت مـی شـوند یـک
لایه نازك از پلی اوره تان، NAB یا استاینلیس استیل براي نوك تیغه ها استفاده شده و از خسـارت ضـربه هـاي سـخت
جلوگیري می کند .[9]
. آزمایشات برروي پروانه هایی باقطري بین 0,26 متر تا 3 متر در کشتی هاي تجاري با ظرفیت 2 تا 5000 تن با سـرعت 5
تا 35 گره دریایی انجام شد. این آزمایشات نشان داد که کشتی هاي با پروانه کامپوزیتی در مقایسه با کشـتی هـا بـا پروانـه
هاي فلزي در سرعت، هزینه هاي سوخت، حجم کارکرد، مقدار جذب قدرت اسـب بخـار و طـول عمـر برابـر بودنـد بـه
علاوه پروانه هاي کامپوزیتی دامنه ارتعاشات در موتورها و شافتهاي پروانه ها در حدود %25 کاهش مـی دهنـد. در نتیجـه
ارتعاشات بدنه و نویزها کاهش می یابند .[9]
خلاصه اي از مزایاي پروانه هاي کامپوزیتی در جدول 1 شرح داده شده است معایب پروانه هاي کامپوزیتی شـامل هزینـه
ساخت بالا، تغیر شکل بیشتر نوك تیغه ها و دفاع کم در برابر خسارات ضربه در مقایسه با پروانه هاي NAB می باشد
