تطبيقات سبائك المغنيسيوم في صناعة الطيران والفضاء

ثورة تخفيض الوزن: من صواريخ القمر الصناعي من فئة غرام إلى غطاء صواريخ من فئة طن

لماذا المغنيسيوم؟

مع كثافة 1.74 غرام/سم3 فقط ربع من الصلب و ثلثي من الألومنيوم المغنيسيوم لديه قوة محددة أعلى من سبائك الألومنيوم بنسبة 30%خصائص التخفيف من الاهتزاز المتفوقة مقارنة بسبائك التيتانيومعندما يقيس مصنعو الطائرات التكاليف في غرام، تصبح سبائك المغنيسيوم الخيار الطبيعي:خفض وزن طائرة مقاتلة بنسبة 15% يمكن أن يقلل من مسافة الإقلاع بنسبة 15% ويزيد من مدى القيادة بنسبة 20%؛ لكل كيلوغرام من الوزن الذي يتم توفيره في هيكل القمر الصناعي، يمكن أن تحمل مركبة الإطلاق 50 كيلوغرام أقل من الوقود، ويمكن أن توفر هياكل الدعم الأرضية 100 كيلوغرام إضافي.

تاريخ التطبيقات: طريق صخري، ولكن يبدأ مرة أخرى

في عام 1920، استخدمت سبائك المغنيسيوم في إطارات الطائرات الألمانية الزيبلين؛ خلال الحرب الباردة، استخدمت الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي على نطاق واسع سبائك المغنيسيوم في قاذفات القنابل والصواريخ،لكن حياتهم القصيرة والمسائل المتعلقة بالتآكل ظلت في الظل بسبب متطلبات الحربفي السبعينيات والثمانينيات، ارتفعت سبائك الألومنيوم إلى مكانة بارزة، مما تسبب في انخفاض حاد في استخدام سبائك المغنيسيوم.الطلب على الحد من وزن السيارات دفع إلى اختراقات تكنولوجية، وتأكسيد القوس الصغرى، والطلاء الكيميائي نضجت بشكل متتابع، مما دفع صناعة الطيران والفضاء إلى إعادة انتباهها إلى سبائك المغنيسيوم، مما أدى إلى الربيع الثاني".

III. وجود المغنيسيوم في السماء اليوم

1الطائرات ذات الأجنحة الثابتة

• تستخدم C919 سبيكة المغنيسيوم ZK60 لإطارات المقاعد، مما يقلل الوزن بنسبة 18 كجم لكل طائرة ويوفر 35000 لتر من الوقود سنوياً.
• تستخدم طائرة بوينغ 787 على نطاق واسع سبيكة الكترون 43 من المغنيسيوم والأراضي النادرة للشعاب العرضية في المقصورة ومؤسسات المعدات الإلكترونية ، واستبدال أجزاء سبيكة التيتانيوم وخفض الوزن بنسبة 25٪.

2طائرات الهليكوبتر

الجيل الجديد من طائرات الهليكوبتر "King of the Plateaus" تستخدم هيكل محمل أساسي من سبائك المغنيسيوم من الأرض النادرة Mg-Gd-Y-Zn-Zrتخفيض الوزن بنسبة 18٪ مقارنة مع سبيكة الألومنيوم الأصلية وزيادة سقف الركوب بنسبة 300 متر.

3الصواريخ و الطائرات بدون طيار

• يستخدم صاروخ "توروس KEPD-350" الألماني 100 كيلوغرام من سبيكة المغنيسيوم (GW83، ZK61) في جميع أنحاء الصاروخمع مدى 350 كم ورقم ماخ 0.9;
• غلاف صاروخ خفيف محلي ذو عيار 145 ملم يستخدم أنابيب مستخرجة من سبيكة المغنيسيومتخفيض الوزن بنسبة 30٪ مقارنة مع غلاف الألومنيوم من نفس المواصفات وزيادة النطاق بنسبة 12٪.

4الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية

• المقصورة الإلكترونية لمهمة تشانغ إيه-3 تستخدم لوحات من سبيكة المغنيسيوم المتجانسة، مما يقلل الوزن بـ 13 كيلوغراماً ويدمج التحكم الحراري، والموصلات الكهربائية،ومقاومة للتآكل من خلال أكسدة القوس الصغير;
• قمر صناعي للرصد عن بُعد أطلق في عام 2022 يحتوي على دعامات من سبيكة المغنيسيوم والليثيوم ومكونات مضمنة ومفاصلات الأقمار الصناعية في الإنتاج الضخمتقليل الوزن الإجمالي للقمر الصناعي بنسبة 8% وزيادة الحمل الفعّال مباشرة بنسبة 15 كجم.

التكنولوجيات الرئيسية: ضمان الطيران الموثوق بالمغنيسيوم

1تحديثات السبائك

السبائك Mg-RE (الأرض النادرة) تحتفظ بقوة الزحف 200 MPa عند 300 °C ؛ السبائك Mg-Li لديها كثافة مخفضة إلى 1.5 g/cm3 وحدة مرونة زيادة بنسبة 20٪ ،مما يجعلها مناسبة خصيصًا للدعامات البصرية الفضائية.

2التآكل والحماية

يُحقق تآكسيد القوس المجهري + طلاء مركب Ni-P-graphene الكهروكيميائي حياة رش الملح لمدة 1000 ساعة مع فقدان الموصلة الحرارية < 5٪حل التحديات المتعلقة بالتآكل والتحكم الحراري طوال عمر الخدمة البالغ 15 عامًا للقمر الصناعي.

3تشكيل والانضمام

• التشكيل شبه الصلب بمساعدة الفراغ (Thixomolding) يسمح بإنتاج قذائف معقدة ذات جدران رقيقة رقيقة تصل إلى 0.5 ملم ، مع معدل إنتاج أول مرور يبلغ 95٪.
• يتغلب الليزر على تحدي المفاصل المختلفة بين المغنيسيوم والصلب ، مما يضاعف عمر التعب ثلاث مرات ، ويستخدم في دعامات تركيب المحرك.

V. طريق الصين: من دولة غنية بالموارد الطبيعية إلى قوة في مجال الطيران

الصين تحتل المرتبة الأولى في العالم في كل من احتياطيات المغنيسيوم والإنتاجمعهد تشانغشا للبحوث في المواد الجديدة من شركة الصين للعلوم والصناعة الجوية، وفريق جامعة شانغهاي جياو تونغ أنشأوا سلسلة متكاملة تشمل "تصميم السبائك"تحسين العملية"معالجة السطح"التحقق على متن الطائرة":

• يُتوقع أن يصل استخدام سبائك المغنيسيوم في التطبيقات الجوية إلى حوالي 20000 طن متري في عام 2024، مع خطط لزيادة حجمها إلى أكثر من 50،000 طن متري بحلول عام 2030؛
• برنامج البحث والتطوير الوطني يخصص 300 مليون يوان سنوياًالتركيز على مكونات "القناة الزجاجية" مثل أقسام وحدات سبيكة المغنيسيوم الكبيرة من فئة 20 طن متري وخزانات وقود الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام.

VI. نظرة المستقبل

المركبات الإطلاقية القابلة لإعادة الاستخدام، والطائرات فائقة السرعة، والتنقل الجوي الحضري eVTOL ستدفع سبائك المغنيسيوم إلى ارتفاعات جديدة:

• التصنيع الإضافي (WAAM) يطبع أسطح التحكم في سبيكة المغنيسيوم أحادية الدرجة من 1 متر بمعدل 1.5 كجم / ساعة ، لتحقيق تخفيض وزن بنسبة 35 ٪.
• تصميم السبائك القائم على الذكاء الاصطناعي سيقصر دورة التطوير للصفات الجديدة من ثلاث سنوات إلى ستة أشهر.
• تقنية إعادة التدوير الخضراء المغلقة تقلل من البصمة الكربونية للمغنيسيوم المعاد تدويره إلى < 2 كجم من ثاني أكسيد الكربون / كجم ، بما يتماشى مع أهداف حيادية الكربون.

من صلبات الأقمار الصناعية على مستوى الجرام إلى غطاء الصواريخ من فئة الأطنان المترية، تثبت سبائك المغنيسيوم نفسها بأنها "أخف معدن"