Thermal Performance of Additively Manufactured Lattice and Honeycomb Sandwich Cores for Heat Shielding

في عالم هندسة الطيران والفضاء عالي المخاطر، تعد حماية المركبة من الحرارة الحارقة أثناء إعادة دخول الغلاف الجوي مسأًلة حياة أو موت. فعندما تهبط مركبة فضائية أو طائرة فرط صوتية عائدة إلى الغلاف الجوي، ينضغط الهواء أمامها وتزداد حرارته لتصل إلى آلاف الدرجات، مما يخلق حاجزاً حرارياً يمكنه صهر المعادن القياسية في ثوانٍ معدودة. وللبقاء على قيد الحياة، يعتمد المهندسون على أنظمة الحماية الحرارية، التي تُبنى غالباً على شكل ألواح "ساندوتش" (sandwich panels). تتكون هذه الهياكل من طبقتين خارجيتين رقيقتين وقويتين يفصلهما قلب خفيف الوزن. وظيفة القلب ليست تحمل وزن المركبة، بل العمل كعازل حراري، لمنع الحرارة المتولدة من الجلد الخارجي الملتهب من الوصول إلى الإلكترونيات وخزانات الوقود الحساسة في الداخل. ولعقود من الزمن، كان المعيار الصناعي لهذا القلب هو هيكل "قرص العسل" (honeycomb)، المصنوع من رقائق معدنية رقيقة ملتصقة ببعضها في نمط سداسي. إنه تصميم مثبت وموثوق، لكنه محدود بالأدوات المستخدمة في صناعته؛ فشكل قرص العسل ثابت، والمادة تكون موحدة في جميع أنحاء الهيكل.

لقد استكشف فريق من الباحثين في جامعة "مالا ريدي" (Malla Reddy) في الهند مساراً مختلفاً، وهو مسار أتاحته التطورات السريعة في الطباعة ثلاثية الأبعاد، أو ما يعرف بالتصنيع المضاف. فبدلاً من الالتزام بهيكل قرص العسل التقليدي، تساءلوا عما إذا كان بإمكانهم تصميم قلب ذي بنية داخلية ثلاثية الأبعاد أكثر تعقيداً قد يحجب الحرارة بشكل أكثر فعالية. وقد ركزوا على نمط هندسي محدد يُعرف باسم "شبكة أوكتيت-تراس" (octet-truss lattice)، والتي تبدو كإطار متكرر من الدعامات المترابطة، تشبه السقالات المجهرية. وباستخدام الحاسوب لمحاكاة ظروف الحرارة الشديدة، قارنوا تصميم الشبكة الجديد مباشرة بمعيار قرص العسل القديم، واختبروه عند مستويات مختلفة من كثافة المادة لمعرفة أيهما سيحافظ على برودة واستقرار الجزء الخلفي من اللوح بشكل أفضل.

قام الباحثون ببناء نماذج رقمية مفصلة لكلا اللوحين، مستخدمين سبائك الألمنيوم للمواد، وعرضوهما لنوعين من سيناريوهات الحرارة الشديدة. في السيناريو الأول، قاموا بمحاكاة مصدر حرارة ثابت ومستمر، حيث تم الحفاظ على السطح العلوي عند درجة حرارة حارقة تبلغ 500 درجة مئوية بينما ظل السطح السفل بارداً. وفي السيناريو الثاني الأكثر ديناميكية، قاموا بضرب السطح العلوي بدفعة هائلة من التدفق الحراري لمدة خمس دقائق، محاكين بذلك التسخين المفاجئ والعنيف الذي قد تتعرض له المركبة أثناء الطيران عالي السرعة. وأجروا هذه المحاكاة عبر مجموعة من الكثافات، من الخفيفة جداً والهوائية إلى الأكثر كثافة قليلاً، للعثور على النقطة المثالية حيث تكون المادة خفيفة بما يكفي لتكون عملية، وسميكة بما يكفي لصد الحرارة.

كانت نتائج هذه المحاكاة واضحة ومبشرة لصالح التصميم الجديد. فقد أثبت قلب الشبكة المصنع بالطباعة ثلاثية الأبعاد أنه عازل متفوق مقارنة بهيكل قرص العسل التقليدي. ففي اختبار الحرارة المستمرة، نقلت بنية الشبكة الحرارة عبر اللوح بكفاءة أقل بنسبة 26 بالمئة تقريباً مقارنة بقرص العسل. وترجم هذا الفرق في الأداء مباشرة إلى درجة الحرارة على الجانب المحمي من اللوح. فعند تعرض الجزء العلوي لدفعة الحرارة المكثفة لمدة خمس دقائق، وصلت درجة حرارة الجزء الخلفي من لوح قرص العسل إلى 315 درجة مئوية. ومع ذلك، ظل لوح الشبكة أبرد بكثير، حيث وصلت درجة حرارة وجهه الخلفي إلى 287 درجة مئوية عند كثافة 5%، وسجلت حداً أدنى قدره 256 درجة مئوية عند أدنى كثافة تم اختبارها وهي 3%. وهذا يمثل فرقاً يقارب 30 درجة مئوية، وهو هامش قد يكون العامل الحاسم في بقاء مستشعر ما حياً خلال المهمة أو فشله.

وفضلاً عن مجرد منع الحرارة من الدخول، تعاملت بنية الشبكة مع الإجهاد الفيزيائي للحرارة بشكل أفضل. فبينما تسخن المواد، فإنها تتمدد ويمكن أن تلتوي أو تنحني، مما قد يضعف السلامة الهيكلية للمركبة. لقد تعرض لوح قرص العسل للالتواء بمقدار 2.34 ملم تحت الحمل الحراري، بينما التوى لوح الشبكة بمقدار 1.94 ملم فقط. يشير هذا الانخفاض بنسبة 17 بالمئة في الانحناء إلى أن تصميم الشبكة ليس مجرد درع حراري أفضل، بل هو أيضاً درع أكثر استقراراً، حيث يقاوم التشوه الناتج عن التغيرات الكبيرة في درجات الحرارة. ووجد الباحثون أن ميزة الشبكة تأتي من شكلها؛ فخلافاً لقرص العسل الذي يتميز بجدران رأسية مستقيمة تسم تسمح للحرارة بالانتقال مباشرة من الأعلى إلى الأسفل، تتكون الشبكة من دعامات مائلة. وتجبر هذه المسارات المائلة الحرارة على اتخاذ طريق أطول وأكثر تعرجاً، مما يبطئ حركتها. بالإضافة إلى ذلك، تسمح الطبيعة المفتوحة للشبكة بمزيد من التبادل الإشعاعي الداخلي، مما يساعد على تبديد الحرارة داخل القلب بدلاً من السماح لها بالمرور مباشرة عبره.

كما حددت الدراسة نطاقات كثافة محددة حيث يعمل تصميم الشبكة هذا بأفضل أداء. وبينما تحجب القلوب الأخف وزناً الحرارة بشكل أفضل لوجود كمية أقل من المعدن الصلب لنقلها، وجد الباحثون أنه إذا كان القلب خفيفاً جداً، يمكن للحرارة أن تنتقل عبر الفجوات الهوائية عن طريق الإشعاع. وقد حددوا أن الكثافة النسبية بين 7 و10 بالمئة توفر توازناً مثالياً لتقليل درجات حرارة الوجه الخلفي في سياق المقايضات بين التوصيل والإشعاع، رغم أن أدنى درجة حرارة للوجه الخلفي بلغت 256 درجة مئوية لوحظت عند كثافة 3%. وعند هذه الكثافات، حافظ قلب الشبكة على ميزته، حيث أبقى الوجه الخلفي أبرد بنحو 20 إلى 30 درجة مئوية من مكافئ قرص العسل. توفر هذه النتيجة إرشادات ملموسة للمهندسين الذين قد يرغبون في الانتقال إلى هذه المواد الجديدة، حيث توضح بالضبط مقدار المادة المطلوبة للحصول على أفضل حماية دون إضافة وزن غير ضروري.

ورغم أن هذه النتائج تستند إلى محاكاة حاسوبية وليس إلى اختبارات نفق رياح فيزيائية، إلا أن اتساق النتائج عبر مختلف ظروف الحرارة والكثافات يقدم حجة قوية لإمكانيات هذه الهياكل. وأشار الباحثون إلى أن تصميم الشبكة يسمح بمستوى من التخصيص مستحيل في التصنيع التقليدي، مثل إنشاء قلوب ذات كثافات متغيرة في طبقات مختلفة لتحسين الأداء بشكل أكبر. ورغم أن الدراسة اقتصرت على الألمنيوم ولم تأخذ في الاعتبار كل المتغيرات الواقعية مثل خشونة السطح أو الترابط غير المثالي، إلا أن البيانات تشير إلى أن قلوب الشبكة المصنعة بالطباعة ثلاثية الأبعاد قد تحل قريباً محل معيار قرص العسل القديم. وبالنسبة للجيل القادم من المركبات الفضائية والطائرات فرط الصوتية، قد يعني هذا الحصول على أنظمة حماية حرارية أخف وزناً، وأكثر برودة، وأكثر موثوقية، مما يحول نمطاً هندسياً معقداً إلى درع حيوي ضد نيران إعادة دخول الغلاف الجوي.