Uzay Araçlarında Kullanılan Kompozit Malzemeler

14.07.2020

Malzeme bilimi, her endüstri alanı için büyük bir öneme sahiptir. En çok malzeme araştırması ve yatırımı yapılan alanlarından biri de uzay ve havacılık endüstrisidir. Hava araçları üstüne etkiyen yer çekimi kuvvetine (ağırlığa) yine kendi üstünde bulunan taşıma elemanları (uçaklarda kanat, uzay araçlarında roket motoru) ile karşı koymak durumundadır. Bir hava aracının ağırlığı dört bölümden oluşur: Yapısal ağırlık, faydalı yük ağırlığı (ticari uçaklarda yolcu/kargo, askeri uçaklarda mühimmat), motor ağırlığı ve yakıt ağırlığı. Havacılıkta kullanılan kompozit malzemeler ise sağlamlık/hafiflik ekseninde en iyi sonuçları veren malzemeler olarak ön plandadır. Birbirinden farklı fiziksel özelliklere sahip iki veya daha fazla malzemenin belirli yöntemlerle birleştirilmesiyle üretilen ve bu malzemelerden daha gelişmiş özelliklere sahip olan yeni malzeme “kompozit malzeme” olarak tanımlanır. Kompozit malzemeler genelde iki farklı katmandan oluşur; taşıyıcı görev üstlenen takviye malzemesi (reinforcement), ve bu malzemeyi bir arada tutup destekleyen matris. Hava-uzay yapılarında kullanılan kompozitlerin pek çok avantajları ve dezavantajları vardır.

Avantajları:

• Geleneksel malzemelere göre çok hafiflerdir, • Yorulma dayanımı yüksektir (Fatigue Resistance), • Yanma direnci yüksektir, • Korozyon dayanımı yüksektir, •Karmaşık şekillerde üretilebilirler, •Büyük parçalar halinde üretilebilirler.

Dezavantajları:

• Geleneksel malzemelerden daha pahalıdırlar, • Dayanım özellikleri her yönde eşit değildir, • Takviye malzemesinin yerleştirilme yönlerine bağlıdır, • Bazı durumlarda bakımı daha zordur, • Malzemenin kalitesi üretimin kalitesine bağlıdır, • Standart bir kalite yoktur.

Uzay ve Havacılıkta Kullanılan Başlıca Kompozit Türleri

1- CFRP (Carbon-fibre Reinforced Polymer) CFRP, yaygın kullanılan kompozitlerdendir. Polimer matris fazının içinde karbon-fiber takviye malzemesi yer alır. CFRP uzay araçlarında en çok kullanılan kompozitlerden biridir. Sağlamlık/ağırlık oranı ve geniş bir sıcaklık aralığında termal dengesini koruması özelliği önemlidir. Uzay araçlarında kaplamalarda, kumandalı taşıyıcı kollarda, anten reflektörlerinde, güneş paneli teçhizatında, optik platformlarda kullanır. Ayrıca son zamanlarda uzay aracının ana yapı elemanlarında da kullanılıyor. Bu uygulamaların ilki uzay araçlarıdır. Birleşik Devletler uzay mekiğinin ekipmanları bulundurduğu bölmenin kapağı ve uzaktan iletim kolunda grafit epoksi kompozit, katı roket motor bölümünde epoksi matris kompozit, itici kuyrukta ve kanatlarda polyamid matris kompozit kullanılmaktadır. Uydu yapıları ve güneş panellerinde de karbon fiber polimer matris kompozitler kullanılmaktadır. Bir çok uzay uygulamalarında havacılık tipi karbon fiberler (çekme mukavemeti 3550 MPa, çekme modülü 235 GPa) 177 C’de karşılıklı bağlanan çok fonksiyonlu epoksi matris ile birlikte kullanılmaktadır. Karbon fiberler, yüksek özgül dayanımları, burulma ve yükleme hasarına ve korozyona direnci nedeniyle birçok avantaja sahiptir. 2- GFRP (Glass-fibre Reinforced Polymer) CFRP gibi yaygın bir kompozit malzeme türüdür. Polimer matris fazının içinde cam-fiber takviye malzemesi yer alır. CFRP ile birlikte yolcu uçaklarında kanatlarda, kanat gövde birleşim yerlerinde ve anten kapağında kullanılır. Endüstride ilk olarak füzelerin anten kapaklarında kullanılmıştır. Uzay araçlarında bazı anten reflektörlerinde ve ısıl yalıtımın önemli olduğu yerlerde kullanılır. 3- Elastik Hafızalı Kompozit Belirli koşullarda bükülebilir/katlanabilir, uygun koşullar sağlandığında ise tekrar eski şeklini alabilir. Örneğin hava sıcakken bükülebilir ve hava soğuduğu zaman tekrar eski halini alabilir. Özellikle uzay araçlarında kısıtlı alanlara daha verimli paketleme yapılmasını sağlar. Bir örneği Uluslararası Uzay İstasyonu’nda bulunuyor. Katlanabilir bir güneş paneli, elastik hafızalı kompozit sayesinde açılır ve kurulur. Bu teknoloji, fırlatmada ve kurulumda oldukça fazla yer tasarrufu sağlamıştır.

4- Bal Peteği Kompozitler

Bal peteği sandviç yapısı kompozit endüstrisinin en değerli yapısal mühendislik buluşlarından biridir. Havacılık ve diğer endüstri dallarında yoğunlukla kullanılmakta olup, diğer malzemelere göre çok düşük ağırlık, dayanım ve üretim maliyetlerinin azaltılması yönlerinde üstünlük ve avantaj sağlar. Matris Malzemeleri Matris, kompozit malzemenin iki önemli bileşeninden ana bileşeni meydana gelir. Kompozit malzemeye katkılar sağlar: • Kuvvetleri elyafa (liflere) iletmek ve düzgün dağılımını sağlamak, • Lifleri ortamın etkisi ve darbelerden korumak, • Kompozit malzemenin tokluğunu artırmak, • Kompozitlerde çatlak oluşmasını veya oluşan çatlağın ilerlemesini engellemek. 1. Plastik Matris Malzemeleri (Polimerler) •Termosetler, • Termoplastikler, •Elastomerler.

2. Metal Matris Malzemeleri (Alüminyum, titanyum, magnezyum, gibi)

3- Yüksek Sıcaklık Matrisleri (Seramikler) Polimer Matrisli Kompozitlerin Yapı Bileşenleri Kullanılan Matrisler •Termosetler •Temoplastikler Kullanılan Fiberler • Cam Fiberler • Karbon Fiberler • Aramid Fiberler

Günümüzdeki Gelişmeler

Bilim ve Teknoloji Stratejileri Projesi kapsamında birçok panel gerçekleştirilmiş olup bunlardan bir tanesi de Savunma, Havacılık ve Uzay Sanayisi Paneli’dir (SHUP). 2004 yılında ise Bilim ve Teknoloji Yüksek Kurulu’na (BTYK) sunulan bütün bu panel raporları çerçevesinde “Ulusal Bilim ve Teknoloji Politikaları 2003–2023 Strateji Belgesi” taslağı oluşturulmuş ve ülkemizin teknoloji politikaları, vizyonları ve hedefleri netleştirilmiştir. SHUP’de hedeflere ulaşmak üzere kritik teknolojiler ve bunlara ait alt teknoloji alanları belirlenmiştir. Kompozit malzemeler 1903 yılında Wright kardeşlerin gerçekleştirdikleri ilk başarılı uçma deneyinden sonra havacılık sektörünün vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir (Soutis, 2005). Starke ve Staley (1996) ilk uçaklarda mukavemet/ağırlık oranının (özgül mukavemet) malzeme seçiminde en önemli kriter olduğunu, bu sebeple kompozit malzemelerin kullanıldığı ifade etmiştir. Ancak zaman içinde değişen ihtiyaçlar kompozit malzemelerin ilave bir takım özelliklere sahip olması gerektiğini ortaya çıkartmıştır. Örneğin 1990’larda uzun süredir envanterde bulunan ve yaşlanmaya başlayan uçak filolarını da göz önüne alarak tasarımcılar kompozit malzemelerde iyileştirilmiş hasar toleransını ve korozyon direncini de dikkate almaya başlamışlardır (Starke ve Staley,1996). Dünya çapında kompozit malzeme içeren uçaklardan bazıları şunlardır: F–14, F–15, F-16, F/A–18, AV–8B, Eurofighter (EFA), Advanced Jet Fighter (AJF), Joint Strike Fighter (JSF–F35), F–117 Black Hawk, Beech Aircraft Starhip, Pasific Theater B29, APACHE, B–2 Bomber. Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (National Aeronautics and Space Administration

[NASA], 1987) kompozit malzeme imalat maliyetinin yüksek olmasına rağmen, daha az işçilik saati gerektirmesinden dolayı toplam maliyetin daha düşük olduğunu ortaya koymuştur. NASA ağırlığın azaltılması için bazı kavramlar da geliştirmiştir. Daha hafif malzemeler için otoklav olmayan (non-autoclave[NONA]) birincil kompozit yapılar kavramı ortaya konulmuştur (Piascik vd., 2012). NASA (Piascik vd., 2012; NASA, 2015) teknoloji yol haritaları raporlarında ayrıca hafif yapılar için kompozit malzemelerle ilgili şu teknolojilere yer vermiştir: •Otoklavsız kompozitler (out-of-acutoclave [OOA] composites), • Hibrit lamineler (hybrid laminates), • Terziliği yapılabilir malzemeler (tailorable materials), • İleri itki malzemeleri (advanced propulsion materials, örneğin CMC vb.), • Çok fonksiyonlu yapılar (multifunctional structures), • Kendi kendini iyileştirebilen malzemeler (selfhealing materials).