♦️نحوه عملکرد دستگاه Filament‑Wound به طور خلاصه به این شکل است که قرقره یا قرقره های حاوی رشته های رویینگ کربن در قیطانخانه یا همان قفسه های قرقره قرار می‌گیرند. در این بخش الیاف به صورت کنترل شده آزاد می‌شوند و بر روی مسیر غلطک های خود قرار می‌گیرند ، سیستم کشش دستگاه با کششی یکنواخت رشته ها را به سمت حمام رزین اپوکسی هدایت میکند و رشته ها را در آن غوطه ور می‌کند و سپس به سمت دستگاه هدایت کننده یا hed(که در تصویر اصطلاحالا چشم پرداخت نامیده شده) می‌روند که این دستگاه توانایی حرکتی خطی در عرض مندرل(قالب داخلی) دارد و می‌تواند محل و زاویه پیچش رشته ها نسبت به مندرل را تعیین کند. 📌در ویدئوی قرار گرفته می‌توانید عملکرد یک دستگاه Filament‑Wound را در پیچش الیاف رویینگ کربنی به دور یک مندرل از ابتدا تا انتهای عملیات مشاهده کنید. P2 #Filament_Wound #موشکی #Mohammad_Hossein @SHIRDALPOST

♦️بعد از اتمام عملیات پیچش الیاف و رسیدن به تعداد لایه های مورد نظر ؛ برای خشک شدن رزین معمولا پوسته تا چندین ساعت در دمای محیط می‌ماند تا رزین کمی خودش را بگیرد. در مرحله ی بعد با هیتر یا اتاق گرم حرارت ملایمی به پوسته منتقل می‌شود تا رزین کمی خشک تر شود و حباب های ریز بین الیاف در رزین کمتر شوند. در مرحله نهایی پوسته به یک کوره صنعتی و یا اتوکلاو منتقل می‌شود و پخت نهایی صورت می‌گیرد تا رزین کاملا سفت شده و الیاف و رزین به هم قفل می‌شوند. در پخت در کوره فقط حرارت به پوسته منتقل می‌شود ، ولی در روش اتوکلاو پوسته در محفظه فلزی ای قرار می‌گیرد که نه تنها مانند کوره به آن حرارت می‌دهد بلکه در محفظه فشار هوایی هم ایجاد می‌شود که موجب فشار بر سطح پوسته شده و تخلل ها و حباب های ناشی از فرایند Filament‑Wound را تا حد ممکن از بین می‌برد و هم چنین موجب نفوذ بیشتر رزین در بین رشته های کربنی می‌شود و در کل موجب استحکام هرچه بهتر پوسته می‌شود. همین موارد روش اتوکلاو را نسبت به کوره مناسب تر می‌کند. 🔷البته روش دیگری نیز برای پخت نهایی وجود دارد که به جای کوره یا اتوکلاو ؛ نوار های حرارتی به دور پوسته پیچیده می‌شوند و ایجاد حرارت می‌کنند که در تصویر نمونه ای از این نوار هارا می‌توانید مشاهده کنید. بعد از عملیات پخت نیر مندرل نیز از پوسته جدا می‌شود. P3 #Filament_Wound #موشکی #Mohammad_Hossein @SHIRDALPOST

♦️اما مسئله ای که این بوستر ها را برای مهندسان و توسعه دهندگان جذاب می‌کند تنها سبکی الیافCFRPآن نیست بلکه نسبت استحکام پوسته نسبت به جرم پوسته است. در پوسته های فلزی مهندسان برای افزایش استحکام پوسته در تمام فشار های دینامیکی(حلقه ای،محوری،خمشی،طولی و...)به صورت یکپارچه به افزایش حجم پوسته می‌پردازند که نسبت استحکام پوسته نسبت به جرم پوسته به شدت غیر بهینه می‌شود. اما در روشFilament‑Woundباید تا الان متوجه شده باشید که توانایی زاویه پیچش متغییر الیاف وجود دارد ، با پیچش در زاویه های مختلف می‌توان انواع استحکام دینامیکی را به ارمغان آورد و در هر بخشی از پوسته حتی آن را متغییر ساخت! مثلا در نزدیکی نازل که فشار های حلقه ای(Hoop)ناشی از فشار داخلی بوستر بیشتر از بقیه ناحیه هاست می‌توان زاویه پیچش ۹۰درجه تقریبا عمود بر محور بوستر اعمال کرد تا حداکثر استحکام حلقه ای به وجود بیاید. یا در بخش میانی موشک که متحمل فشار های محوری داخلی(ناشی از فشار گاز احتراق سوخت)و فشار های محوری خارجی(رانش موتور و فشارهای ایرودینامیک و بارهای وارده بر بوستر) ، می‌توان الیاف را با زاویه 0 درجه در امتداد طول پوسته بافت تا حداکثر استحکام محوری را نیز دارا بود هرچند که در مهار فشار های دیگر از جمله خمشی نیز موثر هستند. به طور خلاصه نیز زاویه پیچش ۴۵ درجه برای مقاومت و استحکام روبروی فشار های برشی ، پیچشی ، ارتعاشات و در نهایت دلامینیشن(سر خوردن لایه های کامپوزیت روی هم و از هم پاشیدن ساختار پوسته) مناسب ترین گزینه است. P4 #Filament_Wound #موشکی #Mohammad_Hossein @SHIRDALPOST

♦️به طور کلی تصور کنید یک مهندس بتواند نسبت به نیاز خود و به صورت سیال طراحی استحکامی پوسته بوستر را انجام دهد و به جای افزدون حجم بیشتری از فلز برای مهار فشار های دینامیکی مختلف به صورت یکنواخت در پوسته های فلزی ؛ چنین طراحی بهینه ای انجام دهد و نسبت به نیاز خود بهینه ترین محصول را توسعه دهد. مثلا برای یک موشک پدافندی که احتیاج به استحکام زیاد در مقابل فشار های خمشی ، پیچشی و ارتعاشی دارد(بخاطر مانور های زیاد و فشار جی بسیار بالا) توسعه دهندگان به جای یک پوسته فلزی غیر انعطاف پذیر در بحث طراحی ؛ یک پوسته کامپوزیت Filament‑Wound می تواند با یک طراحی کاملا منعطف براساس نیازهای طراحی، نیازهای شدید خود را هم‌زمان با استحکام پوسته بسیار بهینه نسبت به جرم آن داشته باشد. P5 #Filament_Wound #موشکی #Mohammad_Hossein @SHIRDALPOST

♦️برای درک بهینگی استحکام پوسته نسبت به جرم پوسته در بوستر های کامپوزیتی Filament‑Wound و اختلاف آن ها با پوسته های فلزی ؛ چند مثال به خوبی برای شما وضعیت را روشن خواهد کرد. برای مثال بزرگترین بوستر ساخته شده با روشFilament‑Wound در دنیا بوستر P120C هست که در دو موشک ماهواره بر اروپایی (Ariane 6 / Vega‑C) استفاده شده و با جرم کلی بوستر 165 تنی تنها 10 تن جرم پوسته بوستر داره! یعنی حدود ۶ درصد کل جرم بوستر! اما برای مثال بوستر فلزی Ariane 4 SRM با وزن کل 11 تن وزن پوسته 2 تنی دارا بود ! یعنی چیزی بالغ بر ۱۸ درصد از وزن کل که نشان دهنده ی بهینگی فوق العاده و استحکام نسبت به جرم کل پوسته های کامپوزیتی Filament‑Wound هستش. در تمام نمونه های نظامی و غیر نظامی و کوچک و بزرگ با نزدیک ارقامی در همین حدود هستیم ، مثلا در موشک پاتریوت پک 2 ما شاهد پوسته فلزی بودیم که وزن پوسته نسبت به جرم کل 16 درصد هستش! P6 #Filament_Wound #موشکی #Mohammad_Hossein @SHIRDALPOST

♦️با توجه به توضیحاتی که در مورد بهینگی وزنی ای که بوستر های کامپوزیتی Filament‑Wound دارند صحبت کردیم یک توضیح مختصر ، ساده و کوتاه نیز در رابطه با مزایای کاهش وزن خدمت شما عرض خواهیم کرد تا از موضوع اصلی فاصله نگیریم. به طور کلی هرچه که نسبت سوخت به جرم بالاتر باشد ∆v (که در مطلب دیگری در آینده در صورت امکان به آن خواهیم پرداخت) بالا تر می‌رود. 🔷فرض کنید یک راکت زمین به زمین داریم و هرچه نسبت سوخت به جرم بالاتر باشد ∆v نیز بالاتر باشد ؛ راکت ما شتاب اولیه بیشتر ، سرعت بیشتر و در نهایت ارتفاع بیشتری می‌گیرد و به برد بالاتری نیز می‌رسد. برای مثال در نسخه های قدیمی راکت آمریکایی M26 با طول حدودا چهار متری و قطر ۲۲۷ میلی متری ، راکت بردی ۳۱ کیلومتری داشت. اما در راکت آمریکایی M31A1 ساخته شده با پوسته بوستر کامپوزیتی Filament‑Wound و با طول و قطر مشابه و همچنین کاهش وزن ۱۰ درصدی راکت به بردی تا ۷۰ کیلومتر رسیده ، قطعا تمام این بهبود برد به ۱۰ درصد کاهش وزن راکت خلاصه نمی‌شود و دلایلی همچون افزایش چگالی انرژی سوخت و بهبود مسیر پروازی نیز دارد ولی خب اثر گذاری این مورد هم قابل چشم پوشی نیست. 🔷برای مثال در ایران موشک بالستیک فاتح ۳۱۳ با وزن ۳۲۵۰ کیلوگرمی و طولی ۸.۸ متری و قطری ۶۱۰ میلی متری با کلاهکی ۳۸۰ کیلوگرمی به بردی ۵۰۰ کیلومتری رسیده است اما موشک رعد ۵۰۰ با وزن ۱۸۰۰ کیلوگرمی و همچنین طولی زیر ۷ متر و قطری حدودا ۵۰۰ میلی متری و کلاهک ۲۵۰ کیلوگرمی به برد ۵۰۰ کیلومتری رسیده است که البته بهبود ایرودینامیکی ، مسیر پروازی بهینه و افزایش چگالی سوخت موتور هم تاثیر به سزایی در این امر داشته اند اما ساختن پوسته بوستر این موشک به روش Filament‑Wound با کامپوزیت کربن_ اپوکسی و استفاده موتور کامپوزیتی زهیر نیز نقش به سزایی در این بهینگی چشمگیر داشته است ، در قدم اول با کاهش وزن و توضیحاتی که در این باره ارائه شد و در قدم دوم با داشتن استحکام حلقه ای (Hoop) مناسب که امکان افزایش فشار کاری موتور را نیز فراهم کرده. P7 #Filament_Wound #موشکی #Mohammad_Hossein @SHIRDALPOST

♦️اما مزیت های ساخت پوسته های کامپوزیتی با روش Filament‑Wound به تمام موارد ذکر شده محدود نمی‌شود! از مهم ترین و یا شاید مهم ترین دلیل سوق مهندسان به سمت این روش ساخت ضریب انبساط حرارتی پایین و انرژی سطحی متناسب با سوخت و حتی هدایت حرارتی پایین تر آن است. 🔷در بوستر های پوسته فلزی به دلیل ضریب انبساط بالای فلز نسبت به سوخت جامد در هنگام انبساط حرارتی در نقطه اتصال پوسته و سوخت تنش های برشی زیادی به وجود میایند که می‌توانند موجب ایجاد پدیده جدایش سوخت از پوسته(Propellant Debonding) و ایجاد نقاط ضعیف و پایه گذاری ایجاد پدیده ترک در سوخت(Propellant Cracking) شود(در مراحل نگهداری گرفته تا عملیاتی و فعالیت موتور). 🔷همچنین نیز به دلیل انرژی سطحی پایین فلزات نسبت به سوخت و لاینر(لایه ای بین پوسته فلزی و سوخت که وظیفه کنترل بخشی از تنش ها و اتصال سوخت و پوسته را بر عهده دارد) ، اتصال پوسته با لاینر نیازمند استفاده از رزین های قدرتمند خواهد بود و همین مورد می‌تواند یک اثر ضریب کننده در جدایش سوخت از پوسته را داشته باشد و شرایط را حاد تر کند. P8 #Filament_Wound #موشکی #Mohammad_Hossein @SHIRDALPOST