تعرض قمر صناعي صغير من نوع كيوبسات تم إطلاقه مؤخرًا لانهيار هيكلي كارثي بعد دقائق من وصوله إلى المدار. لم يكن السبب اصطدامًا أو اهتزازًا شديدًا، بل ظاهرة مجهرية: انبعاث الغازات من مادة لاصقة تجارية غير معتمدة. كشف التحليل الجنائي ثلاثي الأبعاد أن فقاعات الغاز المحصورة في المادة اللاصقة، والتي تسمى الفجوات الهوائية، تمددت في الفراغ حتى تسببت في كسر الوصلات الكربونية من الداخل.
نمذجة تمدد الفجوات الهوائية باستخدام Siemens NX و Ansys Mechanical 🛰️
استخدم فريق الهندسة برنامج Siemens NX لإعادة بناء هيكل ألياف الكربون والوصلات اللاصقة. تم استيراد بيانات التصوير المقطعي المحوسب عالي الدقة التي تمت معالجتها باستخدام برنامج Volume Graphics، والذي حدد المسامات الدقيقة التي يتراوح حجمها بين 10 و 50 ميكرون في المادة اللاصقة. تم نقل هذه البيانات إلى Ansys Mechanical لمحاكاة سلوك الفجوات الهوائية أثناء الانتقال إلى الفراغ. قام النموذج بربط معادلة حالة الغازات (قانون بويل) بميكانيكا الكسر للمفصل. أظهرت النتائج أن الضغط الداخلي للفجوات الهوائية ارتفع إلى 1.2 ميغاباسكال أثناء تمددها، مما أدى إلى توليد إجهادات محلية تتجاوز المقاومة القصوى لراتنج الإيبوكسي. أدى تأثير الإسفين الهيدروليكي هذا إلى نشر الشقوق على طول الواجهة بين الكربون والمادة اللاصقة، مما أدى إلى تفكك الهيكل في ثوانٍ.
اعتماد المواد كحاجز ضد انبعاث الغازات 🔬
تثبت هذه الحالة أن مكونًا واحدًا غير فضائي يمكنه إبطال عقود من التصميم الهيكلي. المواد اللاصقة المعتمدة للفراغ (مثل تلك من سلسلة EC-2216 أو Hysol EA-9394) تحتوي على محتوى متطاير أقل من 0.1%، مما يلغي عمليًا خطر الفجوات الهوائية. أظهرت المحاكاة المقارنة باستخدام Ansys Mechanical أنه عند استخدام المادة اللاصقة المعتمدة، بقيت الإجهادات المتبقية أقل من 15% من حد الكلال. الدرس واضح: في الفضاء، ما لا يُرى، يقتل بالفعل. تبدأ السلامة الهيكلية من كيمياء المادة اللاصقة.
ما هي تقنيات المحاكاة العددية التي تسمح بالتنبؤ بدقة أكبر بنشوء وانتشار الفجوات الهوائية في سبائك الألومنيوم تحت ظروف الفراغ والحمل الدوري، لمنع الأعطال الكارثية في الهياكل الفضائية مثل هياكل كيوبسات؟
(ملاحظة: كلال المواد يشبه كلالك بعد 10 ساعات من المحاكاة.)