التقدم في تكنولوجيا خزان الوقود ذاتي الختم

تاريخ النشر: 2 نوفمبر 2019 | بقلم: كايل بيتس​

غالبًا ما أطلق طيارو الحرب العالمية الأولى على الطائرات التي يشغلونها اسم "التوابيت الطائرة" (كما هو موضح في الشكل 1). كان اللقب القاتم انعكاسًا لتكنولوجيا الطائرات التي لم يتم اختبارها سابقًا في القتال وبالكاد عمرها عقد من الزمان. ومع ذلك ، بحلول الحرب العالمية الثانية ، أصبحت تكنولوجيا الطائرات أكثر تقدمًا من جميع النواحي تقريبًا. تجنب الجيل الجديد نيران العدو من خلال الطيران أعلى وأسرع ، كما نجا من الأضرار القتالية بشكل أكثر فعالية. تكثر القصص عن عودة طياري الحرب العالمية الثانية بطائرات مثقوبة تمامًا بنيران العدو لدرجة أنه كان لا بد من إلغائها بعد الهبوط بأمان. أحد المكونات المهمة التي كانت مسؤولة إلى حد كبير عن هذه القفزة في القدرة على البقاء (وهذا أمر شائع جدًا في الطائرات اليوم لدرجة أنه غالبًا ما يتم اعتباره أمرًا مفروغًا منه) هو خزان الوقود ذاتي الإغلاق [1].

على الرغم من أن أقدم التكرارات لاحتواء الوقود ذاتي الختم يعود إلى الحرب العالمية الأولى ، إلا أنه لم يتم إنشاء تصميم الختم الذاتي الفعال والموثوق به إلا بعد أن بدأت الجهود المتضافرة في أواخر الثلاثينيات. ولا يزال من الممكن رؤية بعض التصاميم التي نتجت عن هذا الجهد في خزانات الوقود للطائرات العسكرية اليوم. العناصر الأساسية ، بما في ذلك آلية الختم الذاتي ، لم تتغير إلى حد كبير. ومع ذلك ، خلال العقد الماضي ، خلال الحربين في أفغانستان والعراق ، كان هناك جهد متجدد لتحسين تكنولوجيا احتواء الوقود ذاتية الغلق. تستعرض هذه المقالة تقنية احتواء الوقود ذاتية الغلق منذ بدايتها من خلال أمثلة مختارة من التصميمات المتقدمة الحديثة.​

تم تمكين بداية تقنية الختم الذاتي الفعالة من خلال التقدم في معالجة المواد المطاطية. تزامنت هذه الابتكارات مع زيادة الطلب على المواد المطاطية في التطبيقات التجارية والعسكرية التي أدت إلى الحرب العالمية الثانية. في عام 1940 ، بدأت قاعدة إثبات البحرية الأمريكية في دالغرين ، فيرجينيا ، باختبار تصميمات خزان الوقود التي قدمتها كل من أكبر أربعة مصانع للمطاط في ذلك الوقت: شركة فايرستون للإطارات والمطاط ، وشركة بي إف جودريتش ، وشركة جوديير للإطارات والمطاط ، وشركة المطاط الأمريكية شركة [1]. خصصت كل من هذه الشركات والعديد من الشركات الأصغر موارد كبيرة للبحث والتطوير لتقنية احتواء الوقود ذاتية الختم (انظر الشكل 2). لذلك ليس من المستغرب أن شركتين من الشركات التي تنتج حاليا العديد من خزانات الوقود للطائرات العسكرية الحديثة ،

تقنية الختم الذاتي التي تم تطويرها من خلال هذا الجهد والتي استمرت خلال حروب متعددة - وعلى الرغم من التغييرات الدراماتيكية في الطائرات المستخدمة - بسيطة بشكل أنيق. يتكون التصميم الأساسي من طبقة من المطاط الناعم "مانع التسرب" الذي يتضخم في وجود الوقود ويتم وضعه بين طبقتين من البوليمر غير منفذة وغير قابلة للذوبان في الوقود. عندما تخترق الرصاصة التركيب المركب ويبدأ الوقود في التسرب من خلاله ، تنتفخ الطبقة المانعة للتسرب في الفتحة وتوقف التدفق.
هذا التركيب والتصميم البسيط ، غير المكلف ، وخفيف الوزن ، ويمكن إنتاجه بسهولة بأحجام كبيرة ، يواجه الديناميكيات البالستية المعقدة بشكل خادع لرصاصة تثقب خزان الوقود. عندما تخترق الرصاصة ذات الاتجاه الطبيعي خزان الوقود ، فإنها تترك ثقبًا صغيرًا متبقيًا أقل من قطر القذيفة. لكن هذه الفتحة الصغيرة هي مجرد بداية التحدي. الرصاصة ، التي تتحرك بسرعة 3000 قدم / ثانية ، تبدأ في تفريغ طاقتها الحركية الهائلة على الوقود بالداخل. يولد هذا التفريغ موجة عالية السرعة من الضغط في الوقود تنعكس مرة أخرى على الجدار بالمللي ثانية بعد أن تمزق الرصاصة. موجة الضغط هذه ، المعروفة باسم الكبش الهيدروديناميكي ، تطلق نفاثة وقود عائدة عبر جرح المدخل. الرصاصة ، لا تزال تتحرك بسرعة عالية ، وتتبعها الآن نفس موجة الضغط ، يبدأ في التعثر أثناء انتقاله عبر الوقود. عندما تصل إلى الجدار الخلفي للخزان ، تنفجر الرصاصة بشكل جانبي من خلال المادة وتترك جرحًا ممدودًا غالبًا ما يتمزق أكثر بفعل الأثر اللاحق للكبش الهيدروديناميكي.
النماذج الأولية لخزان الوقود التي اختبرها مهندسو البحرية كانت تثبط الفشل. لم يتوقع المهندسون الديناميكيات الصعبة ، وغالبًا ما تم تفجير الجدران الخلفية لخزانات النموذج الأولي بالكامل بواسطة موجة الضغط الهيدروديناميكي. ومع ذلك ، سلطت اختبارات التطوير المبكرة هذه بعض الضوء على الآليات التي أسقطت العديد من الطيارين والطائرات خلال الحرب العالمية الأولى. استمر مهندسو البحرية والمطاط في إنشاء ميزات تصميم وعمليات تصنيع فعالة بشكل ملحوظ والتي أنقذت في النهاية أرواحًا لا توصف ليس فقط في الحرب العالمية الثانية ولكن في كل من النزاعات المسلحة منذ ذلك الحين.​

على مر السنين ، قام المصنعون بإجراء تحسينات تدريجية على عمليات التصنيع والمواد المستخدمة في خزانات الوقود ذاتية الختم. في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي ، أثناء نزاع جنوب شرق آسيا ، تم تنفيذ تدابير جديدة للبقاء على قيد الحياة لتقليل احتمالية نشوب حريق نتيجة تأثير باليستي أو اصطدام السيارة. حدد فريق تحقيق تابع للقوات الجوية أن السبب الوحيد الأكثر أهمية لخسائر الطائرات هو حريق أو انفجار نظام الوقود. أدى هذا الاكتشاف إلى تغييرات رئيسية في تصميم خزان وقود الطائرات [3].
تناول التغيير الأول بخار الوقود المتطاير الموجود في فضاء ullage داخل خزانات الوقود. يمكن أن يشتعل البخار بواسطة جولات حارقة أو شرر ناتج عن اصطدام المكونات المعدنية. يمكن أن يؤدي احتراق بخار الوقود إلى أضرار هيكلية كارثية حيث يتوسع بخار الاحتراق بسرعة. قرر المهندسون أن خطر احتراق بخار الوقود قد تم تقليله بشكل فعال عن طريق ملء خزانات الوقود برغوة البولي يوريثان الشبكية منخفضة الكثافة. تعزز مادة الرغوة تكثيف بخار الوقود وتعطل انتشار الاحتراق داخل الخزان.
قام المهندسون أيضًا بتحسين نقاط الضعف بشكل كبير من خلال وضع معايير لجعل خزانات الوقود "صالحة للانهيار" - مما يعني أن خزان الوقود يمكنه تحمل قوة التأثير المرتبط بانهيار بسيط يبلغ 65 قدمًا. وتمكن مصنعو خزانات الوقود من تلبية المعايير من خلال تحسين عمليات التصنيع الخاصة بهم ودمج طبقات من تقوية الألياف المنسوجة داخل التركيبات المركبة لجدار خزان الوقود. ابتكر الدكتور هاري روبرتسون تصميم نظام وقود Crashworthy ومتطلباته الإرشادية وتم توثيقها في المواصفات العسكرية MIL-DTL-27422 ، والتي لا تزال حتى اليوم الوثيقة الإرشادية لمتطلبات خزان الوقود المقاوم للاصطدام والمتحمل الباليستية وبروتوكولات اختبار التحقق [ 4].​

حدثت موجة جديدة من ابتكارات تصميم خزان الوقود خلال العقدين الماضيين استجابة لعدد من العوامل. أبرزت الحروب في العراق وأفغانستان ضعف أنظمة الوقود في بعض المركبات الأرضية. استجابة لذلك ، تتطلب المركبات الأرضية بشكل متزايد خزانات وقود ذاتية الغلق ومقاومة للانفجار لتحسين القدرة على البقاء. كما أن مبادرات وزارة الدفاع (DoD) لاستخدام المزيد من الوقود الاصطناعي والمتجدد تدفع الابتكارات بعيدًا عن نهج الختم الذاتي التقليدي. لسوء الحظ ، يمكن لهذه التغييرات في كيمياء الوقود أن تقلل من فعالية المواد المانعة للتسرب التقليدية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الرغبة المستمرة في تقليل وزن نظام الطائرات قد دفعت خزانات الوقود الحالية ذاتية الغلق إلى حدودها المادية.
عندما تم إنشاء أول خزانات وقود ذاتية الختم ، استخدموا المواد الأكثر تقدمًا المتوفرة في ذلك الوقت. لقد تغير الكثير منذ عام 1939 في طريق علم المواد ، لا سيما في عالم البوليمرات. طورت High Impact Technologies LLC (HIT) تصميمًا يعيد تصور نهج الختم الذاتي الكلاسيكي باستخدام المواد الحديثة لتحقيق وظيفة الختم الذاتي المماثلة. تتكون التقنية ، المسماة BattleJacket® (الموضحة في الشكل 3) ، من طبقات من المطاط الصناعي المصنوع من البولي يوريثين المخصص والذي يحوي طبقة وسطى تحتوي على حبيبات صغيرة تشرب الوقود. تنتفخ الحبيبات بسهولة لأنها تمتص الوقود المتسرب وتتوسع لإغلاق الثقوب الباليستية. تشبه وظيفة الختم الذاتي تلك التي يوفرها مانع التسرب المطاطي الناعم في خزانات الوقود التقليدية ذاتية الختم. الميزة المميزة لتصميم HIT هي أن النظام يتم تطبيقه عن طريق الطلاء بالرش. تتيح عملية الإنتاج الفريدة هذه التطبيق على السطح الخارجي لخزانات الوقود الموجودة. تم نشر النظام بنجاح في مسرح العمليات على شاحنات نقل الوقود والمركبات المحمية من الكمائن المقاومة للألغام (MRAP).

نهج آخر (في انتظار براءة الاختراع) ، تم تطويره مؤخرًا من قبل شركة SURVICE الهندسية ، يتخلى عن المبدأ التقليدي الذي يعتمد على الانتفاخ من امتصاص الوقود. آلية الختم قائمة بذاتها وتعمل بشكل مستقل عن التعرض للوقود أو الهواء.
كما هو موضح في الشكل 4 ، يتم احتواء اثنين من المتفاعلات السائلة بشكل منفصل في خلايا منفصلة مدمجة داخل جدار خزان الوقود. عندما يكسر التأثير الباليستي الخلايا ، تتدفق المواد المتفاعلة معًا وتبدأ في البلمرة بسرعة. يشكل التفاعل مادة رغوية صلبة تتمدد في غضون ثوانٍ لإغلاق المنطقة التالفة. نظرًا لأن الآلية تعمل بشكل مستقل عن نوع الوقود المحتوي ، فهي فعالة للاستخدام مع أنواع الوقود غير التقليدية التي يمكن أن تقوض قدرات الختم الذاتي لأنظمة الختم الذاتي التقليدية. أكدت اختبارات التصادم الباليستية والاصطدامات الأخيرة لعينات النماذج الأولية المصممة وفقًا لمعايير MIL-DTL-27422 الجدوى الفنية ولكنها أشارت أيضًا إلى الحاجة إلى التطوير المستمر. أظهرت عينات الاختبار القدرة على سد التهديدات ذات العيار الصغير والمتوسط الموجهة بشكل طبيعي والتي تواجهها الطائرات عادةً ، ولكن التكرار لم يتحقق بالكامل بعد. يرعى مكتب برنامج بقاء الطائرات المشترك (JASPO) التطوير المستمر للتكنولوجيا الواعدة.

كانت خزانات الوقود ذاتية الغلق التي تم تطويرها قبل الحرب العالمية الثانية علامة بارزة في بقاء الطيران. لقد استمرت تقنيتهم البسيطة والموثوقة لأكثر من 60 عامًا ، حتى عندما تغيرت الطائرات التي تستخدمها بشكل جذري. لكن نهج الختم الذاتي القديم يُنظر إليه بشكل متزايد على أنه تقنية قديمة جاهزة للابتكار. سيحتاج الجيل التالي من خزانات الوقود ذاتية الغلق إلى الجمع بين الموثوقية الثابتة للتصميمات الأصلية مع تزويد المقاتلين بقدرة كبيرة على البقاء على قيد الحياة في المركبات الجوية والأرضية بالإضافة إلى مديري المشاريع (الذين يجب عليهم الآن حساب كل جزء من أونصة). تخفيض الوزن.​