شرکت بوم سوپرسونیک (Boom Supersonic)، فعال در حوزه توسعه هواپیماهای مافوق صوت، از پیشرفت سه پروژه مهم در مسیر توسعه و تولید توربین‌های پیشرفته خود خبر داده است. این دستاوردها شامل تکمیل نخستین نمونه اولیه هسته توربین، راه‌اندازی ابرکارخانه تولید توربین با ظرفیت سالانه ۲ گیگاوات و توسعه یک مجموعه ریخته‌گری دیجیتال برای ساخت پره‌ها و تیغه‌های توربین تک‌کریستالی است.

این سه پروژه بخشی از راهبرد این شرکت برای توسعه هم‌زمان فناوری‌های پیشرانش مافوق صوت و توربین‌های گازی تولید برق محسوب می‌شوند. رویکرد بوم سوپرسونیک بر توسعه فناوری‌های اصلی، کاهش وابستگی به زنجیره تأمین سنتی صنعت هوافضا و ایجاد ظرفیت تولید یکپارچه قطعات پیچیده توربین استوار است.

۱. تکمیل نخستین هسته توربین سوپرپاور

یکی از مهم‌ترین دستاوردهای اعلام‌شده توسط بوم سوپرسونیک، تکمیل نخستین نمونه اولیه مونتاژشده هسته توربین با نام هسته‌ی اسپرینت (Sprint Core) است. این پروژه در ابتدا به‌عنوان یک طرح توسعه‌ای آغاز شد و در کمتر از یک سال به مرحله ساخت نمونه اولیه کامل رسید.

نکته قابل توجه این است که هسته توربین اسپرینت به‌صورت مشترک در توسعه دو محصول اصلی شرکت مورد استفاده قرار خواهد گرفت: موتور فراصوت سمفونی (Symphony) و توربین گازی ۴۲ مگاواتی سوپرپاور (Superpower).

این هسته شامل سه بخش اصلی از مجموعه توربوماشین است:

• کمپرسور فشاربالای شش‌مرحله‌ای: مجهز به دیسک‌های یکپارچه پره‌دار (Blisk) که از فولاد زنگ‌نزن با گرید بالا و سوپرآلیاژهای پایه نیکل ساخته شده‌اند. در این ساختار، دیسک و پره‌ها به‌صورت یکپارچه ماشین‌کاری می‌شوند.
• محفظه احتراق پیشرفته: مجهز به ۲۴ نازل با هدف دستیابی به راندمان بالا و کاهش آلایندگی.
• توربین فشاربالای تک‌مرحله‌ای: مجهز به پره‌های سوپرآلیاژی با ساختار توخالی.

وزن کل این هسته توربین حدود ۱۴ هزار پوند، معادل تقریبی ۶۳۵۰ کیلوگرم، اعلام شده است. این وزن حدود ۲۰۰۰ پوند بیشتر از وزن کل هواپیمای مافوق صوت XB-1 شرکت Boom است.

در این رابطه: رونمایی از هواپیمای مسافربری مافوق صوت XB-۱ (+تصاویر)

نقش تست و اندازه‌گیری در توسعه هسته توربین

بر اساس توضیحات مدیرعامل بوم سوپرسونیک، هدف اصلی از ساخت نمونه هسته‌ی اسپرینت، جمع‌آوری داده‌های عملکردی و کسب دانش فنی برای توسعه نسخه نهایی و تولیدی موتور است. از این منظر، این نمونه را می‌توان نخستین نسخه اولیه طراحی هسته موتور تولیدی دانست که با هدف ارزیابی عملکرد و بهینه‌سازی طراحی ساخته شده است.

برای تحقق این هدف، نزدیک به ۱۰۰۰ حسگر در بخش‌های مختلف موتور نصب شده‌اند. این حسگرها پارامترهایی نظیر دما، فشار، کرنش، زمان‌بندی و ارتعاشات را در نقاط مختلف موتور اندازه‌گیری می‌کنند. برخی از سیگنال‌ها نیز با نرخ نمونه‌برداری چند میلیون نمونه در ثانیه ثبت می‌شوند.

با احتساب حسگرهای مربوط به سامانه‌های پشتیبان و جانبی، از جمله سیستم روان‌کاری و سوخت‌رسانی، تعداد کل حسگرهای بلادرنگ این مجموعه به حدود ۲۰۰۰ عدد می‌رسد.

داده‌های حاصل از این اندازه‌گیری‌ها قرار است برای کالیبراسیون و توسعه ابزارهای مهندسی و بهینه‌سازی طراحی نسخه تولیدی توربین سوپرپاور مورد استفاده قرار گیرند.

طبق اعلام شرکت، نخستین نمونه توربین پس از خروج از کارخانه تحقیق و توسعه، به سلول تست اختصاصی بوم سوپرسونیک در مرکز هوافضای کلرادو (Colorado Air and Space Port) منتقل می‌شود. این شرکت زمان مورد انتظار برای آماده‌به‌کار شدن مجموعه تست را تا روز شکرگزاری سال ۲۰۲۶ اعلام کرده است.

بخوانید: ۶ استارتاپ هوافضایی نوآورانه و موفق سال ۲۰۱۹ که باید آن​ها را بشناسیم

۲. احداث ابرکارخانه تولید توربین با ظرفیت ۲ گیگاوات در سال

یکی از چالش‌هایی که شرکت بوم سوپرسونیک در جریان توسعه هسته اسپرینت با آن مواجه شده، محدودیت‌های زنجیره تأمین سنتی صنعت هوافضا بوده است. به گفته مدیرعامل شرکت، سرعت تأمین قطعات و اجزای موردنیاز از طریق تأمین‌کنندگان سنتی با سرعت توسعه پروژه‌های این شرکت همخوانی نداشته است.

در پاسخ به این چالش، بوم سوپرسونیک تصمیم گرفته است بخش قابل توجهی از قطعات اصلی توربین را به‌صورت داخلی طراحی و تولید کند. در نمونه هسته اسپرینت (Sprint Core) نیز تعدادی از قطعات کلیدی، از جمله پره‌های کمپرسور، پره‌های توربین فشاربالا، شفت مرکزی انتقال قدرت و پوسته‌ها و فریم‌های توربین توسط خود شرکت ساخته شده‌اند.

این رویکرد در قالب احداث ابرکارخانه سوپرپاور در جنوب دنور آمریکا دنبال شده است.

بخوانید: آیا سرانجام زمان مسافرت‌های هوایی مافوق صوت فرا رسیده است؟

تولید یکپارچه بخش عمده قطعات توربین

ابرکارخانه Superpower با هدف ایجاد یک زنجیره تولید یکپارچه، از مرحله مواد اولیه تا ساخت قطعات نهایی توربین طراحی شده است. در این مجموعه، قطعاتی نظیر دیسک‌های یکپارچه پره‌دار (Blisk)، پره‌ها، تیغه‌ها، شفت‌ها و پوسته‌های توربین تولید خواهند شد.

بر اساس اعلام Boom، قطعاتی که در این کارخانه تولید می‌شوند، از نظر وزنی حدود ۸۵ درصد محصول نهایی را تشکیل خواهند داد. چنین سطحی از یکپارچگی عمودی (Vertical Integration) می‌تواند وابستگی تولیدکننده به تأمین‌کنندگان خارجی را کاهش داده و کنترل بیشتری بر کیفیت، زمان‌بندی تولید و فرآیندهای ساخت فراهم کند.

مشخصات اعلام‌شده برای این کارخانه عبارت‌اند از:

• مساحت نزدیک به ۲۰۰ هزار فوت مربع، معادل حدود ۱۸۵۸۰ مترمربع؛
• بیش از ۷۵ دستگاه ماشین‌ابزار CNC و تجهیزات اندازه‌گیری مختصات CMM در ابعاد بزرگ و با فناوری پیشرفته؛
• شبکه‌ای از جرثقیل‌های سقفی با ظرفیت چندین تن؛
• ظرفیت اشتغال تا ۵۰۰ نفر شامل ماشین‌کاران، تکنسین‌ها و مهندسان ساخت و تولید.

یکی از ویژگی‌های مهم این مجموعه، استقرار تیم‌های طراحی، مهندسی و ساخت در یک محیط مشترک است. این ساختار امکان همکاری مستقیم میان مهندسان طراحی و متخصصان تولید را فراهم می‌کند و می‌تواند چرخه اصلاح طراحی، نمونه‌سازی و تولید قطعات را کوتاه‌تر کند.

بر اساس اظهارات مدیرعامل بوم سوپرسونیک، این کارخانه پیش از تکمیل کامل عملیات ساختمانی، فعالیت خود را آغاز کرده و تولید نخستین قطعات نیز در آن شروع شده است. پس از بهره‌برداری کامل، ظرفیت تولید سالانه این مجموعه به ۲ گیگاوات توربین ماژولار پیشرفته خواهد رسید.

بلیک شول (Blake Scholl)، بنیان‌گذار و مدیرعامل بوم سوپرسونیک (Boom Supersonic)

البته شرکت بوم سوپرسونیک احداث این کارخانه را تنها گام نخست برنامه توسعه ظرفیت تولید خود می‌داند و معتقد است برای پاسخ‌گویی به نیاز آینده آمریکا و جهان، ظرفیت تولید انرژی باید به میزان قابل توجهی افزایش یابد. به همین دلیل، احداث کارخانه‌های مشابه در نقاط مختلف آمریکا نیز در برنامه‌های آتی این شرکت قرار دارد.

۳. توسعه ریخته‌گری دیجیتال برای تولید پره‌های تک‌کریستالی توربین

سومین دستاورد اعلام‌شده توسط بوم سوپرسونیک، توسعه یک مجموعه ریخته‌گری دیجیتال برای تولید پره‌ها و تیغه‌های توربین تک‌کریستالی است؛ فناوری‌ای که از پیچیده‌ترین حوزه‌های ساخت قطعات توربین‌های گازی پیشرفته محسوب می‌شود.

شرایط کاری قطعات توربین فشاربالا از نظر دما، سرعت دوران و تنش‌های مکانیکی بسیار دشوار است. به‌عنوان نمونه، روتور توربین فشاربالای مورد اشاره در این پروژه با سرعت حدود ۱۰ هزار دور در دقیقه فعالیت می‌کند و دمای کاری آن به نزدیک ۳۰۰۰ درجه فارنهایت، معادل ۱۶۵۰ درجه سانتی‌گراد، می‌رسد.

این شرایط در مقایسه با توربین‌های جت زیرصوت که معمولاً فقط برای مدت کوتاهی در زمان برخاست هواپیما با حداکثر توان کار می‌کنند، دشوارتر است؛ زیرا توربین‌های مافوق صوت و توربین‌های زمینی تولید برق باید قابلیت عملکرد پیوسته در دماهای بالا و توان کامل را داشته باشند.

دستیابی به چنین عملکردی مستلزم استفاده از مواد پیشرفته و فناوری‌های پیچیده ساخت است. از جمله این فناوری‌ها می‌توان به فورج سوپرآلیاژهای ویژه برای دیسک‌های روتور و ریخته‌گری پره‌های توخالی تک‌کریستالی (Single Crystal) اشاره کرد.

اهمیت فناوری تک‌کریستالی در ساخت پره‌های توربین

در ساختارهای تک‌کریستالی، قطعه به‌گونه‌ای تولید می‌شود که ساختار بلوری آن فاقد مرزدانه‌های متداول میان کریستال‌های مجزا باشد. حذف این مرزدانه‌ها نقش مهمی در بهبود مقاومت خزشی و عملکرد مکانیکی قطعه در دماهای بالا دارد.

برای دستیابی به چنین ساختاری، فرآیند ریخته‌گری باید با کنترل بسیار دقیق شرایط انجماد و تشکیل ساختار بلوری انجام شود. این موضوع به‌ویژه در تولید پره‌های توخالی توربین که علاوه بر مقاومت مکانیکی، به کانال‌های داخلی خنک‌کاری نیز نیاز دارند، پیچیدگی بیشتری پیدا می‌کند.

بر اساس توضیحات مدیرعامل سوپر سونیک، تولید چنین قطعاتی در روش‌های متداول مستلزم سال‌ها توسعه فناوری، ساخت ابزارها و قالب‌های تخصصی و انجام چرخه‌های متعدد اصلاح و بهینه‌سازی است. به همین دلیل، توسعه هر قطعه جدید می‌تواند فرآیندی طولانی و چندساله باشد.

حرکت به سمت فرآیند ساخت تمام‌دیجیتال و بدون قالب

شرکت سوپرسونیک اعلام کرده است که قصد دارد در ابرکارخانه سوپرپاور، یک مجموعه ریخته‌گری تمام‌دیجیتال برای تولید قطعات تک‌کریستالی ایجاد کند.

هدف این پروژه، توسعه فرآیندی است که امکان تولید پره‌ها و تیغه‌های پیشرفته توربین را بدون نیاز به ابزارها و قالب‌های فیزیکی متداول فراهم کند.

اهمیت این رویکرد در کاهش زمان توسعه و افزایش انعطاف‌پذیری فرآیند تولید است. برای درک بهتر این موضوع، مدیرعامل یوم سوپرسونیک مثالی مطرح می‌کند: تصور کنید طراحی یک پره جدید توربین در روز دوشنبه انجام شود و قطعه ساخته‌شده در روز سه‌شنبه برای آزمایش آماده باشد.

همچنین این فناوری می‌تواند امکان تغییر سریع محصولات قابل تولید در کارخانه را فراهم کند؛ به‌گونه‌ای که با اعمال تغییرات نرم‌افزاری، یک خط تولید بتواند در مدت حدود ۲۴ ساعت از تولید توربین‌های غیرنظامی به تولید موتورهای جت نظامی تغییر کاربری دهد.

به گفته Boom، برخی شرکت‌های فعال در حوزه توسعه توربین‌های جدید، به دلیل دشواری‌های ساخت قطعات پیشرفته، ترجیح داده‌اند از بخشی از راندمان و عملکرد مورد انتظار محصولات خود صرف‌نظر کنند تا با چالش‌های پیچیده تولید مواجه نشوند. در مقابل، این شرکت اعلام کرده است که توسعه فناوری‌های ساخت پیشرفته و عبور از محدودیت‌های متداول تولید، یکی از اهداف اصلی آن به شمار می‌رود.

پایان‌بندی

سه پروژه معرفی‌شده توسط بوم سوپرسونیک نشان‌دهنده رویکرد این شرکت برای توسعه هم‌زمان فناوری توربین و زیرساخت‌های تولید آن است. تکمیل هسته توربین اسپرینت (Sprint Core)، احداث ابرکارخانه سوپرپاور با ظرفیت سالانه ۲ گیگاوات و توسعه ریخته‌گری دیجیتال برای تولید پره‌های تک‌کریستالی، سه بخش مکمل از این راهبرد به شمار می‌روند.

نکته قابل توجه در این پروژه، صرفاً توسعه یک موتور یا توربین جدید نیست؛ بلکه ایجاد مجموعه‌ای یکپارچه از توانمندی‌های طراحی، ساخت، تست و اندازه‌گیری و توسعه فناوری مواد است. چنین رویکردی می‌تواند زمان توسعه محصولات جدید را کاهش دهد و وابستگی به زنجیره تأمین سنتی را محدود کند.

با این حال، تحقق اهداف اعلام‌شده در زمینه ریخته‌گری دیجیتال بدون قالب و تولید صنعتی قطعات تک‌کریستالی، همچنان نیازمند ارزیابی فنی و مشاهده نتایج عملی فرآیندهای ساخت و آزمون است. موفقیت این پروژه‌ها می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر آینده فناوری ساخت توربین‌های گازی، موتورهای هواپیما و تجهیزات تولید انرژی داشته باشد.

منبع: مقاله منتشرشده توسط بلیک شول (Blake Scholl)، بنیان‌گذار و مدیرعامل بوم سوپرسونیک (Boom Supersonic)، در لینکدین، ۲۲ اکتبر ۲۰۲۶. (لینک)