درک فناوری نانو در سیستم های Propulsion

فناوری نانو، دستکاری ماده در مقیاس اتمی و مولکولی (معمولاً کمتر از 100 نانومتر)، ایجاد مواد با خواص کاملاً متفاوت نسبت به همتایان عمده خود را قادر می سازد.در مهندسی پروپان و مولکولی، این به اجزایی که به طور همزمان قوی تر، سبک تر، مقاومت بیشتر گرما و بادوام تر هستند، اصل اساسی در نسبت بالا به سطح بالا به اندازه کوانتومی و مهندسان حرارتی ظاهر می شود که اجازه می دهد تا اثرات شیمیایی بی سابقه ای را در مقایسه با دقت و دقیق تر کنند.

خواص نانو مواد بحرانی برای Propulsion

خواص کلیدی که توسط نانوساختار افزایش یافته است شامل قدرت کششی، هدایت حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی است.به عنوان مثال، نانولوله های کربنی (CNTs) نقاط قوت کششی را تا 100 برابر نشان می دهد که فولاد در یک ششم از وزن، فلزات نانو کریستالی و سرامیک نشان می دهد سختی و مقاومت به کرک کردن خستگی علاوه، سدهای حرارتی نانو ساختاری شده می توانند بیش از 1500 برابر بخار ضروری و تیغه های توربینی مقاومت کنند.

نانولوله های کربنی و نانوکومکانی در اجزای موتور

نانولوله های کربنی به طور فزاینده ای به پلیمر، فلز یا سرامیک matrices برای تشکیل نانوسیم ها یکپارچه شده اند.این مواد در تیغه های فن، دیسک های کمپرسور و خط لوله های نازل استفاده می شوند. اضافه کردن فقط 1 تا 5٪ CNTs با وزن می تواند سفتی یک کامپوزیت را دو برابر کند در حالی که کاهش تراکم کلی سیلیکون-whiskers همچنین برای تقویت ماتریس کامپوزیت مدرن (Cloy) استفاده می شود که در حال حاضر جایگزین قطعات فوق العاده بالا است.

قابلیت بهره برداری Propulsion Performance

دانلود بازی های توربینی Blades and Heat Barrier

تیغه های توربین در سخت ترین محیط هر جزء موتور کار می کنند - که به بارهای سانتریفوژ بالا، دماهای شدید و گازهای اکسید کننده گسترش می یابد. نانوساختارهای حرارتی (TBCs) ساخته شده از ytria-stria-stria-stabilized ziLTonia (YSZ) با اندازه دانه های کمتر از 100 نانومتر کاهش هدایت حرارتی تا 30٪ به طور موثر پوشش های فلزی را افزایش می دهد.

قابلیت احتراق اتاق از طریق Nanocatalysts

بهره وری احتراق به طور مستقیم بر مصرف سوخت خاص و انتشار گازهای گلخانه ای تأثیر می گذارد. Nanocatalysts - ذرات پلاتین، پالادیوم، یا اکسید cerium در مقیاس نانو - می تواند در سوخت پراکنده شده یا به عنوان پوشش برای سطوح لوله احتراق استفاده شود: آنها احتراق کامل در دماهای پایین تر، کاهش تشکیل سویا و رسوبات هیدروکربن غیر احتراق شده برای مثال، اکسید کربن در حال حاضر به عنوان اکسیژن بالا در این اکسید کربن در معرض آزمایش قرار می گیرد.

قطعات ساختاری

کاهش وزن کلی یک موتور نسبت به وزنه های الکتریکی را بهبود می بخشد و باعث کاهش سوخت می شود. مواد نانوکوکی، مانند اپوکسی تقویت شده با نانولوله های کربنی چند دیواره ای، در مواد افزودنی فن و لوله های دور زدن استفاده می شود.این اجزا به 20 تا 30 درصد صرفه جویی وزن بیش از آلیاژهای آلومینیوم در حالی که حفظ مقاومت، علاوه بر این، ذرات نانو-کربن به عنوان مواد افزودنی های جامد برای افزایش تراکم و چگالی سوخت استفاده می شوند.

برنامه های کاربردی در انواع خاص Propulsion

هواپیماهای جت موتور

در توربوفن های تجاری و توربوجت های نظامی، نانوپوش ها در کمپرسور و تیغه های توربین باعث کاهش اصطکاک و فرسایش، افزایش بهره وریودینامیکی شده است. رولز-Royce پوشش های نانوساختار یافته را ثبت کرده است که اجازه می دهد تا تخلیه های تیز تر، به حداقل رساندن خسارت های نشتی، همچنین به فواصل نگهداری و اطمینان بالاتر کمک کند.

موشک Propulsion

موتورهای راکت خواستار موادی هستند که از گرادیان حرارتی شدید، فشارهای بالا و خروجی (ناصری جامد نانوساختار یافته) جلوگیری می کنند (به عنوان مثال، تنگستن- یا موبریدیوم) قدرت را در دماهایی که فلزات معمولی نرم می کنند یا به آن می رسند، حفظ می کنند.

Hypersonic Propulsion

وسایل نقلیه Hypersonic (Mach 5+) با گرمای شدید آئرودینامیک و اکسیداسیون. Nanocomposites مانند کربن کربن با افزودنی نانو-silica می تواند دمای ورودی دوباره بیش از 2000 درجه سانتیگراد زنده بماند. Scramjet شانه های نیاز به تزریق سوخت در سرعت های مافوق صوت؛ کاتالیزورهای نانو ساختار یافته کمک به مخلوط سریع و احتراق آژانس پروژه های پیشرفته دفاعی (DAR) با استفاده از لوله های حرارتی بالا به عنوان سوخت و نانو کامپوزیت های نانو هدایت شده است.

نوآوری های فعلی و تحقیقات

ناسا و DOD Initiatives

برنامه توسعه بازی ناسا شامل پروژه هایی در سیستم های حفاظت حرارتی نانوساختار یافته و مخازن کامپوزیت سبک است. وزارت دفاع ایالات متحده، از طریق دفتر تحقیقات دریایی، در حال بررسی سنسور های نانو تعبیه شده در اجزای پروپان برای نظارت بر سایش و تشخیص ترک ها در زمان واقعی است.

توسعه صنعت

Pratt & Whitney تست نانو-Stloys مبتنی بر نیکل برای دیسک های توربینی در موتورهای توربوفن دنده خود را، این آلیاژها ساختارهای دانه ریز تر را نشان می دهند، بهبود مقاومت و خستگی زندگی است. Safran و MTU Aero Engines در پراکندگی نانو ساختار تقویت شده (ODS) برای ون توربین های با فشار بالا، در همین حال، شرکت های در حال توسعه روش های تولید گسترده برای استفاده از سرعت 50 دلار، و سرعت بالا، قیمت های مقیاس پذیری برای استفاده می کنند.

چالش ها و ملاحظات

مقیاس پذیری

تولید نانو مواد در حجم صنعتی با کیفیت سازگار همچنان یک مانع است. فرایندهای فعلی برای CNTs باعث تغییرات متغیر و توزیع طول، تاثیر بر خواص کامپوزیتی مداوم، مانند رسوب بخار شیمیایی کاتالیزور شناور، برای دستیابی به میزان تولید چندین تن در سال تصفیه شده است، اما هزینه های مقیاس هنوز بالا هستند.

هزینه های

اجزای نانوتکنولوژی می توانند به طور قابل توجهی گران تر از همتایان معمولی باشند، به عنوان مثال، یک تیغه فن نانوکومی ممکن است 10 تا 15 برابر بیشتر هزینه کند تا ابتدا پارچه سازی شود، با این حال، تجزیه و تحلیل هزینه های چرخه عمر نشان می دهد که پس انداز از مصرف سوخت پایین، کاهش نگهداری و عمر طولانی تر خدمات می تواند حق بیمه را در طول 10 تا 20 سال جبران کند.

خطرات سلامتی و زیست محیطی

نانوذرات مهندسی شده ممکن است خطرات استنشاقی را در صورت آزاد شدن در طول تولید، ماشینکاری یا بازیافت نهایی از زندگی ایجاد کنند.مطالعات نشان داده اند که برخی از نانولوله های کربنی می توانند باعث التهاب ریه در مدل های حیوانی شوند، مانند الیاف آزبستوس، و تجهیزات حفاظتی شخصی - در حال انجام تجهیزات پردازش اجباری هستند.

آینده آینده آینده

دهه آینده احتمالا ادغام نانومواد چند منظوره را مشاهده خواهد کرد - ترکیب سنجش، مدیریت حرارتی و تقویت ساختاری به یک جزء واحد. متا مواد با خواص نانو-photonic طراحی شده می تواند کنترل حرارتی فعال را در تولید افزودنی (3D چاپ) در مقیاس نانو اجازه دهد تولید زمین های خنک کننده پیچیده داخلی که غیر ممکن است به عنوان مهندسین محاسباتی، سرعت در شرایط رفتار واقعی، سرعت بخشیدن به سرعت بهبود می یابد.

فناوری نانو یک راه حل مستقل نیست، بلکه یک ابزار مکمل است که در ترکیب با پیشرفت در ترمودینامیک و علوم مواد، نسل بعدی موتورهای را هدایت می کند. مسیر آزمایشگاه برای موتور عملیاتی نیاز به سرمایه گذاری پایدار در فن آوری تولید، تحقیقات ایمنی و استانداردهای صنعت دارد.با این حال، پرداخت بالقوه - 20 -30٪ کاهش سوخت، دو برابر شدن قطعات طول عمر، و اجازه می دهد تا بخش های ضروری پرواز را ایجاد کند.