עתידם של ענני חום חכמים ועצמיים ליישומים אוויריים

הבא: The Next Leap in thermal Protection

הכניסה לחלל נותרה אחת הסביבות הקיצוניות ביותר בהנדסה.רכבים שנפגעו דרך האווירה של כדור הארץ במהירויות היפרוזיות לייצר טמפרטורות פני השטח מעל 1,600 מעלות צלזיוס - מספיק חם כדי להמיס פלדה במשך עשרות שנים, תעשיית החלל הסתמך על מערכות הגנה סטטית (TPS), כגון מגן חום מתמשך וחופים קרמיקה, כדי לשרוד את הסגת או את הניסיונות האלה, כמו למשל, כמו למשל, לחץ דם יציב, על פני השטח, על פני השטח, והופכים למגבלות על פני השטח, כדי לפתוח מחדש של מחזורי, על פני השטח, על פני השטח, על פני השטח, על פני השטח, והופכים למגבלות על פני השטח האטמוספירה של מערכות הגנה דינמית יותר, כגון: VVerfretens: 1.FPS 1FS, כדי להמשיך, 000, כדי להתגבר על פני השטח, כדי להתגבר על פני השטח, 000, כדי להתגבר על מערכות הגנה מפני הגנה מפני לחץ דם גמישים, כדי להתגבר על פני השטח, כדי להתגבר על מערכות הגנה מפני לחץ דם יציבים, 000, 000, כדי להתגבר על מערכות הגנה מפני לחץ דם יציבים, כמו הגנה מפני לחץ דם יציבים, 000, 000, 000, כדי להתגבר על פני השטח, 000, 000 החלמה, 000, 000

מדוע גדרות חום מסורתיות נופלות קצרות

מגן חום קונבנציונלי מונדס עבור קבוצה צרה של תנאים צפויים. מגן אבהנטי, למשל, נועדו כריז ורוקד באופן מבוקר, לשאת חום משם.עם זאת, הם כבדים, שימוש יחיד, ולא יכול להסתגל אם גלי החום בפועל מתפוגג מתחזיות.

מערכות מושכות, כמו אריחי פחמן-פחמן וחומיסות של מעבורת החלל, מציעות יעילות משקל טובה יותר אך הן מתפתלות ודורשות בדיקה נרחבת לאחר כל טיסה.שניהם ניגשים לחלוק פגם יסודי: הן חלושות:0 פאסיביות:0 פאסיביות:1 במהירות פתאומית בטמפרטורה, זווית בלתי צפויה של התקפה, או חוסר יציבות פלזמה יכול להציף את המגן, המוביל לכשל בחלל של קולומביה ב-2003.

הטכנולוגיה שמאחורי ענני חום חכמים

מגן חום עצמי הוא לא חומר יחיד אלא מערכת משולבת של חיישנים, פועלים וחומרים הסתגלותיים.אדריכלות הבסיסית פועלת כדלקמן: חיישנים משובצים מודדים טמפרטורה, לחץ, חום, וזן מבני. כוח נמוך על מעבדי לוח מפרשים נתונים אלה והוראות לפעול כדי לשנות את תכונות המגן - שינוי מוליכות תרמית שלה, מוסר, או אפילו צורה זו פועלת במהירות גבוהה יותר מאשר למקלט אנושי יכול להגיב יותר מאשר למקלטים, יכול להגיב במהירות גבוהה יותר מאשר למגנים אנושיים.

מערכת העצבים של The Shield's Nervous System

חיישנים מתקדמים הם עמוד השדרה של כל TPS חכם.D. .D.D.D.D.D. thermocouples וגלאי טמפרטורה התנגדות (RTDs) ניתן להטמיע ישירות בחומרי הגנה תרמיים מבלי לשנות את הביצועים שלהם. נאס"א פיתחה:0 חיישנים פלוקסממים מצטברים מספיק כדי לאסוף נתונים עתיר גבוה, ללא מדדים מהירים, אשר יכולים לעמוד בחשיפה מתמדת לטמפרטורות קיצוניות יותר.

חומרים והתאמה

ברגע שהחיישנים מזהים סטייה מהפרופיל הצפוי, הם עושים את ההתאמה.

• חומרים (PCMs): ההרחבה 1 חומרים אלה (לעתים קרובות מטבוליים מבוססי פרפין או מלח) סופגים כמויות גדולות של חום על ידי התכה או חיסון בטמפרטורה מסוימת. על ידי הטמעת מחשבי PCMs בממטרה קרמיקה, מגן יכול להסדיר את הטמפרטורה הפנימית שלה: עלייה בחום, PCMs, סופג את עודף האנרגיה ושמירה על פני השטח יציב, כאשר הוא חום זה יכול ליישב את הטמפרטורה הפנימית שלו.
• (FLT:0) סגסוגת של סגסוגת של אשפה (SMAseur): alt1 Alloys כמו Nitinol (ניקל-טיtanium) יכול להיות "מאומנים" לחזור לצורה מוגדרת מראש כאשר מחומם מעל טמפרטורת מעבר.במגן חום, חוטי SMA או הסדינים יכולים לפעול כמו משטחים מתאימים.
• חומרים בעלי אחריות:0 (Variable-emissivity Materials: ⁇ 1) Emissivity קובע כמה יעיל משטח קורנת חום. oxides ו- vanadium דו תחמוצת יכול לשנות את הישוליות שלהם כאשר באופן חשמלי או תרמי מעורר. מגן חכם יכול לעבור מרישיות נמוכה (חום מנקה) ועד לעליות גבוהה (חום מסיבי) כטפס ביעילות, ביעילות, עלייה בקצב הקירור.
• (FLT:0) פולימרים חשמליים (EAPs): irFLT:1 בעוד פחות בוגר לשימוש בטמפרטורה גבוהה, EAPs יכול לשנות צורה או נוקשות כאשר מתח מוחל. עיצובים עתידיים עשויים לשלב שכבות EAP גמישות כי deform לשלוט מעבר הגבול או לקדם זעזוע עבור פירוק חום טוב יותר.

השילוב של חומרים אלה מאפשר למגן להתאים את התכונות התרמיות, המכניות והאירודינמיקה שלו על זבוב.

ביקורת: המוח

אין מגן חכם מועיל ללא לוגיקה שליטה אינטליגנטית.הבקרים בעלי פרופורציה (PID) יעילים מדי עבור זמני טמפרטורה מהירים של כניסה מחדש, במקום זאת, החוקרים פונים ל-FLT:0 Model-predictive control (MPC)FLT:1 ו-FLT:2machine-learning-learning-learning-of: אלה השתמשו לעתים קרובות באלגוריתם חום-upal של מערכת הגנה נמוכה של כוח-מחדש-מחדש-לכאורה-מתאים-ל-מתאים-ל-ל-למחדש-למתאים באופן קבוע-למחדש-למחדש-למחדש-למודהחליפה-למחדש-למחדש-למחדש-למחדש-למחדש-למחדש-למחדש-למחדש-למחדש-למחדש-למחדש-למחדש-למחדש-למחדש-מחדש-למחדש-למחדש-למחדש-מחדש-מחדש-לדוגמא-למחדש-מחדש-מחדש-מחדש-למודהכול-מחדש-לדוגמא-לדוגמא-למחדש-למחדש

יתרונות מרכזיים ל- Future Spacecraft

ההבטחה של מגן חום עצמי הולך הרבה מעבר לשיפור מצטבר.למטה הם היתרונות העיקריים המצדיקים את ההשקעה בטכנולוגיה זו:

שיפור הבטיחות באמצעות הסתגלות בזמן אמת

מגן פסיבי יכול להיות מובס על ידי אירוע בלתי צפוי, כגון אפקט מיקרומטראוסטרואידים מזיק על פני השטח או שינוי מסלול לא מתוכנן. מגן חכם מזהה כתמים חמים מקומיים ויכול להפעיל מנגנונים קירור - כמו הזרקת כמות קטנה של גז או פריסת תיקון PCM - כדי להפחית את הסיכון.אם המגן כולו היה חסר תועלת, זה יכול לשנות את שיעור הפחתת קצב הפחתת על ידי שליטה בחומרים או פודוסטיים, עם עיצובים סטטיים בלתי אפשריים.

ירידה במשקל משמעותית

Static TPS הם לעתים קרובות overengineered כי מעצבים חייבים להניח עומסי חום הגרוע ביותר. מגן חכם יכול להשתמש בחומרים קלים יותר כי להסתמך על התאמה בזמן אמת כדי להתמודד עם עומסי שיא.לדוגמה, החלפת שכבה כבדה עם קצף קרמיקה מטבולית מחשב דק יותר יכול להפחית מסה עד 20-30%.

משימה מורחבת Versatility

חללית המיועדת לפרופיל כניסה יחיד לא ניתן להשתמש בו בקלות למשימות שונות – כמוסה החוזרת מהירח ניצבת בפני תנאים שונים מאשר שחזרה מסיבוב כדור הארץ נמוך, מגיני חום חכמים יכולים לכוון את התכונות שלהם כדי להתאים את נתיב הטיסה, מה שהופך כלי רכב אחד מתאים לסוגים מרובים של טינה.זה חשוב במיוחד עבור כלי שיגור שניתן להחלפה כמו ספינת הכוכבים של SpaceX או מוצא כחול חדש, אשר צריך לעבור באופן נרחב.

עלויות יעילות על מחזור החיים

למרות שמגן חכם יותר מורכב לפתח בתחילה, הם להפחית את הצורך בעיצובים מרובים של TPS וקיצור בדיקות הסמכה.אם מגן יכול להתאים לתנאי מחוץ לתחום, מהנדסים יכולים לקבל מגוון רחב יותר של אי ודאות במודלים אותרמיים, זמן פיתוח חיתוך, בנוסף, אם המגן הוא חד-משמעי (באמצעות חומרים לא-מתאים), עלויות שופץ טיסה צנחה.

מחקר ופיתוח נוכחי

כמה סוכנויות ממשלתיות, אוניברסיטאות וחברות פועלות באופן פעיל על סמך ה-TPS. הנה כמה מהמאמצים הבולטים ביותר:

מערכות ההגנה המתקדמות של נאס"א

תוכנית פיתוח שינוי המשחק של נאס"א תמכה בפרויקטים כמו FLT:0HEEET (Heat-shield for Extreme Entry Technology) אנדרט 1 (FLT:1), אשר פיתחה מחסני פחמן ארסיים עבור ונוס ו- Saturns. בעוד HEEET הוא סטטי, מעקב אחר מטרות להטמיע חיישנים בתוך ה- Weave כדי ליצור "חכם" תגובה חדשה, אשר לאחרונה, אך אינה ניתנת לחזרה על ידי נאס"א, אך היא תוכנית טיפול עצמי.

חוקרים במרכז המחקר של נאס"א בנו ובחנו אבטיפוסים חכמים בקנה מידה קטן של אריחים אלה מכילים קפסולות מחשב מוטבעת ופורמולות סגסוגת בצורת-זיכרון שמשנות את העפרצוף כדי לשלוט בהפרעות.

יוזמות תעשייתיות פרטיות

SpaceX לא חשף בפומבי את פיתוח מגן החום החכם, אבל הניסיון של החברה עם מגן העלבון PICA-X על Dragon ואת העור נירוסטה פלדה של Starship מראה עניין בניהול תרמי חלופי.התחתיו של Starship משתמש שילוב של קירור טרנסספירציה פעיל (ראה דלק דרך העור החיצוני) וחופים תרמיים זה יכול להתפתח לתוך מערכת חכמה משולבת לחלוטין שבו חיישנים לעקוב אחר בריאות, לתקן את צורת החלל שלה, מנקה באופן דומה.

קבוצות אקדמיות באוניברסיטת אילינוי Urbana-Champaign ו Purdue University חוקרות את elastomer elastomer actuators עבור מגן חום אדפטימי פילים דקים. עבודתם, שפורסם בכתבי עת כמו FLT:0Journal of Spacecraft and RocketsFLT:1, מראה כי עיוותי פני השטח קטנים יכולים להפחית ביעילות את ההתחממות האווירודינמיקה על ידי קידום מעבר לזרם חום גדול יותר, להפיץ אזור חום גדול יותר.

אתגרים

למרות תוצאות מעבדה מבטיחות, כמה אתגרים חומרים יש להתגבר לפני מגיני חום חכמים לטוס. PCMs לעתים קרובות יש מוליכות תרמית נמוכה, אשר מאט ספיגת חום, והם עלולים להתפוגג לאחר רכיבה חוזרת על אופניים. Shape-memory ⁇ s יכול רק להתמודד עם מספר סופי של מחזורים לפני עייפות סטים. אלקטרוניקה עתירה גבוהה הדרוש למערכת הבקרה חייב לשרוד גם את הריק של החלל ואת החימום אינטנסיבי של re-retinretinretors, אשר הם מגבלות חצי-cy של ניטרמיטרמיטרמיון מבטיח (מוליכים למחצה).

יתר על כן, שילוב חיישנים ופועלים לתוך אריח או שכבת אינטגרטיבית ללא יצירת ממריצים מתח או מכנסיים תרמיים אינו טריוויאלי. שיטות בונדינג חייבות לעמוד בהתרחבות תרמית שונה וכוחות Shear גבוהים של נאס"א:0TPS חומרים מסד נתונים FLT:1 מספק נקודת התחלה עבור מודלים אלה ממשקים, אך תקפים ניסיוניים בקנה מידה מלא נותר נדיר.

בדיקות ודרכי אימות

כדי להשיג הסמכה לטיסה, מגן חום חכם חייב לעבור סדרה של בדיקות מציאותיות יותר ויותר.מודלים בקנה מידה נבדקים תחילה במתקני סילון קשת המייצרים זרמים היפרוזיים.לדוגמה, FLT:0interaction Heating FacilityFLT:1 בנאס"א Ames יכול לייצר גלי חום עד 400 W / 2, הערכת מאדים reducing, ו-coreatives for res for reviators הם תגובה עבור זמן רבודה.

הצעד הבא הוא בדיקות טיסה תת-ביטריות.כלי רכב של טילים יכולים להיכנס מחדש מגובה של 100-200 ק"מ, המספקים כ-30-60 שניות של חימום רלוונטי.כמה קבוצות טסו אריחים חכמים מדגם על טילים קולעים והם מנתחים את הנתונים בסופו של דבר, בדיקה מקיפה של כניסה מחדש (כמו משימות ה-HTV או Dragons של יפן) יידרשו כדי להוכיח עמידות רבה על פני המבחנים הללו.

הדרך: יישומים עתידיים

במבט מעבר לכלי רכב, מגיני חום חכמים יכולים למצוא שימוש במטוסים היפרוזיים, כולל מטוסים צבאיים ותחבורה מסחרית עתידית כמו ה-בואינג מ' מ' 5 מושג.כל רכב שחווה טרנסים תרמיים קיצוניים יכול להפיק תועלת מיישומים מותאמים ל- TPS. אפילו , כגון פרוות תעשייתיות והריסות מגן על כורי היתוך, עשוי להתאים את אותם עקרונות.

על גבול המחקר, מגינים חכמים יכולים לאפשר משימות ונוס, שבו לחצים על פני השטח הם 90 פעמים כדור הארץ וטמפרטורות עולה על 450 מעלות צלזיוס. מערכת נחיתה עצמית מאמת עצמי יכול לנהל את השינויים החום והלחץ אינטנסיביים במהלך הירידה.

מסקנה

חכם, מגנים חום עצמי מייצגים שינוי פרדיגמטי בהגנה תרמית.על ידי שילוב חיישנים, אקטוטורים וחומרים אדפטיים, הם מציעים בטיחות חסרת תקדים, חיסכון במשקל וגמישות המשימה.התקדמות בחומרי שינוי שלב, ⁇ בצורת צורה, ומערכות בקרה משובצות הביאה את הרעיון ממדע בדיוני ועד סף בדיקות טיסה.