גדר חום: למה חומרי ראג'ט חשובים

מנועי Ramjet הם העורקים של טיסה סופר-סטונית ו hypersonic, הפועלים ביעילות במהירויות מאך 2 עד מעבר ל- Mac 5. בניגוד ל- turbojets, ramjets אין דחוסים רוטטים; הם מסתמכים על התנועה קדימה של המנוע לדחוס חומרים חדשים יותר, כלומר, פשטות זו מביאה מהירויות מסחר חמורות יותר: עומסים תרמיים מסורתיים, ואז טמפרטורות אטומות יותר, 000, 000, 000, אפילו יותר, 000 מוגבל יותר, 000.

אתגרים יסודיים של מבצע טמפרטורי גבוה

הפעלה במהירויות מעל מאך 2 נושאים מרכיבים ramjet כדי שילוב מעניש של מתח תרמי, מכני וכימיקלי.הבנת האתגרים האלה חיונית כדי להעריך מדוע חומרים מתקדמים אינם רק שיפורים מצטברים אלא טכנולוגיות של ניהול משימות.

טמפרטורה קיצונית ו-Thermal Gradients

הטמפרטורה של ה-Stagnation במנוע עולה עם הכיכר של מספר מאך 4, הטמפרטורה האווירית הנכנסת ל- combustor יכולה להיות קרוב ל-1,000 מעלות צלזיוס - מספיק חם כדי להצית דלק ללא ניצוצות.בתוך ה- combustor, טמפרטורות להבה יכולות להגיע 2,700 מעלות צלזיוס. טמפרטורות אלה אינן אחידות: נקודות עיקריות, אפים, ולא מזיזות את החוויה הכי אינטנסיבית, בעוד שעדיין לא יכולות להגדיל את הטמפרטורות תרמיות, כאשר הן רק חומר אחד.

אוקסידציה וקורוזיה

בטמפרטורות גבוהות, חמצן באוויר הופך תגובתי אגרסיבית.אפילו פלדות "ללא חתומות" מתחמצן במהירות מעל 1,000 מעלות צלזיוס, ויוצרות קשקשים מלוחים שמצמצילים ומפחיתים את עובי המבני של הרכיב.גזים של הדבקה מוסיפים מורכבות נוספת: מימן לא נשרף, מים ריקים, פחמן דו-חמצני יכול לתקוף באופן כימי משטחים.

מטען מכני ואירודינמיקה

מעבר לחום, רכיבי ramjet סובלים לחצים דינמיים גבוהים (עד כמה אטמוספירה) ו רטט אינטנסיבי מבעירה וחוסר יציבות אווירודינמיקה מזנון.ה הקצוות המובילים של הרהורים ו האף חווים כוחות Shear כפי שהם פרוסים דרך האווירה. גרון נוזל חייב להכיל את הגזים הממצה מתרחב ללא הודעה.

חידושים חומריים: דור חדש של חוטים עמידים לחום ו-Alloys

כדי להתגבר על האתגרים הללו, החוקרים והמהנדסים פנו לחומרים העולים מעל לגבולות המתכות המסורתיות.התקבץ הקידומות המשמעותי ביותר סביב שלוש משפחות: מאטריקס מורכב, קרמיקה טמפרטורה גבוהה אולטרה גבוהה, ומתכות התחדשות מתקדמות וסגסוגת.כל אחד מציע איזון ייחודי של תכונות לאזורי מנוע שונים.

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

CMCs משלבים סיבי קרמיקה משובצים במריצה קרמיקה.הסיבים מספקים קשיחות ומונעים כשלון קטסטרופלי, בעוד הממטריקס מספק יציבות תרמית והתנגדות חמצון.מערכת CMC הבוגרת ביותר משתמשת ב-FLT:0silicon carbide (SiC) סיבים במטרת דלק סיליקון 1 (SiC / SiC) במשקל זה רק מעל 100 מעלות צלזיוס) לטמפרטורות גבוהות יותר - רק כדי להפחית את הפחתת משקל אחד - רק מעל לטמפרטורה גבוהה יותר - 1 מעלות צלזיוס - 1 מעלות צלזיוס - רק מעל לטמפרטורה גבוהה יותר ממטרה 1 - רק ממטרה 1 - 1 - רק מעל 1 מצמצם אחד - רק מעל לטמפרטורה גבוהה יותר מאשר 1 - 1 - 1 - 1 - רק ממטרה 1 - 1 - 1 - 1 ממטרה 1 - 1 ממטרה 1 מצמצם של 1 - 1 ממטרה 1 ממטרה 1 - רק ממטרה 1 מצמצם של 1 - רק ממטרה 1 ממטרה 1 ממטרה 1 ממטרה 1 ממטרה של צריכת גבוהה יותר ממטרה 1 ממטרה 1 ממטרה 1 ממטרה 1 ממטרה 1 מצמצם אחד - 1 - 000

CMCs הופצה בהצלחה בטור טורבינות ו קוטור במנועי סילון ביצועים גבוהים (למשל, מנוע LEAP של GE) וכעת הם מותאמים עבור ramjet combusrs. ההתנגדות שלהם לזעזוע תרמי גורם להם אידיאלי עבור מנועים כי חייב להאיץ במהירות מ subsonic למהירויות היפרsonic.

טמפרטורה גבוהה Ceramics (UHTCs)

עבור האזורים החמים ביותר - nose cones, המוביל הקצוות, וגרון נוזל - אפילו CMCs ליפול קצר.זה התחום של UHTCs: חומרים כי נמסים בטמפרטורות מעל 3,000 מעלות צלזיוס.המחקר הנרחב ביותר הם זirconium diboride (ZrB2) ו Hafnium diboride (HfB2), לעתים קרובות עם תוספות של carbide סיליקון כדי לשפר את החמצן, אשר מסייע קרמיקה קשה.

(המחקר של נאס"א ומעבדת המחקר של חיל האוויר הוכיחו כי ZrB2-SiC מורכב יכול לשרוד חשיפה חוזרת לטמפרטורות מעל 2,200 מעלות צלזיוס במנהרות רוח סופר-סוטוניות עם שחיקה מינימלית.שכבת תחמוצת השכבה ה-D2-SiC) יכולה לשרוד חשיפה חוזרת לטמפרטורות קשות ללא מטרות מחקר מוצקות: אתגרים מחוסנים ו-HFLT2, יכולים לצמצום לטמפרטורות קשות:

מתכת שבורה וכלפיהם

בעוד קרמיקה מובילה בביצוע טמפרטורה, מתכות השבירה כמו tungsten, molybdenum, ו niobium מציעים דרך אחרת. מתכות אלה יש נקודות נמס מעל 2,400 מעלות צלזיוס, ניתן למכונה ונרש יותר בקלות מאשר קרמיקה.המשיכה העיקרית שלהם היא חמצון קטסטרופלי בטמפרטורות גבוהות: tungstens צורות נדחות חמצני, ו unbdenaoxreams aoxides, כמו oxrexidesicials, עם oxiding.

(ההתפתחויות האחרונות כוללות את:0;0) סגסוגת מבוססת סגסוגת של ⁇ FLT (למשל, C-103, Nb-1Zr) עם כוח עתיר גבוה וקליטת ציפוי. ⁇ Tantalum מציעים אפילו נקודות נמסות ספציפיות, אך הם צפופים ויקרים יותר.

עקבו אחרי Surface Engineering

שום חומר יחיד אינו יכול להצטיין בכל רכוש.לכן, מערכות ציפוי הופכות חשובות כמו חומרים תת-החומרים עצמם. ציפויי מחסום תרמי וסביבתי מתקדם (T/EBCs) מאפשרים חומר ליבת פחות עמידת חמצון (כגון מתכת ריבונית או CMC) לשרוד במשך אלפי שעות בסביבה עויינת.

גבול נוסף הוא (FLT:0) חומרים מקודמים פונקציונליים (FGMs)BuildFLT:1 ; FGM יש יצירה המשתנה בהדרגה מן משטח חזק, חמצון עמיד בפני פנים קשוח, התנהגותי, צמצום מתחים בין-גזעיים (דפסה) הופך את FGM מעשי; לדוגמה, אבקת לייזר סגסוגת יכול לאפשר היתוך בדיוק מול חומר מכני.

ננו-חומרים ו- Self-Healing Ceramics

על גבול המחקר, שני מושגים מבטיחים אפילו קפיצות גדולות יותר: ננו-חומרים וקרמיקה של עצמי.

ננו-Engineered Ceramics

שילוב חלקיקים (למשל, צינורות פחמן, גרפן, או nanoscale סיליקון carbide) לתוך מטבוליות קרמיקה יכול לשפר באופן דרמטי את הקשידות, מוליכות תרמית, והתנגדות חמצון. האזור הגבוה של חלקיקים ננו חלקיקים בדרך להגביר את היווצרות של סולמות תחמוצת מגן, והם יכולים לשמש גם כחוקרים תרמיים באוניברסיטת קליפורניה, הוכיחו כי רק 2 אחוזים של ייצור פחמן C נשאר עלייה.

גילוח עצמי Ceramics

בהשראת מערכות ביולוגיות, קרמיקה של עצמי משלבת סוכני ריפוי מבודדים - לעתים קרובות פולימר או זכוכית דלת-מזיקים - אשר משוחררים כאשר חומר סדקים משחרר לתוך הסדקים ולאחר מכן מגיב עם הסביבה או חומר משככי-עצמי, חסום הנזק.

בדיקה ואימות: ממעבדה ועד טיסה

להביא חומר ramjet חדש מן המעבדה לטיסה תפעולית דורש בדיקות קפדניות בתנאים ריאליים.סימולציה באמצעות דינמיקת נוזל חישובית (CFD) וניתוח אלמנט סופי (FEA) מסייע לחזות עומסים תרמיים ומכניים. ולאחר מכן, דגימות נבדקו ב-FLT:0 גבוה-halpy FacjeFLT:1 כגון אלה במרכז המחקר של נאס"א או ארנולד 3D) כדי להאיץ את זרימת האוויר (C2C) עם LT2 ° C).

קריטי לאימות הוא הבנה של התנהגות חומרית תחת FLT:0 תנאים משתנים FLT:1 [הכשלונות רבים מתרחשים במהלך ההפעלה או abort, כאשר ⁇ תרמיים הם חמורים ביותר.חומרים ששרדו ניתוח מצב יציב עשויים עדיין לפצח במהלך האצה מהירה או קירור חדש, כגון חיישני סיבים אופטיים ומדמוגרפיה אינפרא אדום, עכשיו מספק טמפרטורה בזמן אמת וזן בתוך המנוע, המאפשר אימות של מודלים של זיהוי וכישלון.

דרכים עתידיות: Hypersonic Airbreathing Engines ו- Beyond

(הההתקדמות בחומרים של ramjet מאפשרת ישירות לדור הבא של מטוסים היפרוזיים, טילים, כלי רכב נגישים לחלל, תוכניות כמו FLT:0Hypersonic Airbreathing Weapon Concept (HAWC)BuildFLT:1 ו-FLT:2 Advanceded Full Range Engine (AFRE) כבר משלבים את CHTC ל-C2C3NUMS (מסלולארי) ל-T) ל-CVS-T) ל-T) ל-TTMCTMS-C7CVS בלבד.

לקבלת גישה לחלל, מושגים חדשים כמו FLT:0 synergistic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE) FLT:1 דורשים חומרים שיכולים להתמודד הן אוויריות והן מצבי טילים.הטר של SABRE חייב לשרוד טמפרטורות אוויריות של 1,000 מעלות צלזיוס תוך קירור אותם ל-140 מעלות צלזיוס במעבורת שנייה - הלם תרמי קיצוני שמניע את ההתפתחות החומרית למגבלות חדשות.

מחקר ארוך טווח חוקר את ה-FLT:0 (פחמן פחמן-פחמן מורכב מ-FLT:1 (שימוש ב- Nozzles) עבור ramjet combustors, למרות ששיעורי החמצן שלהם גבוהים.FLT:2Refractory MetalicidesFLT 3 (MoSi2, NbSi2) משלבים את נקודת ההיתוך הגבוהה של כלי מתכת עם הדבקה מגנטית גבוהה עם CRMCivol טכניקות מתקדמות ל-Civoliveration עם Civoliverocal Reconcival Reconcivation עם CLCL.

מסקנה

המהפכה בחומרים בטכנולוגיית ramjet אינה פעילות אקדמית; היא המפתח למערכות היפרוזיות תפעוליות. Ceramic matrix Complexs, קרמיקה טמפרטורה גבוהה, וסגסוגת ריבור מתקדם כבר העלו את תקרת הטמפרטורה על ידי מאות מעלות. , מאקמטינגס, nanomaterials, ו-healing עצמית מבטיח לדחוף קדימה, עם השקעה מתמשכת במחקר, בדיקות, מהירות, במהירות גבוהה יותר, מנועי אבטחה, בקרוב, פתרון זמן קצר יותר, לחץ אווירי כוח המשיכה, לחץ אווירי, במהירות גבוהה, לחץ, לחץ אוויר, במהירות גבוהה, לחץ על פני שטח, במהירות גבוהה, לחץ על פני 5.

מקורות נוספים (בתרגום חופשי:0)

  • נאס"א: סקירה של מברק קרמיקה:0 https: www.nasa.gov/centers/glenn/טכנולוגיה/corticess.htmlראופל 1LT
  • מחקר של קרמיקה טמפרטורה גבוהה:0 https: www.afrl.il/about/Fact-Sheets/Article /2219269/ultra- high-tempture-ceramics/reaLT:1
  • סקירה מקיפה של סגסוגת סגסוגת התחדשות גבוהה: (FLT:0 https: www.sciencedirect.com/article/pii/S1359646218377989FLT:1
  • חומרים מוערכים להנעה היפרוזיונית (דוח NATO): .0.25s: www.sto.nato.int/STOstudies/STO-EN-AVT-287-01.pdf