שימוש בחומרים חכמים במערכות הגנה גמישות

המרדף הבלתי פוסק של משימות חלל שאפתניות יותר – החל מתשלום כבד יותר מהירח ועד לשרוד את האווירה המחוספסת של ונוס וביצוע נחיתה מדויקת על מאדים – דרישה של מערכות הגנה תרמיות שאינן פשוטות למגיני חום מסורתיים, בעוד שהן מוכחות, הן כבדות, חד-פעמיות, ולא מציעות להתאים את התכונות שלהם כסביבה תרמית משתנה במהלך כניסה או רטיעת לאחור, כאשר הן נחשבות למגירה לאחור, לכדי גירויים, או לכדי גירויים, כלומר, כלומר, חומרים מחוזק, כלומר, כלומר, חומרים מכדי יכולת להסתגל לחומרים פנימיים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לכדי יכולת להסתגל לחומרים פנימיים, לכדי יכולת להסתגל לחומרים פנימיים, לכדי יכולת להסתגל לחומרים פנימיים, לכדי יכולת להסתגל לחומרים פנימיים, לכדי יכולת להסתגל לחומרים פנימיים, לכדי גירויים פנימיים, לכדי יכולת להסתגל לחומרים פנימיים, לכדי יכולת להסתגל לחומרים פנימיים, לכדי יכולת להסתגל לחומרים פנימיים, או לכדי יכולת להסתגל לחומרים פנימיים, לכדי גירויים פנימיים, לכדי יכולת להסתגל, כלומר, תוך כדי להתאים את חומר לכדי יכולת להסתגל, לכדי יכולת להסתגל לכדי יכולת להסתגל לחומרים פנימיים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, ל

מה הם חומרים חכמים?

חומרים חכמים מוגדרים על ידי יכולתם לשנות באופן רציני אחד או יותר של התכונות שלהם באופן מבוקר כאשר נחשפים לגירוי חיצוני - להיות זה טמפרטורה, לחץ, שדות חשמליים או מגנטיים, pH, או אור. בניגוד חומרים קונבנציונליים הפועלים באופן פסיבי, חומרים חכמים לתפקד כמו טרנסנפצים מבוזרים, המרת קלט סביבתי לתוך תפוקה מכנית, אופטית, תרמית או חשמלית.

בהקשר של הגנה תרמית, הגירויים הרלוונטיים ביותר הם טמפרטורה וסטרס מכני.תשובות העניין כוללות שינויים בשלב (סולם לנוזל, או מבנה גבישי), שיקום צורה (כמו בסגסוגת זיכרון צורה), דור של מטען חשמלי (הגמישות), או שינוי של תכונות משטח קרינה (תרמיומימומימומיים) או חומרים אלה מסווגים לעתים קרובות כמונוליטי (מנטליות) או מתכות חכמות (מדומים) עם תכונות מטבוליות (מדומים) או מטבוליות) או מטבוליות (מדומים (מדומים) או מטבוליות).

סוגים של חומרים חכמים עבור יישומי מגן חום

כיום, קבוצה רחבה של חומרים חכמים נמצאת בחקירה של הגנה תרמית מתאימה, להלן אנו בודקים את חמשת המשפחות המבטיחות ביותר, כל אחת מציעה יכולות ייחודיות וסחר-offs.

Shape Memory Alloys (SMAs) ו- Shape Memory Polymers (SMPs)

[הזיכרון] כלוויס, כגון ניקל-טינום (Nitinol) ו ⁇ מבוססי נחושת, עוברים שלב מפוחד בלתי הפיך בין קצבה עתירה גבוהה לבין מרטן אווירת-טמפרטורה נמוכה: בשלב המנטרנטי של מגנזיום, הסגסוגת מופעלת בקלות; על פני החום, היא חוזרת לצורה הקדם-זמנית של חום-זמנית, לדוגמה, למגינים קצרים:

צורה של Memory Polymers (SMPs) מציעה יתרון משלים: הם יכולים להיות מתוכנתים לשחזר צורה בטמפרטורה הפעלה נמוכה בהרבה מאשר SMAs, אשר מועיל למשימות שבו האנרגיה התרמית זמינה עבור הפעלת חשמל מוגבל.עם זאת, SMPs בדרך כלל יש לחץ התאוששות נמוך יותר קשיחות, הגבלת השימוש שלהם כדי משקל, מבנים משניים.

חומרים Piezoelectric

(החומרים המטומציים מייצרים מטען חשמלי כאשר הם מתוחים מבחינה מכנית (אפקט עקיף) ועיוותים כאשר הם נתונים לשדה חשמלי (אפקט מתמשך) במערכות הגנה חום, הם משרתים תפקידים כפולים (ALT:0sensorsFLT:1), הם יכולים לזהות את זרימת הדם, לחץ, עומסים אקוסטיים במהלך ההשקה והכניסה, לספק נתונים בזמן אמת על בריאות של מחסום תרמי.

שינוי חומרים (PCMs)

חומרים שלב משתנים לנצל את החום המאוחר של התכה (או נשגב) לספוג כמויות גדולות של אנרגיה תרמית בטמפרטורה כמעט קבועה.כאשר משולבים בתוך מגן חום, שכבת PCM יכולה לפעול כ capacitor תרמי, ספוגה עלייה בשומן חום ושחרור אנרגיה זו מאוחר יותר כאשר תת-החלופה החיצונית של מערכת אחסון חום ומלח הם נפוצים, בעוד סגסוגת מתכתית גבוהה.

חומרים מrmochromic

חומרים תרמו-קוליים משתנים צבע - וחשוב מכך, תכונות רדיורמיות תרמיות - בתגובה לטמפרטורה.בהקשר של מגן חום, ציפוי תרמוכרומטי יכול לעבור ממצב של כיס גבוה (משחרר חום באופן יעיל) בטמפרטורות גבוהות למצב מעבר מכני (הפחתת חום רדיואקטיבית) בטמפרטורות נמוכות יותר (הפחתת חום רדיואקטיבית) על ידי דלקת ריאות-דלקת ריאות (מדומה ביותר) על ידי אטמוספירה למחצה) על ידי אטמוספירה למחצה (Roltoltoltung) על ידי ירידה בינונית (מהפכה) בטמפרטורה בינונית (מאטורה) בטמפרטורה גבוהה יותר).

חומרי ההולכה

חומרים של פיגור עצמי יכול לתקן סדקים או מחיקה באופן אוטונומי, לשחזר חלק קטן של תכונות מכניות תרמיות מקוריות. שתי גישות עיקריות קיימות: מערכות מבוססות מיקרו-סול (סוכני ריפוי מחוסנים משוחררים כאשר סדק propagates) ומערכת אטריות (קשרים כימיים בלתי הפיכים אשר תואמים בטמפרטורות גבוהות, כמו בטמפרטורות מסוימות של פולימרים-Alders) עבור יכולת ריפוי עצמיים מעצימה נמוכה יותר של מחזור חיים.

עקרונות עיצוב הגנה חום

⁇ חומרים חכמים למערכת קוהרנטית דורש חשיבה מחדש על הארכיטקטורה של מגן חום קונבנציונלי.במקום שכבת מונוליטית, מטרה אחת, עיצוב הסתגלות משתמש aFLT:0multilayerערימה 1 (FLT:1), שבו לכל אחד מן הלה עשוי להיות פונקציות חכמות שונות.

• שכבת משטח חיצונית עם ציפוי תרמוכרומטי לשליטה על נכסים רדיואקטיביים, בשילוב עם חיישנים ⁇ משובצים כדי לפקח על פני השטח וטמפרטורה.
• אזור ביניים המכיל בצורת חוטי זיכרון או חסמים שיכולים להתאים את המרחק של לוחות ניתנים לפרוס או את הריצוף של משטח מגן החום, ובכך לשנות את זווית ההתקפה המקומית ואת העברת חום אחיד.
• אזור פנימי מלא בשלב שינוי חומר מחלחל במריצה קצף פחמן, המשמש כקפי חום תרמי להורדת ספייק טמפרטורה.
• פנים מבניות האחוריות עשויות מפולימר מורכב בצורת זיכרון כי נוקשה כאשר מחומם במהלך הכניסה, ואז הופך להיות תואם עבור stowage.

אדריכלות זו מאפשרת למגן החום להתאים את האינטראקציה שלו בשדה זרימה, קיבול תרמי, ונוקשות מבנית כמו מסלול הכניסה מתפתח.לדוגמה, מוקדם בחזרה כאשר האווירה היא דק, המגן יכול לאמץ סמרטוט נמוך, צורה מרומם גבוה (באמצעות SMA Actuation) כדי למקסם את טווח המעבר; כמו עלייה אטמוספירית ושיא חום, זה יכול לאמץ לתוך תצורה גבוהה של פחמן-Fazeric, לאחר מערכת מגנטית אחת ספוגה גבוהה.

יתרונות וביצועים השוואתיים

בהשוואה למגן חום פסיבי קונבנציונלי (כיסוי או אריחים קרמיקה), מערכות חכמות הסתגלות מציעות מספר יתרונות למדידה:

• (FLT:0) צמצום:0 (Massduction: 1) על ידי ניהול פעיל של גלי חום וגורט, מגן הסתגלות יכול להיות דק יותר וקל יותר. מחקרים ראשוניים מציעים חיסכון המוני של 20-30% עבור כלי רכב כניסה בין כוכבי לכת.
• (FLT:0) חידושים משוחררים: FIRLT:1) חומרים חכמים עצמיים וניתוק מחדש להפחית את הצורך בשיפוץ.פעולת סגסוגת זיכרון צורה יכולה לעגל אלפי פעמים ללא עייפות, המאפשרת מספר רב של ערכים.
• (FLT:0) במעטפה ביצועית: FLTRE:1 היכולת לצורת מורפיום מאפשרת מגן חום יחיד לפעול בטווח רחב יותר של מהירויות כניסה ודנות אטמוספריות, צמצום הצורך בעיצובים ספציפיים.
• ניטור בריאות בזמן אמת: FLT:1 Embedded חיישנים אדזואלקטריים בשילוב עם טלמטרי יכול לספק את המחשב לטיסה של המכונית עם נתונים על שחיקה, סדק או דלמנטום, המאפשרת שילוב או אסטרטגיות מייגציה.
• (FLT:0) שיפור שולי שכר: FIRLT:1) המסה המשתחררת ממערכת ההגנה התרמית ניתן להקצות לכלים מדעיים, תמיכה בחיים, או מניעה, יכולת המשימה הגוברת ישירות.

מרכזי תכנון פרויקטים מראים כי עבור רשומות בעלות גבוהה (כמו מדגם חוזר ממאדים), מערכת הסתגלות עם PCM ו SMA Actuation יכול להפחית את רמת החום הגבוהה ב 15-20% לעומת ablator דק בלבד, תוך שמירה על טמפרטורות מבניות מתחת 150 מעלות צלזיוס. עבור חלליות נמוכה, חלליות חוזרות ונשנות (למשל, קפסולות צוות הדור הבא), הדגשה עמידות לעשרות חומרים חכמים;

אתגרים ומחקר מתמשך

יציבות בתנאים קיצוניים

המבחן החמור ביותר עבור כל חומר חכם הוא הישרדות בסביבה היפרוזית, גבוהה enthalpy של כניסה אטמוספירית.טמפרטורות יכול לעלות על 2000 מעלות צלזיוס על נקודת ההדבקה, עם תגובות כימיות מחמצן אטומי וחנקן. רוב החומרים החכמים - במיוחד פולימרים מסוימים וטיפוסי טיח מסוימים יכולים במהירות מעל 400-600 מעלות צלזיוס.

ביקורת ותגובה

מערכות הסתגלות מסתמכות על זמן התגובה של החומר החכם מספיק מהר כדי לעקוב אחר השינויים בשטף חום משתנה.שלב שינויים ב- SMAs יכול להתרחש במילימטרים, אבל העברת החום ל- SMA עשויה לקחת שניות, המציגה lag שליטה. Piezoelectric Actuators הם מהירים מאוד (תגובה מיקרו שנייה) אבל לייצר רק עקירות קטנות; הם מתאימים ביותר עבור אימון בקנה מידה בסדר גודל.

ייצור ואינטגרציה

הקטנת מגן חום רב שכבתי, בעל חומרים חכמים מוטבעים בעלות סבירה היא אתגר משמעותי.שיטות נוכחיות מסתמכות על ייצור תוספת (למשל, אבקת לייזר היתוך עבור רכיבי SMA) ומיקום סיבים אוטומטיים עבור פולימרים פולימרים. Scalability כדי לטעון קוטרים גדולים (עד 4-5 מ"מ עבור משימות מאוקיפי צוות) והכשרות עבור חלל אנושי דורשות נרחבות במתקני arcic CRAF אשר יש לשכפלה את אותם חומרים מתקדמים (כולל חומרים מגנטיים מגנטיים).

עלויות ומורכבות

חומרים חכמים יקרים יותר מאשר סגסוגת אווירוקל המסורתית וקרמיקה. Shape זיכרון ⁇ , למשל, יכול לעלות 10-50 פעמים יותר מאלומיניום במשקל שווה ערך, יתר על כן, אלקטרוניקה בקרה נוספת, חיוט, ובדיקות הסמכה להוסיף עלות ברמת המערכת.התועלת חייבת להיות מוצדקת על ידי שיפור ברור בביצועים המשימה או עלות של תשלום משלוח.

כיוונים עתידיים

במבט קדימה, ההתכנסות של חומרים חכמים, מודלים דיגיטליים של תאומים, וייצור תוספת מבטיח דור חדש של מערכות הגנה תרמיים המיוצרים על ידי פונקציונליות תרמית למערכות ההרחבה 1 ( 1 2) שכבת חומר אחת יכולה לשלב את אפקט הצורה-זיכרון, חישה, ו-heal-healing עצמי בתהליך ייצור אחד.

אינטליגנציה מלאכותית תמלא תפקיד מכריע בשליטה במערכת.אלגוריתמים אופטימיזציה בזמן אמת - מוגבלים על סימולציות נאמנות גבוהה של אותרמודמודינמיקה והתנהגות חומרית - יכולים לקבוע את הצורה האופטימלית, הרשליות, והגדרות קיבול תרמיות לכל רגע במסלול, אפילו בנוכחות תנאים עיצוביים כמו הפרעות אטמוספריות.

לבסוף, המטרה הסופית היא להרחיב את המערכות הללו ליעדים המאתגרים ביותר: סוללת ונוס חייבת לשרוד 460 מעלות צלזיוס, 90 מטר של CO2, וענני חומצה sulfuric; בדיקת טיטאן פועלת באווירה חנקנית עבה חנקן-מתאן ב - -180 מעלות צלזיוס; מברק בין כוכבי חייב לסבול עשרות שנים של השפעות מיקרומטראואידים וחומרים תרמיים.

המסע מדגימות חומר חכמות בקנה מידה מעבדה כדי להשתלב, מלחי חום אדפטיים מתואמים לטווח ארוך, אבל כל הפגנה מוצלחת - צורה של סגסוגת זיכרון, מבחן ציפוי תרמוכרומטי ב arc-jet, קופון עצמי-healing השורוד חמישה מחזורי חום - בונה ביטחון בתוך שני העשורים הבאים, חללית הנכנסת לאטמוספירה חיידקנית עשויה להיות מרתיעה רק אנרגיה תרמית, אבל היא טובה יותר של הגנה פסיבית, כמו גם של חום, כמו גם, כמו גם, כמו גם, כמו גם, פרדיגמה חיה, כמו גם, פשטנית, כמו גם, כמו גם, כמו גם, פרדיגמה חיה, כמו גם, כמו גם, כמו גם, פרדיגמה, כמו גם, כמו גם, פשטנית, כמו גם, פשטנית, כמו גם, פשטנית, כמו גם, כמו גם, כמו גם, פרדיגמה חיה, כמו גם, פשטנית, כמו גם, כמו גם, כמו גם, כמו גם פרדיגמה חיה, חי, חי, כמו גם, פרדיגמה, חי, חי, כמו גם, כמו גם, כמו גם, כמו גם, כמו גם, פרדיגמה, פרדיגמה, פרדיגמה, כמו גם פרדיגמה, פשטנית, פשטנית, כמו