מהפכת החומרים מאחורי טיסה חשמלית

דחיפה לעבר הובלת מטוסים חשמליים מייצגת את אחת ההמרות המשמעותיות ביותר בהנדסת אווירופייס מאז גיל סילון. על ידי החלפת או השלמת מנועי טורבינות גז מסורתיים עם מנועים חשמליים המופעלים על ידי סוללות, תאי דלק או מערכות היברידיות, התעשייה שואפת להפחית פליטות פחמן, טביעות רגל נמוכות יותר, ולפתוח אפשרויות חדשות עבור ניידות אווירית עירונית.

מערכות הנעה חשמלית לייצר חום בשיעורים מאתגרים אפילו את העיצובים הטובים ביותר של קירור מוטורס, מגנטים קבועים, חשמל אלקטרוניקה, ותאים סוללה כולם מייצרים עומסים תרמיים משמעותיים.ללא חומרים שיכולים לשמור על כוח, להתנגד חמצון, ולנהל חום ביעילות בטמפרטורות גבוהות, הבטיחות וביצועים של מטוסים חשמליים יהיה מוגבל מאוד.

מה זה Superalloys? A Deeper Look

Superalloys הם סוג של סגסוגת מתכתית ביצועים גבוהים המבוססת בעיקר על ניקל, cobalt, או ברזל-ניקל. הם נועדו לפעול בטמפרטורות מעל 540 מעלות צלזיוס (1000 ° F) תוך שמירה על יציבות מכנית, התנגדות לזחול, וגוון מעולה והתנגדות חמצון ( ⁇ ) שלהם מיקרו-מנקה הוא מהנדס בקפידה באמצעות אלמנטים כגון כרום, אלומיניום, טיטניום, טיטניום, בעיקר אלמנטים של ⁇ -מדומים, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

התפתחותם של superalloys החלה בשנות ה-40, מונע על ידי הצרכים של מנועי טורבוג'ט. במשך עשרות שנים, יצירות התפתחו לדחוף את גבולות יכולת הטמפרטורה ואת עמידות.היום, superalloys משמשים נרחב ב להבים טורבינות גז, דיסקים, קובוסים, ורכיבים ממצה.

תפקיד Superalloys ב- Electric מטוסים Propulsion

מערכות הנעה של מטוסים חשמליים שונות ביסודן ממנועי הבעירה המסורתיים, אך הן חולקות את הצורך בחומרים שיכולים לשאת סביבות קשות.התתת הסעיף הבאה מפרטת את המרכיבים הספציפיים שבהם Superalloys הם קריטיים.

קומפלקסים: דירות, רוטורים ו Stators

המנוע החשמלי הוא הלב של מערכת הנעה חשמלית.הוא ממיר אנרגיה חשמלית לתוך דחף מכני באמצעות אינטראקציה אלקטרומגנטית בין הממריץ ומסתובב. במהלך פעולה בעוצמה גבוהה, הפסדים התנגדות (I2R חימום) ברוח נחושת ושרוולים הנוכחיים של השרוולים הנוכחים בליבת הברזל מייצרים חום משמעותי.הרקטור, ב -10,000 מהפכות לדקה, חוויות צנטריפוגות הדורשות לחץ גבוה על פני השטח, במיוחד מחוזקות גבוהות של לחץ כבדות מגנטיות גבוהות יותר, תוך שמירה על פני השטח, תוך שמירה על פני חום גבוהה על פני השטח.

מערכות קירור עבור סוללות וכוח אלקטרוניקה

סוללות ואלקטרוניקה כוח הם בין הרכיבים הרגישים ביותר חום במטוס חשמלי. ליתיום-יון תאים לפעול בצורה הטובה ביותר בתוך חלון טמפרטורה צר; מעל טווח זה יכול להוביל להזדקנות מואצת, אובדן יכולת, או ריצה תרמית באופן דומה, סיליקון carbide (SiC) או גליום ניטר (GaN) לייצר חום מקומי אינטנסיבי כי יש להסיר ביעילות את Superalloys הם בשימוש מחסנים נוזלי, אפילו נוזל קירור ישיר.

Power Electronics Enclosures ו- Bus Bars

מודולים אלקטרוניקה Power - כולל מופנים, ממירים, ובקרים מוטוריים - אזורים מהירים המספקים בידוד חשמלי, מגן מגנטי וניהול תרמי. דיור Superalloy מציעים התנגדות חשמלית נמוכה, אשר מסייע למזער הפסדים parasitic בברים באוטובוסים עתירי אוטובוס גבוה ומחברים.הם גם מציגים טמפרטורות תרמיות נמוכות, צמצום הלחץ מכני על חבילות מוליכים למחצה במהלך רכיבה תרמילית.

אלמנטים סטרקטיאליים תחת עומסים גבוהים

מטוסים חשמליים, במיוחד אלה המיועדים לנטילת אנכית ונחתה (eVTOL), יש ניבים קומפקטיים ומנועים ממונעים כנפיים המרכזים מקורות חום. רכיבי סטרקטיוטל כגון הרים מנועים, מסגרות דחף, וקשתות חומת אש חייבים לשמור על כוחם אפילו כאשר חשופים לקרינה נוקשה או מאומצת מפני חומרים סמוכים ומסובבים.

היתרונות של שימוש Superalloys בחשמל

היתרונות של superalloys במטוסים חשמליים אינם רק מצטברים - הם מאפשרים גישות עיצוב כי יהיה בלתי אפשרי עם חומרים קונבנציונליים.הרשימה הבאה מרחיבה על היתרונות המרכזיים שהוזכרו בסקירה המקורית, מתן עומק טכני.

  • (FLT:0) High Weather Resistance:FLT:1 סופרלווי שומר חלק גדול של כוח הטמפרטורות שלהם עד 800 מעלות צלזיוס ומעבר לכך, זה מאפשר מנועים חשמליים לפעול בתנודות גבוהות יותר הנוכחי ללא לחץ תרמי, הגדלת יחסי כוח למשקל.מנועי טורבינות גז יש לדחוף באופן היסטורי על גבי נקודות ההיתוך שלהם; עבור מטוסים חשמליים, הטמפרטורות חשמליות, הם עדיין בטווח נמוך יותר של אלומיניום.
  • (FLT:0Corrosion ו-Oxidation Resistance:BuildFLT:1) היווצרות של תחמוצת כרום מגן או סולם אלומיניום על פני השטח העל-על-ידי העל-פני השטח מונע השפלה בשומן, מלוח או סביבות גבוהות-אוקסגן.זה חשוב במיוחד עבור מטוסים הפועלים בסמוך לאזורי החוף או בתנאים שבהם ניתן להתרחש בערוצי קירור.
  • (FLT:0) כוח מכני בטמפרטורות אלבונדות: ⁇ FLT 1:1 Creep Resistance - היכולת להתנגד לעיוות הדרגתי תחת לחץ קבוע - היא סימן ההיכר של superalloys. במנועי חשמל רוטטורים, השילוב של מהירות סיבוב גבוהה והתרחבות תרמית יוצרת מצבים מורכבים. Superalloys לשמור על כוח התשואות שלהם ועייפות, להבטיח תפעול בטוח על פני אלפי מחזורי טיסה.
  • (FLT:0Weight Efficiency Through Design Freedom:BuildFLT:1) בעוד Superalloys הם צפופים יותר מאלומיניום או מסובכים, הכוח העליון שלהם מאפשר חלקים מחצוצים ונפח חומרי מופחת יכול להשתמש אופטימיזציה טופולוגיים כדי ליצור מבני LITS או דיור דק ורענן במשקל אשר שוקל פחות ממרכיבים גדולים יותר עשויים מחומרים חלשים יותר.
  • (FLT:0) Thermal Conducting:FearLT:1 ; חלק מן העלולים, במיוחד פורמולות ברזל ניקל, מציעים חסכוניים התרחבות תרמיים כי תואם מקרוב תת-קרקעיים קרמיקה או מכשירי סיליקון carbide.זה מקטין את הלחץ התרמית במודול חשמל ולהגדיל את האמינות במהלך שינויים מהירים בטמפרטורה.

אתגרים ומגבלות של אינטגרציה Superalloy

למרות המאפיינים המרשימה שלהם, Superalloys מציג כמה מכשולים שיש להתגבר עליהם לאימוץ נרחב במטוסי חשמל. אתגרים אלה הם תחומי מחקר ופיתוח פעילים.

עלויות וזמינות חומרי גלם

Superalloys מכילים כמויות משמעותיות של אלמנטים רגישים יקר וגיאופוליטי כגון ניקל, cobalt, tungsten, ו rhenium. Cobalt, למשל, הוא כפוף לסימני שרשרת האספקה בשל ריכוז שלה ברפובליקה הדמוקרטית של קונגו.העלות של רכיבי Superalloy יכול להיות 10 עד 100 פעמים כי של אלומיניום או חלקי פלדה. עבור יצרני מטוסים חשמליים שכבר עומדים בפני עלויות סוללות גבוהות, תוספת של עלויות אספקה אלה חייב להיות מושפעת חומרים מורכבים.

ייצור המורכבות

Superalloys הם קשה מכונה, להטיל, להצטרף.הקשות הגבוהה שלהם ואת שיעורי הפחתת העבודה להאיץ את כלי ללבוש ודורש כלים מיוחדים חיתוך (למשל, קרמיקה או מעוקבת נוסטלד) ליהוק, השיטה המסורתית עבור להבים טורבינות, הוא הון-רגיש ויש לו זמן רב להוביל.

הצטרף לחומרים דיסימיים

מערכות מטוסים חשמליות משלבות לעתים קרובות Superalloys עם חומרים אחרים כגון רוחות נחושת, כיור חום אלומיניום, לוחות מעגלים קרמיקה, וחברים מבניים מורכבים.ההתרחבות התרמית תואמת בין superalloy ניקל (coefficient -12-15 μm / mK) ואלומיניום (- 23 μm / mK) יכול לגרום כישלונות משותפים תחת רכיבה תרמי.

עונש משקל באזורים שאינם חמים

בחלקים של מערכת ההנעה החשמלית שאינה חווה טמפרטורות גבוהות (למשל, מחסניות סוללות, ירידות), צפיפות של superalloys (8.0-9.2 g/cm3) היא החיסרון בהשוואה לאלומיניום (2.7 גרם / סנטימטר 3) או פחמן-Fiber מרוקנים (1.6 גרם / סנטימטר 3) מעצבים חייב להגביל בזהירות את השימוש העל-סגולי רק לאזורים שבהם הטמפרטורה או כוח לא ניתן לשלב פגזים מורכבים.

השוואה עם חומרים חלופיים

Superalloys הם לא החומרים היחידים נחקרים עבור הנעה חשמלית.מהנדסים לעתים קרובות לשקול חלופות הבאות, כל אחד עם עצירות מסחר:

אלומיניום טמפרטורי גבוה Alloys

⁇ אלומיניום כגון 2219 או 6061 ניתן להשתמש עד 200 מעלות צלזיוס עם כוח מספיק. הם הרבה יותר קל ופחות יקר מאשר Superalloys. עם זאת, אובדן מהיר של כוח מעל 200 מעלות צלזיוס, התרחבות תרמית גבוהה יותר, רגישים לcorrosion בלולאות קירור להגביל את השימוש שלהם כדי כוח נמוך, מנועים קטנים יותר.

טיטניום Alloys

טיטניום מציע יחס חיובי משקל והתנגדות קורוזיה, עם טמפרטורות שירות אופייני עד 400 מעלות C עבור ⁇ s כמו Ti-6Al-4V. ליד-alpha titanium ⁇ s יכול להגיע 550 מעלות צלזיוס מתחת לטמפרטורות אלה, טיטניום הוא לעתים קרובות מועדף על פני רמות סופרוליות עבור חיסכון במשקל.

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

CMCs כגון סיליקון carbide התחזק עם סיבים סיליקון carbide (SiC / SiC) יכול לפעול מעל 1200 מעלות צלזיוס עם צפיפות נמוכה (2.5 g / ס"מ3). הם מציעים יציבות תרמית יוצאת דופן והתנגדות חמצון. עם זאת, הם יקרים מאוד, קשה להצטרף, ויש להם קשיחות נמוכה יותר.

פחמן-Fiber Composites

עבור חלקים מבניים שאינם חשופים לטמפרטורות גבוהות (below 150 מעלות צלזיוס), מרוכבים פחמן-פיבר אינם מתחרים ביעילות משקל ונוקשות.הם משמשים באופן נרחב במסגרות אוויריות וכמה דיור מוטורי.אבל מוליכות תרמית נמוכה שלהם וחוסר יכולת לפעול מעל 200 מעלות צלזיוס למנוע את השימוש שלהם באזורים חמים. Composites סובלים גם ממיקרו-cracking תחת רכיבה תרמיים וקשה לבדוק נזק פנימי.

פיתוח עתידי בטכנולוגיית Superalloy עבור תעופה חשמלית

העשור הבא יביא להתקדמות משמעותית בהרכב העל-פוי, עיבוד ושילוב. מגמות מספריות רלוונטיות במיוחד למניעה של מטוסים חשמליים.

ייצור תוספת של Superalloys

אבקת לייזר אבקת היתוך ופירוק אנרגיה מכוונת הם מעודן לייצר חלקים סופרווי עם מבנים דגנים מבוקרים ו porosity מינימלית.טכניקות אלה מאפשרות תכונות עיצוב כגון ערוצי קירור פנימיים, מעברים קרירים, ו חיזוקים לקטייה שמשפרים את העברת החום תוך צמצום משקל. עבור מטוס חשמלי, ייצור תוספת יכול לייצר דיור מוטורי מונות המשלבים מעילים קירור, חרק, וחשמלים, הם ספירת 72 תהליכים כמו סגסוגת של נאס"א.

להקות Alloy חדשות עם הקטנת Cobalt

כדי לטפל שרשרת האספקה ודאגות עלות, מפתחי ⁇ יוצרים ניסוחים אשר להפחית או לחסל את cobalt ללא הקרבה של כוח עתירי גבוה. Cobalt-free ניקל-iron superalloys, כגון החדש שפותחה ABD-8סגסוגת, להשתמש מנגנונים חלופיים המבוססים על פיזור gamma-prime ו carbide. ⁇ אלה נבדקים עבור טמפרטורות מוטוריות חשמליות שבו להישאר מתחת 700 מעלות צלזיוס מציע יותר אפשרויות בר קיימא.

Ultra-High-Tempera Coatings for Superalloys

ציפויי מחסום תרמי (TBCs) בשימוש מסורתי על להבים טורבינות גז הם מותאם עבור רכיבים הנעה חשמלית. Ytria-stabilized zirconia (YSZ) או ציפוי gadolinium zirconate מוחל על ידי תרסיס פלזמה יכול להפחית את הטמפרטורה של superalloy הבסיסית על ידי 100-200C. זה מאפשר שימוש של עלויות נמוכות יותר של דיור על ידי ציפויים חשמליים בעוד שמירה על ציפויים חשמליים כגון חשמל מחשמלים חשמליים.

טכניקות שיתוף פעולה ו-Beling

כדי להתגבר על האתגר של הצטרפות superalloys נחושת ואלומיניום, ⁇ מצופים חדשים ותהליכי האגרה שלב transient נוזל שלב האג'ינג פותחים.לדוגמה, ניקל זרחן braze preforms הוכח לייצר מפרקים חזקים, נמוך עמידים בין ברים אוטובוס סופרולי ומחברים נחושת.בנוסף, חיזה מתכת פעיל מאפשר הצטרפות ישירה של superoyalls לקרמיקה, המאפשרת שילוב כוח מתקדם ולהגדיל את המודולים חשמליים מלאים.

מסקנה: Superalloys as Enablers of a Sustainable Aviation Future

הפיתוח של הנעה של מטוסים חשמליים אינו רק על כימיה סוללות או עיצוב מוטורי - זה תלוי באותה מידה על החומרים שהופכים את המערכות האלה, אמין ויעיל. Superalloys לספק את המעטפה הנדרשת עבור החלקים החמים של מחצני חשמל, ממנועי מסתובבים במהירויות קיצוניות כדי קירור מאניפלים חשופים לנוזלים אגרסיביים.

בעוד אתגרים נשארים בעלות, מניפולציה, אופטימיזציה משקל, מחקר מתמשך בייצור תוספים, סגסוגת דלת-קוטב, וציפוי מתקדמים מבטיחים להפוך superalloys אפילו יותר נגיש ויעיל.עתיד של תעופה חשמלית יהיה בנוי עם לוח של חומרים - אקסוטים עבור קווי חשמל, אלומיניום עבור מבנים דלת-זמניים, ו Superoys שבו החום הגדול ביותר עבור אלה, ללא ספק, כלי תחבורה אזורית גדול יותר, כמו גם כן, כמו גם חומרים ניסיוניים קטנים יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם חומרים ניסיוניים גדולים יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם של כלי רכב אזוריים גדולים יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם של כלי רכב קטן יותר, כמו גם כן, כמו גם של מטוסים קטנים יותר, כמו גם של כלי רכב גדול יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם מתקני תחזוקה מרחוק, כמו גם כן, כמו גם מתקני תחזוקה, כמו גם מתקני תחזוקה, כמו גם מתקני תחזוקה, כמו גם של מטוסים קטנים של מטוסים קטנים יותר, כמו גם של כלי תחבורה גבוהה יותר של מטוסים קטנים יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם

(בקריאה נוספת, עיין ב-FLT:0) NASAA Aeronautics Research Mission DirectorateFreave:1 עבור האחרון על בדיקות הנעה חשמלית, ולחקור מאמרים טכניים מן ה-FLT:2Minerals, Metals & Materials Society (TMS)FLT:3 על פיתוח סופר-סוי.