Propulsion Systems'de Nanoteknolojiyi Anlamak

Nanoteknoloji, atom ve moleküler ölçekdeki önemliliğin manipülasyonu (özellikle 100 nanometrenin altında), nano ölçekli meslektaşlarına kıyasla radikal farklı özelliklerin yaratılmasına olanak sağlar. Propulsion mühendisliğinde, bu, mühendislere aynı anda daha güçlü, daha hafif, daha fazla ısıya dayanıklı olan bileşenlere dönüştürür.

Nanomalzemelerin Özellikleri Iyit

Nanoyapılan temel özellikler, sertlik ve korozyon direnci içerir. Örneğin, karbon nanotüpleri (CNTs) bir altıda çeliklerin ağırlığının 100 katına kadar güçlü bir şekilde boyanabilir. Nanokristal metaller ve seramikler ek olarak, nanoyapılı termal bariyer kaplamaları, türküme bıçakları ve yanma odaları için temel sıcaklıklara dayanabiliyor.

Karbon Nanotüpler ve Nanokompositler Motor Bileşenleri

Karbon nanotüpler polimer, metal veya seramik matriksleri nanokompositler oluşturmak için giderek daha fazla entegre edilir.Bu malzemeler fan bıçaklarında, kompresör disklerinde ve nozul lineerlerde kullanılır.Sadece 1-5% CNTs ağırlık ile ağırlık, genel yoğunluğu azaltırken bir kompozitin de katılığını ikiye katlayabilir. Silikon nano-whiskerleri aynı zamanda seramik matrisleri güçlendirmek için de kullanılır (CMC)

Enhancing Propulsion

Türbin Blades ve Termal Engel Kaplamalar

Türbin bıçakları herhangi bir motor bileşeninin en sert ortamında çalışır - 100 nm altında yüksek oranda yüksek oranda yüksek oranda iletkenliklere ve oksit gazları. Nanoyapılı termal bariyer kaplamaları (TBCs) yttria-stabilized zirconia (YSZ) geleneksel kaplamalara göre% 30'a kadar ısı iletkenliği azaltmış, bu motorların sıcak ve daha verimli bir şekilde çalışmasını sağlar.

Nanocatalysts aracılığıyla Combustion Chamber Verimliliği

Komustion verimliliğini doğrudan belirli yakıt tüketimi ve emisyonları etkiler. Nanocatalysts - Platyum, palladium veya cerium oksit nano ölçekli - yakıtta dağıtılır veya kaplama olarak daha düşük sıcaklıklarda daha fazla tam yanmayı teşvik ederler, soot formasyon ve yanmamış hidrokarbonlar. Örneğin, cerium oksit nanopartiküller oksijen tamponları olarak oksijeni oksitlere dağıtırlar, yüksek sıcaklıklarda oksitli karbon yataklarına kadar serbest bırakırlar.Bu teknoloji zaten test edilir.

Hafif Yapısal Bileşenler

Bir motorun genel ağırlığını azaltmak, itkiye ağırlık oranını arttırır ve yakıt yakmasını azaltır. Nanocomposite malzemeleri, çok duvarlı karbon nanotüpleri ile takviye edilen, fan gövdelerinde kullanılır ve iyonları atlar.Bu bileşenler% 20-30 kilo tasarruf sağlarken, etki direncini korur. Ek olarak, nano-aluminum parçacıkları, sağlam roket yakıt katkılarını yakmak için sağlam roket pervaneler olarak kullanılır.

Özel Propulsion Tiplerinde Uygulamaları

Uçak Jet Motors

Ticari turbofanlar ve askeri turbojetler, kompresör ve türkatörler üzerindeki nanoküreler de sürtünmeyi ve erozyonu azaltır, bu da aerodinamik verimliliği artırır. Rolls-Royce, bir motorun hayatına izin veren belirli yakıt tüketiminde 5-10% azaltılabilir kaplamalar elde etti.

Rocket Propulsion

Rocket motorları, yüksek termal gradients, yüksek basınçlar ve korrosive egzozları sağlayan malzemeler talep eder (örneğin, TD- veya molybdenum- bazlı) geleneksel metallerin yumuşatacağı veya ürpertici bakır kanallarından daha yüksek termal iletkenliği sağlayan daha verimli ısı transferlerine izin verir.

Hipersonik Propulsion

Hipersonik araçlar (Mach 5+) süper aerodinamik ısıtma ve oksidasyon ile nano-silica katkı maddeleri gibi nano-silica katkılarla karbon-karbonatları, 2 °C'yi aşan yüksek sıcaklık seramikleri için aşırı derecede yakıt gerektirir; nano-yapıtlı hızlı karıştırıp ateşlemeye yardımcı olur.

Mevcut Yenilikler ve Araştırma

NASA ve DOD Girişimi

NASA'nın Oyun Değişen Geliştirme programı nanoyapılı termal koruma sistemleri ve hafif kompozit tanklar üzerinde projeler içerir. ABD Deniz Araştırmaları Ofisi aracılığıyla, nano-sensorları gerçek zamanlı olarak çatlakları izlemek ve tespit etmek için araştırıyor.Bu kendi teşhis sistemleri öngörülebilir bakım ve güvenliği artırabilir.

Endüstri Geliştirmeleri

Pratt & Whitney nano-faylı nikel tabanlı süperalloyları dişli turbofan motorlarında türetmiş, bu alaşımlar düşük tahıl yapıları sunar, ürpertici ve yorgunluk yaşamı geliştirmek. Safran ve MTU Aero Motorları, yüksek basınçlı türbin vanes için nanoyapılı oksit dağılımı üzerinde işbirliği yaptı.

Meydanlar ve düşünceler

İmalat Scalability

Endüstriyel hacimlerdeki nanomalzemelerin tutarlı bir kalite ile azaltılması bir engel olmaya devam ediyor. CNTs için mevcut toplu işlemler değişken chirality ve uzun dağıtımlar, kompozit özellikleri etkileyen. Sürekli sentez yöntemleri, yüzen katalizör kimyasal buhar kesintisi gibi, yılda birkaç ton üretim oranları elde etmek için rafine ediliyor, ancak ölçeklendirme maliyetleri hala yüksek.

Maliyet Implikasyons

Nanomalzemeli bileşenler geleneksel meslektaşlarından önemli ölçüde daha pahalı olabilir. Örneğin, nanocomposite fan bıçağı, başlangıçta kumaşa 10–15 kat daha pahalıya mal olabilir. Ancak, yaşam döngüsü analizleri, tasarrufların daha düşük yakıt tüketiminden, daha düşük bakımdan ve daha uzun hizmet ömründen tasarrufların, 10-20 yıl boyunca primi dengeyi dengelemek için ağır yatırım yapabileceğini gösteriyor.

Sağlık ve Çevre Riskleri

Mühendisli nanopartiküller, üretim, işleme veya son yaşam geri dönüşümü sırasında serbest bırakılan zararları ortaya çıkarabilir. Araştırmalar, bazı karbon nanotüplerinin hayvan modellerinde pulmoner inflamasyonu neden olabileceğini göstermiştir, örneğin CNTs ve diğer nano ölçekli malzemeler için maruz kalma sınırları da raporlanmıştır.

Future Prospects

Önümüzdeki on yıl, nano-fotojmanların entegrasyonunu görecek - geleneksel olarak atılması imkansız olan karmaşık iç soğutma geometrilerinin üretimine izin verecek.Bilgeli modelleme, nano-fotoz özellikleri ile nano-fotozitif özellikleri, aktif termal kontrolü mümkün olabilir.Pozisyon üretimindeki ilerlemeler (D baskı) nano-ölçekmesel olarak, karmaşık iç soğutma geometrilerinin üretimine izin verecek.

Nanoteknoloji bir çözüm değil, ancak yakıt yakması durumunda, bir sonraki motor kuşağını kullanacak ve gelecekteki propulsion sistemleri için laboratuvardan yola çıkarak, üretim teknolojisi, güvenlik araştırma ve endüstri standartlarında devam eden bir araçtır.