Heat Barrier: Neden Ramjet Malzemeler Madde

Ramjet motorları süpersonik ve hipersonik uçuşun iş arkadaşlarıdır, Mach 2'den iyi bir şekilde çalışır, turbojetlerden farklı olarak, ramjets dönen kompresörler; motorun geri dönüşümlü havalara güvendikleri, hatta nikel temelli süperalloylara güvenirler – bu yüksek çözünürlükte, sert bir ticaret yapan ve daha sonra şarj edici olan bu hızlar için daha iyi olur.

Yüksek Çağ Operasyon Operasyonlarının Temel Zorlukları

Mach 2'nin üzerindeki hızlarda ameliyat, termal, mekanik ve kimyasal streslerin bir kombinasyonunu cezalandırmak için Mach 2 konularını hızlandırıyor. Bu zorlukların anlaşılması, gelişmiş malzemelerin sadece artmakta olan iyileştirmeleri değil, misyon-bilite teknolojilerinin değerlendirilmesi önemlidir.

Aşırı Sıcaklıklar ve Termal Gradients

Motordaki stagnasyon sıcaklığı, Mach numarasının karesiyle yükselir. Mach 4'te, komüye girilen hava sıcaklığı 1000 °C'ye yakın olabilir - kıvılcım fişleri olmadan ısıtılabilir. Kombine, alev sıcaklıkları 2,700 °C'ye ulaşamaz.Bu sıcaklıklar üniforma değildir: önde gelen kenarlar, burun konsülleri ve nozuğurlar en yoğun ısıtmayı deneyimleyebilirler.

Oxidation and Korozyon

Yüksek sıcaklıklarda, havadaki oksijen agresif bir şekilde reaktif hale gelir. "stainless" çelikler hidroksit hızla 1.000 °C'nin üzerinde ısıtılır ve bileşenin yapısal kalınlıklarını azaltır. Komustion gazları daha da karmaşık hale gelir: yanmaz hidrojen, su buharı ve karbondioksit, ve karbon dioksit, hidrokarbon yakıtları yakmak için, )

Mekanik Ve Aerodinamik Yükler

Sıcaklık ötesinde, ramjet bileşenleri yüksek dinamik baskılara (birkaç atmosfere kadar) ve yanmazlık ve aerodinamik büfeden gelen yoğun titreşimlere katılmaktadır.En büyük kenarlar ve burun tıkanıklıkları atmosferine kadar uzanır. Nozzle boğazları, ve ısıtılmasız gazlar içermelidir[Dönderilenler)

Malzeme Yeniliği: Heat-Resistant Kompozitleri ve Alaşımları Yeni Bir Nesil

Bu zorlukların üstesinden gelmek için, araştırmacılar ve mühendisler geleneksel metallerin sınırlarını aşan malzemelere döndüler. Üç ailede en önemli ilerlemeler küme: seramik matris kompozitler, ultra yüksek sıcaklık seramikleri ve gelişmiş rerakter metaller ve alaşımlar. Her biri farklı motor bölgeleri için farklı bir denge sunuyor.

Seramik Matrix Composites (CMC)

CMCs, seramik elyafları bir seramik matrixte yer alan bir birleştirir ve felaket başarısızlığı önlemek için, matrix ısı stabilitesi ve oksidasyon direnci sağlarken, en olgun CMC sistemi kullanım alanlarının sınırları şunlardır:0) ⁇ lik (SiC) fiberler, silikon matrix) sağlar. (SiC/SiC) Bu ağırlık tasarrufu doğrudan yüksek oranda azalır.

CMC'ler, yüksek performanslı jet motorlarında (örneğin, GE'nin LEAP motoru) hızla hızlanan motorlara karşı dirençlerini artırdı ve şimdi de ramjet söndürücüler için uygun hale geliyor.(EBCs)[Döneticileri)[EBCler)[Döneticileri)[EBCler)[Dönersiz susuz sular ve diğer sulardan gelen sular için koruyucu kaplamalar için koruyucu kaplamalar gerekiyor.

Ultra-High Sıcaklık Seramikleri (UHTCs)

En sıcak bölgeler için - yırtık konsül, lider kenarlar ve noz boğazlar - sadece CMC'ler kısadır. Bu, UHTC'lerin domaini: 3000 °C'nin üzerindeki sıcaklıkları zirkonyum diborid (ZrB2) ve hafnium diboride (HfB2), sık sık sık sık sık sık sık sık sık oksidasyon noktasını geliştirmek için silikonun domaini.

NASA ve Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuarı, ZrB2-SiC kompozitlerinin 2,200 °C'nin üzerinde tekrarlanmaları gerektiğini göstermiştir. Yüzeydeki formlar azaltan oksit tabakası - zirconia-silicate ölçek - kendini ifade eden bir ısı kalkanı olarak etkinleştirilebilir.

Rerakter Metaller ve onların Metalleri

Seramikler sıcaklık performansına yol açıyorken, dijital olarak şamin gibi refrakter metaller, molybdenum ve niobium 800 °C üzerinde felakete yol açıyor ve seramiklerden daha kolay bir şekilde kaynaklanabilirler - temel dezavantajları yüksek sıcaklıklarda yıkıcı oksitler çalışır: Tıraşlı oksit buharları ve molybdenum oksitler 800 °C'nin üzerinde felakete yol açar.

Son gelişmeler şunları içerir:0)niobium tabanlı alaşımlar [Dönetici: C-103, Nb-1Zr) yüksek sıcaklık gücü ve kaplamalar ile gelişmiştir.Tevcut araştırmalar daha yüksek erime noktaları sunar, ancak yüksek çözünürlükte metaller için anahtar niştir.[değiştir | kaynağı değiştir]

Sonraki -Generation Kaplamalar ve Yüzey Mühendisliği

Her mülkte tek bir malzeme öne çıkamaz. Böylece kaplama sistemleri, yüzer malzemeden oluşan bir ortamdan oluşur. Gelişmiş termal ve çevresel bariyer kaplamaları (T/EBCs) daha az oksidasyona dayanıklı bir metal veya CMC gibi) daha dayanıklı bir ortamdan elde etmek için bir zemin kaplamaya izin verir.

Başka bir sınır, sert bir metin ve işlevsel olarak derecelendirilmiş malzemeler (FGMs)) ile bir FGM, sıcak yüze yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş bir seramike sahip bir kompozisyona sahiptir. Bu özel malzemeler, her noktada doğru özellikleri tam olarak yerine getirebilir.

Nanomalzemeler ve Kendi - Seramikleri

Araştırma sınırında, iki kavram daha büyük sıçramalara söz veriyor: nanomalzemeler ve kendi kendine özgü seramikler.

Nano-Mühendis Seramikleri

Nanopartiküller (örneğin, karbon nanotüpler, grafiklerene veya nano ölçekli silikon) seramik matrikslere dramatik bir şekilde daha sertliği, termal iletkenliği ve oksidasyon direncini artırmaktadır. Nanoparçacıkların yüksek yüzey alanı, yüksek yüzeysel stabiliteleri azaltımı yapmadan% 40 oranında arttırır ve aynı zamanda Kaliforniya Üniversitesi'nde çatlakları da engeller.

Kendi kendini kınayan Seramikler

Biyolojik sistemler tarafından ilham verici olarak, kendini kınayan seramikler, hasarları dolduran veya daha sonra, yüksek sıcaklık kullanımı için araştırmacılar geliştirdikleri bir polimer veya düşük seviyeli bir cam - bir çatlakları ) ile serbest bırakırlar.SiC parçacıklarının oluşturduğu ve sonra çevreye veya çatlakları doldurduğu, daha sonra da yüksek sıcaklık kullanımı için, elektrofazca seramikler için (biriklikli) bu çatlakları doldururlar.

Test ve Geçerlilik: Lab'dan Uçuşa Kadar

Laboratuardan yeni bir ramjet materyalini operasyonel uçuşa sokmak gerçekçi koşullar altında titiz bir test gerektirir. Simülasyon, hesaplamalı sıvı dinamikleri (CFD) ve sonlu element analizi (FEA) termal ve mekanik yükleri tahmin etmeye yardımcı olur. Ardından, örnekleme sıcaklıkları 2.000 °C'de test edilir.

Geçerlilik, sabit devlet işlemi altında kalan malzeme davranışı anlamaktır:0)transient koşullar). Birçok başarısızlık, motordaki başlangıç veya abort sırasında meydana gelir ve doğrulama modlarının belirlenmesinde hala hızlanabilir.

Future: Hipersonik Havabreathing Engines and Beyond

Ramjet malzemelerindeki gelişmeler doğrudan bir sonraki hipersonik uçağın, füzelerin ve yeniden ulaşılabilen uzay erişim araçlarına izin veriyor.Gruplar ve UHTC'lerin prototiplerine entegre edilmesi hedeftir.The Nihat Airbreath Weapon Concept (HAWC)[Dönemli bir motor (TBCC)[D) ve bir turbojetden 5-180-göprü için geçiş yapan bir motordur.

Uzay erişimi için, 180.2. gibi yeni kavramlar:0)Synergistic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE)) her iki havayı ve roket modlarını ele geçirebilecek materyaller gerektirir. SABRE'nin ön soğutmak için 1000 °C ısınmalıdır.

Uzun süreli araştırmalar, sİLRAD:0) Karbon-karbon kompozitleri[Dönergeler 1) (Royop nozullarında kullanılan) ancak bir UHTC'nin önde gelen kenarlarından geçiş yapan yüksek çözünürlükte, CMCT:3) standart hale gelir (MoSi2, NbSi2).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Ramjet teknolojisindeki malzeme devrimi akademik bir egzersiz değildir; daha fazla çalışmaya devam eden seramikler, endüstriyel ölçümler ve üretim ölçeklendirme, ramjet motorları yakında 5 ve üstü yüksek hızlı seyahat, savunma ve uzay araştırmaları için yüksek fiyatlara sahip olacak.

[0] Daha fazla okuma için Dış kaynaklar:

  • NASA'nın seramik matris kompozitleri genel bakışı: 0:0)https://www.nasa.gov/centers/glen/teknoloji/korticess.html).
  • AFRL ultra yüksek sıcaklık seramikleri üzerinde araştırma:0)https://www.afrl.af.mil/Hak/Fact-Sheets/Madde/2219269/ultra-yüksek sıcaklık-ceramics/).
  • Rerakter yüksek-kanrop alaşımlarının kapsamlı bir incelemesi: 03.Örnek:0)https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646218303779).
  • hipersonik propulsion için onaylı materyaller (NATO raporu): [[Dönetici:0)https://www.sto.nato.int/STOstudies/STO-AVT-287-01.pdf).