Розуміння нанотехнологій в системах пропульсії

Нанотехнології маніпуляція речовини на атомній і молекулярній шкалі (типово нижче 100 нанометрів), дозволяє створювати матеріали з радикально різними властивостями у порівнянні з їх сипучих аналогів. При пропульсній інженерії це перекладається на компоненти, які одночасно сильні, світліші, більш жарості, і більш міцні. Принцип принципу лежить в співвідношенні високої поверхні і квантових ефектів, які виникають на на нанорозмірі, що дозволяє інженерам адаптувати механічну, термальну, хімічну поведінку з небаченою точністю.

Властивості наноматеріалів Критика до пропуляції

Ключові властивості, що посилені наноструктуруванням, включають міцність на розрив, теплопровідність та корозійну стійкість. Наприклад, вуглецеві нанотрубки (CNTs) виявляє міцність на розрив до 100 разів, що сталь при однотонному масі. Нанокристалічні метали та кераміка показують поліпшену жорсткість і стійкість до втомлення тріщин. Крім того, наноструктуровані теплові бар'єри можуть витримати температури, що перевищує 1,500 ° C, незамінні для турбінних лопаток і камер згоряння.

Нанотрубки вуглецю та нанокомпозити в компонентах двигуна

Нанотрубки вуглецю все частіше інтегровані в полімер, метал або керамічні матриці для формування нанокомпозитів. Ці матеріали використовуються в кленових лезах, компресорних дисках, і насадках. Крім всього 1–5% CNT за вагою може подвоювати жорсткість композиту при зменшенні загальної щільності. Нано-вихісках кремнію також використовуються для посилення керамічних матриць (CMCs), які вже замінюють надлегої в високотемпературних ділянках сучасних струменевих двигунів.

Підвищення продуктивності компонентів прототипу

Колеса турбіни та термобар'єрні покриття

Леза турбіни працюють в суворому середовищі будь-якої мото компонента двигуна - схильні до високих відцентрових навантажень, екстремальних температур і окислювальних газів. Наноструктуровані теплові бар'єрні покриття (ТБК) виготовлені з гітри-стабілізованої цирконію (ЮСЗ) з розмірами зерна нижче 100 нм, зменшують теплопровідність до 30% порівняно з традиційними покриттямами. Це дозволяє двигунам працювати більш ефективно, покращуючи економію палива і триплекс. Дослідники NASA розробили нано-TBCs, які можуть витримати теплову велосипед краще, ніж традиційні покриття, сотні леза, сот, сот, ширюючи життя.

Ефективність камери при перевезенні нанокаталізів

Ефективність згортання безпосередньо впливає на специфічне споживання палива та викиди. Нанокаталісти — частки платини, паладію, або оксиду шийки матки на нанорозмірі — можуть бути розсіяні в паливі або наноситися як покриття до поверхонь згоряння. Вони сприяють більш повного згоряння при низьких температурах, зниженні утворення кіптяви та незгортання вуглеводнів. Наприклад, наночастинки шийки матки виступають як кисневі бюветери, що випускають киснем при високих температурах до окислення вуглецевих родовищ. Ця технологія вже проходить перевірку в GE Aviation

Легкий структурний компоненти

Зменшення загальної маси двигуна покращує співвідношення тяги і зменшує опік палива. Нанокомпозитні матеріали, такі як епоксидні, армовані багатошаровими вуглецевими нанотрубками, використовуються в вентиляторних обсадах і проходових протоках. Ці компоненти досягають 20–30% економії ваги над алюмінієвими сплавами при підтримці ударостійкості. Крім того, нано-алюмінієві частинки використовуються як паливні добавки в твердих ракетних пропелющах, щоб збільшити рівень опіку і щільність енергії.

Застосування в спеціальних типах пропуляції

Літак реактивні двигуни

У комерційних турбофахах і військових турбоджах нанооочищається від компресорних і турбінних лезах, зменшують тертя і ерозію, підвищуючи аеродинамічну ефективність. Rolls-Royce запатентувала наноструктуровані абрадовані покриття, що дозволяють більш щільно зазори, мінімізуючи втрати витоку. Наноструктуровані ущільнення і підшипники також сприяють зниженню інтервалів технічного обслуговування і підвищеної надійності. Культивований ефект цих поліпшень може бути 5–10% зниженням специфічного споживання палива над життям двигуна.

Профілактика рокету

Двигуни ракети вимагають матеріалів, які виживають екстремальні термоградієнти, високі тиски, і корозійні вихлопні. Наноструктуровані вогнетривкі сплави (наприклад, вольфраму або молібдену) зберігають міцність при температурі, де звичайні метали будуть пом'якшувати або creep. Регенеративно охолоджені соплі вигідні від нанокристалічних мідних каналів, які забезпечують більш високу теплопровідність, що дозволяє більш ефективні тепловіддачі від насадкової стінки до палива. Космічні агентства люблять ESA[

Гіперсональна пропульсія

Гіперсональні транспортні засоби (Mach 5+) стикаються з екстремальним аеродинамічним опаленням та окисленням. Нанокомпозити, такі як вуглецево-карбоновий з нано-силічними добавками, можуть вижити ре-ентри температури, що перевищує 2,000°C. Скрам'єн-дисплеї вимагають введення палива на надзвукових швидкостях; наноструктуровані каталізатори допомагають досягти швидкого змішування та запалювання. Агентство з розширених дослідницьких проектів оборони (DARPA) має фінансувати проекти з використанням нанотрубків нутріду в якості наповнювача в надвисоких температурах для гіперсонних провідних країв та інлетних рампи.

Сучасні інновації та дослідження

Ініціативи НАСА та ДОД

Програма розвитку ігор НАСА включає проекти на наноструктурованих системах захисту тепла та легких композитних резервуарах. У відділі оборони США через Офіс Військово-морських досліджень слідчі нано-сенсори, вбудовані в компоненти пропульских для моніторингу зносу та виявлення тріщин в реальному часі. Ці системи самодіагностування можуть дозволити прогнозувати технічне обслуговування та підвищити безпеку.

Промислові розробки

Pratt & Whitney тестує нанофазні суперлегії на основі нікель для турбінних дисків в її шестерні турбофранових двигунах. Ці сплави експонують дрібні зернові конструкції, покращують стійкість до рівень і втома життя. Safran і MTU Aero Engines співпрацювали на наноструктурованих оксидної дисперсія посилені (ODS) сплави для високопресорних турбінних фургонів. Тим часом стартап-компанії розвиваються масштабні методи виробництва для CNTs і графена, спрямовані на залучення витрат на пер-кілограм нижче $50, ключовий порог для загального аерокосмічного прийняття.

Виклики та рекомендації

Виготовлення кальмарів

Виготовлені наноматеріали в промислових обсягах з послідовною якістю залишаються черга. Поточні партії процесів для CNTs врожайності змінної хіраліти і розподілу довжини, що впливають на композитні властивості. Безперервні методи синтезу, такі як плаваючі каталізатор хімічна пара-положення, рафіновані для досягнення виробничих ставок декількох тонн на рік, але витрати масштабу все ще високі.

Заявки на оплату

Наноматеріально-знімні компоненти можуть бути значно дорожче, ніж звичайні аналоги. Наприклад, нанокомпозитний вентилятор може коштувати 10–15 разів більше, щоб спочатку погоджувати. Однак, аналіз витрат на життєвий цикл показує, що економія від споживання палива, зниження технічного обслуговування і більш тривалий термін служби може згасити премію за 10-20 рік часовий кадр. Аерокосмічні прамівки вкладають значно, щоб зменшити ці витрати через автоматику та оптимізації процесу.

Ризики охорони здоров'я та довкілля

Інженерні наночастинки можуть запускати інгаляційні небезпеки, якщо випускаються при виробництві, механізації або ендоферментно-витратній переробці. Дослідження показали, що певні вуглецеві нанотрубки можуть викликати запалення легенів у тваринних моделях, аналогічних до абесто-волокнах. Рогоностичні протоколи безпеки — закривні роботи, фільтрації та особистого захисного обладнання — обов'язково в обробці об'єктів. Національний інститут охорони праці та здоров'я (NIOSH)] опублікував рекомендовані обмеження впливу на CNTs та інші нанорозмірні матеріали.

Перспективи майбутнього

Наступного десятиліття, ймовірно, буде бачити інтеграцію багатофункціональних наноматеріалів — зв'язування сенсування, термічного управління та структурної арматури в єдиний компонент. Мета-матеріали з розробленими нано-фотонними властивостями можуть увімкнути активний термоконтроль. Попереджає в добавці виробництво (3D-друк) на нано-масштабному виробництві дозволить виробляти комплексні внутрішні геометології охолодження, які неможливо відлити звичайно. Як обчислювальна модель покращує, інженери зможуть прогнозувати наноматеріал поведінки при реалістичних умовах двигуна, акселективна сертифікація.

Нанотехнології не є автономним рішенням, але доповнюється інструментами, які, коли поєднуються з досягненнями в пропульсній термодинамікі та матеріалах науки, приводять до наступного покоління двигунів. Шлях від лабораторії до операційного двигуна вимагає сталого інвестування в технології виробництва, дослідження безпеки та галузеві стандарти. Однак потенціал окупності -20–30% скорочення палива, купання компонентів термінів, і забезпечення гіперсонічного польоту—зробити нанотехнології незамінною частиною майбутньої пропульсійної системи.