Gốm sứ tiên tiến và vật liệu tổng hợp ma trận gốm (CMC) đóng một vai trò quan trọng trong việc cho phép các phương tiện bay siêu thanh và tái nhập bằng cách giải quyết các thách thức cơ học và nhiệt cực cao gặp phải ở tốc độ vượt quá Mach 5.

Khái niệm đằng sau chuyến bay siêu thanh và tái nhập

Các phương tiện siêu thanh phải đối mặt với sự nóng lên khí động học mạnh mẽ do chuyển đổi động năng thành nhiệt khi chúng di chuyển trong khí quyển với tốc độ lớn hơn năm lần tốc độ âm thanh. Điều này tạo ra tải trọng nhiệt cực cao, đặc biệt là trên các cạnh trước và bề mặt điều khiển sắc nhọn, rất cần thiết cho khả năng cơ động nhưng phải chịu nhiệt độ nghiêm trọng và ứng suất cơ học19.

Không giống như các phương tiện tái nhập cùn truyền thống sử dụng lực cản để đẩy sóng xung kích ra khỏi bề mặt, các phương tiện siêu thanh yêu cầu thiết kế mảnh mai, sắc bén để giảm lực cản và duy trì chuyến bay ổn định. Tuy nhiên, những cạnh sắc nhọn này làm tăng tốc độ gia nhiệt, đòi hỏi các vật liệu có thể chịu được nhiệt độ cao và môi trường oxy hóa mà không bị cắt bỏ hoặc xuống cấp đáng kể9.

Gốm sứ và vật liệu tổng hợp tiên tiến trong bảo vệ nhiệt

Vật liệu tổng hợp ma trận gốm (CMC)

CMC, đặc biệt là những CMC được gia cố bằng sợi carbon, cung cấp khả năng chống sốc nhiệt và độ dẻo dai cao. Chúng đóng vai trò là hệ thống bảo vệ nhiệt (TPS) và cấu trúc nóng cho các phương tiện siêu thanh, bao gồm các phương tiện một tầng lên quỹ đạo (SSTO) và hai tầng lên quỹ đạo (TSTO). Vượt ra ngoài cách tiếp cận máy bay cách điện của tàu con thoi, CMC cho phép tích hợp TPS với các thành phần cấu trúc để xử lý các thông lượng nhiệt cao trong quá trình bay siêu thanh và quay trở lại1.

Gốm sứ nhiệt độ cực cao (UHTC)

UHTC như zirconium diboride (ZrB2), hafnium diboride (HfB2), zirconium carbide (ZrC) và hafnium carbide (HfC) có nhiệt độ nóng chảy trên 3000 ° C và rất quan trọng để bảo vệ các cạnh trước, lò đốt và vòi phun khỏi nhiệt độ cực cao và quá oxy hóa79. Những gốm sứ này thường được kết hợp với CMC để tạo thành vật liệu lai cân bằng độ dẻo dai, khả năng chống sốc nhiệt và chống xói mòn4.

Vật liệu tổng hợp ma trận gốm lai (UHTCMC)

Những tiến bộ gần đây đã tạo ra vật liệu tổng hợp lai kết hợp CMC nhẹ với UHTC siêu cứng, dẫn đến các vật liệu có khả năng xói mòn và tự phục hồi gần như bằng không dưới ứng suất nhiệt. Những vật liệu này tạo thành các lớp bảo vệ bên ngoài và các pha lỏng bên trong để sửa chữa hư hỏng trong quá trình bay, cho phép các thành phần siêu thanh có thể tái sử dụng và giảm chi phí4.

Lớp phủ cacbua gốm

Lớp phủ cacbua gốm mới được phát triển thông qua quá trình thấm nóng chảy phản ứng (RMI) tích hợp UHTC vào vật liệu tổng hợp carbon-carbon, tăng cường độ bền và khả năng chống oxy hóa và cắt bỏ ở tốc độ siêu thanh. Sự tích hợp này ngăn ngừa nứt và bong tróc mà UHTC nguyên chất phải chịu dưới ứng suất cơ học, làm cho chúng phù hợp với nón mũi và các cạnh trước tiếp xúc với nhiệt độ khắc nghiệt35.

Tóm tắt các yêu cầu và lợi ích về vật liệu

• Khả năng chịu nhiệt: Vật liệu phải chịu được nhiệt độ vượt quá 3000 ° C mà không bị nóng chảy hoặc phân hủy.

• Chống oxy hóa: Chuyến bay siêu thanh khiến các bề mặt tiếp xúc với môi trường oxy hóa mạnh, đòi hỏi các vật liệu duy trì tính toàn vẹn trong những điều kiện này.

• Độ dẻo dai cơ học: Vật liệu phải chịu ứng suất cơ học cao và sốc nhiệt do chu kỳ làm nóng và làm mát nhanh.

• Trọng lượng nhẹ: Để duy trì hiệu quả bay, vật liệu phải nhẹ nhất có thể đồng thời cung cấp độ bền kết cấu.

• Khả năng tái sử dụng: Vật liệu tổng hợp tự phục hồi kéo dài tuổi thọ của các thành phần trong nhiều chuyến bay, rất quan trọng để di chuyển siêu thanh hiệu quả về chi phí1479.

Những vật liệu gốm sứ và vật liệu tổng hợp tiên tiến này cho phép thiết kế các phương tiện siêu thanh với hình dạng sắc nét, khí động học cần thiết cho khả năng cơ động và hiệu quả, đồng thời cung cấp khả năng bảo vệ nhiệt cần thiết để tồn tại trong các điều kiện khắc nghiệt của chuyến bay siêu thanh và tái xâm nhập khí quyển19.

Sự kết hợp giữa vật liệu hiệu suất cao và phương pháp chế tạo sáng tạo này là chìa khóa để thực hiện du lịch siêu thanh thực tế và các phương tiện tiếp cận không gian có thể tái sử dụng.