Các ứng dụng tiên tiến của gốm sứ và vật liệu tổng hợp trong hàng không vũ trụ: Khái niệm đằng sau chuyến bay siêu thanh và phương tiện tái nhập
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.
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.
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.
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.
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 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.
-
: Vật liệu phải chịu được nhiệt độ vượt quá 3000 ° C mà không bị nóng chảy hoặc phân hủy.
-
: 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.
-
: Vật liệu phải chịu ứng suất cơ học cao và sốc nhiệt do chu kỳ làm nóng và làm mát nhanh.
-
: Để duy trì hiệu quả bay, vật liệu phải nhẹ nhất có thể đồng thời cung cấp độ bền kết cấu.
-
: 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.
#Engineering #MaterialsScience #Hypersonic #SpaceTech #Ceramics #Composites #GATE #Metallurgy #MetallurgicalEngineering #MaterialsEngineering #TestUrSelf
Chia sẻ
Ứng dụng tiên tiến của gốm sứ và vật liệu tổng hợp trong hàng không vũ trụ: Khái niệm đằng sau các phương tiện bay siêu thanh và tái nhập.
Lĩnh vực gốm sứ và vật liệu tổng hợp tiên tiến đã cách mạng hóa kỹ thuật hàng không vũ trụ, cho phép phát triển các công nghệ tiên tiến như máy bay siêu thanh và phương tiện tái nhập cảnh thế hệ tiếp theo. Những vật liệu này rất quan trọng để vượt qua các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, ứng suất cơ học và lực khí động học gặp phải trong quá trình bay tốc độ cao và tái nhập cảnh khí quyển.
Tại sao gốm sứ và vật liệu tổng hợp lại thiết yếu đối với các phương tiện siêu thanh và tái nhập cảnh?
1. Bảo vệ nhiệt: Sống sót trong điều kiện nhiệt độ cực cao
Khi tàu vũ trụ hoặc phương tiện siêu thanh quay trở lại bầu khí quyển Trái đất, chúng sẽ gặp phải nhiệt độ vượt quá 1.650°C (3.000°F) do lực nén và ma sát của không khí. Các kim loại thông thường sẽ tan chảy trong những điều kiện này, nhưng gốm sứ và vật liệu tổng hợp tiên tiến, chẳng hạn như:
↳Carbon-Carbon gia cường (RCC) – Được sử dụng trên chóp mũi và mép trước cánh của Tàu con thoi.
↳Gạch nền silicon (ví dụ: LI-900) – Gốm sứ nhẹ, cách nhiệt giúp bảo vệ phần dưới của tàu con thoi.
↳Gốm siêu nhiệt (UHTC) – Zirconium diboride (ZrB₂) và hafni carbide (HfC) dành cho các phương tiện siêu thanh thế hệ tiếp theo.
Những vật liệu này tản nhiệt hiệu quả trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc.
2. Thiết kế khí động học: Hình dạng độc đáo của tàu con thoi
Thiết kế thân tàu con thoi không phải là ngẫu nhiên mà là sự lựa chọn kỹ thuật có chủ đích để:
↳Giảm tỏa nhiệt bằng cách tạo ra sóng xung kích làm chệch hướng năng lượng nhiệt.
↳Giảm tốc độ hạ cánh bằng cách tăng lực cản, ngăn ngừa quá nhiệt.
↳Phân bổ tải nhiệt trên các tấm gốm gia cố thay vì tập trung nhiệt vào các cạnh sắc.
3. Vật liệu composite nhẹ và có độ bền cao cho chuyến bay siêu thanh
Máy bay siêu thanh (Mach 5+) yêu cầu vật liệu vừa nhẹ vừa cực bền. Các vật liệu composite tiên tiến như:
↳Vật liệu composite cacbon-cacbon – Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao.
↳Vật liệu composite ma trận gốm (CMC) – Chống oxy hóa và sốc nhiệt.
↳Polyme gia cường sợi – Được sử dụng trong khung máy bay để giảm trọng lượng trong khi vẫn duy trì độ cứng.
Những cải tiến này cho phép duy trì chuyến bay siêu thanh mà không bị hỏng cấu trúc.
Tương lai: Phương tiện tái nhập thế hệ tiếp theo & Công nghệ siêu thanh
Nghiên cứu đang được tiến hành để phát triển các vật liệu thậm chí còn bền hơn, chẳng hạn như:
↳Gốm tự phục hồi có thể sửa chữa các vết nứt nhỏ trong khi bay.
↳Vật liệu tổng hợp được phân loại chuyển đổi từ bề mặt chịu nhiệt sang cấu trúc chịu lực.
↳Hệ thống làm mát chủ động được nhúng trong vật liệu bảo vệ nhiệt.
Samarjeet Kumar Singh