Hybrydowe materiały ceramiczne absorbujące ciepło mogą umożliwić lot hipersoniczny
Prędkość hipersoniczna ma wartość powyżej 5 machów, czyli około 6 000 km/h, i jest co najmniej pięciokrotnie większa od prędkości dźwięku. Podczas poruszania się z tak dużymi prędkościami ogromne ciepło wywołane przez opór powietrza w atmosferze może wpływać na integralność konstrukcyjną statków powietrznych i rakiet. Powierzchnie mogą nagrzewać się do temperatur powyżej 2 000°C, a korozyjne gazy i cząstki niekorzystnie na nie wpływają. Problemy wynikają przede wszystkim z utleniania i ablacji – niezwykle gorące powietrze i gaz zdzierają warstwy powierzchniowe z metalowych materiałów pojazdów poruszających się z prędkościami hipersonicznymi. Systemy ochrony termicznej muszą wytrzymać tak ekstremalne temperatury i intensywne drgania mechaniczne podczas wchodzenia na orbitę oraz powrotu na Ziemię. Spalanie wysoce wydajnych paliw sprawia, że warunki pracy dysz silników rakietowych są termochemicznie i mechanicznie wymagające. Silniki rakietowe nowej generacji muszą osiągać jeszcze wyższe temperatury, by spalać mniej paliwa, wytwarzać więcej ciągu i transportować większe ładunki. „Kompozyty o osnowie ceramicznej, wykonane z włókien ceramicznych osadzonych na matrycy ceramicznej, są jedynymi materiałami odpornymi na wysokie szoki termiczne i krytyczne naprężenia mechaniczne. Jednak tradycyjne kompozyty o osnowie ceramicznej nie spełniają wymagań związanych z ablacją, w związku z tym rakiety nośne są niszczone podczas powrotu lub odłączane w przestrzeni kosmicznej po pierwszym starcie”, tłumaczy Diletta Sciti, koordynatorka finansowanego ze środków UE projektu C3HARME.
Hybrydowe materiały ceramiczne przełamują bariery
W ramach projektu C3HARME opracowano i przetestowano nową klasę materiałów hybrydowych zwanych ultrawysokotemperaturowymi kompozytami o osnowie ceramicznej (ang. ultra-high-temperature ceramic matrix composites, UHTCMC), które mogą być stosowane podczas lotów hipersonicznych. Ten nowy rodzaj materiałów łączy lekkie kompozyty o osnowie ceramicznej, które są wytrzymałe i mają wysoką odporność na wstrząsy cieplne, oraz ich cięższe i twardsze odpowiedniki z ceramiki ultrawysokotemperaturowej, które charakteryzują się niższą erozją powyżej określonej temperatury. Takie hybrydowe materiały umożliwiają również eksperymentalne dostosowywanie ich struktury odpowiednio do skali. Materiały te są wyjątkowe, ponieważ zostały wykonane przy użyciu zaawansowanych procesów, które skracają czas i koszty produkcji. Naukowcy wykorzystali plazmowe spiekanie iskrą, umożliwiające ultraszybkie łączenie, oraz impregnowanie i pirolizę polimerów, które są standardowymi metodami wytwarzania wykorzystywanych obecnie kompozytów o osnowie ceramicznej zawierających matryce z węglika krzemu lub węgla. Zespołowi udało się wyprodukować ponad 1 000 próbek o różnych kształtach. „Pobiliśmy rekord, wytworzyliśmy najgrubszą płytę o całkowitej wysokości 160 mm i wadze 11 kg, to przełom w plazmowym spiekaniu iskrą”, dodaje Sciti.
Samonaprawiające się, ekonomiczne materiały
W określonych warunkach UHTCMC mogą samonaprawiać pojawiające się uszkodzenia, zanim zaczną się one rozprzestrzeniać. Pod wpływem naprężeń termicznych za sprawą nanocząstek substancji znajdujących się w materiale ceramicznym powstaje stała, zewnętrzna warstwa ochronna i wewnętrzna faza ciekła, które naprawiają ubytki. Dzięki temu możliwe jest wielokrotne użycie rakiet. „Nowo opracowane materiały wykazały niemal zerową erozję i ablację w porównaniu z kompozytami węglowo-węglowymi, które są obecnie stosowane w dyszach rakietowych”, mówi Sciti. „Dostępność nowej rodziny materiałów, która zapewnia integralność strukturalną, ochronę termiczną oraz niemal zerową erozję i ablację, będzie sprzyjać rozwojowi bardziej wydajnych paliw, a wielokrotne użycie elementów oznacza mniejsze koszty i mniejszą ilość odpadów”. UHTCMC mogą zostać wykorzystane nie tylko przy lotach hipersonicznych – ich potencjalnych zastosowań jest o wiele więcej. Nowe materiały mogłyby zostać wykorzystane do wydłużenia żywotności materiałów w reaktorach jądrowych nowej generacji lub znaleźć zastosowanie w systemach koncentracji energii słonecznej (ang. concentrating solar power, CSP).
Słowa kluczowe
C3HARME, rakietowe, hipersoniczne, kompozyty o osnowie ceramicznej, ablacja, systemy ochrony termicznej, dysze rakietowe, ultrawysokotemperaturowe kompozyty o osnowie ceramicznej
