Сверхзвуковые самолёты будущего могут значительно сократить время трансконтинентальных перелётов: из Москвы в Нью-Йорк можно будет залететь за три часа, но одна из самых главных проблем в их разработке — защита критических компонентов, таких как носок крыла (передняя кромка), головной обтекатель (нос) и камеры сгорания реактивных двигателей. На скорости в 5 и более Махов они подвергаются мощному окислению и экстремальным температурам, которые достигают 2000-3000°C (число Маха соответствует скорости звука: например, на высоте 11 км она равна 295 м/с или 1062 км/ч).
В последние годы идёт активная работа над созданием керамических покрытий, но самым лучшим из них удавалось выдерживать только относительно невысокую температуру 1200-1500°C, после чего из вещества покрытия в результате абляции испарялись некоторые элементы, то есть нарушалась структура покрытия. Сейчас группа учёных из Института Ройса при Университете Манчестера (Великобритания) и Центрального южного университета (Китай) разработала новый материал с улучшенными характеристиками, который без структурных изменений выдерживает температуру до 3000°C. Это керамическое покрытие Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26, которое накладывается на матрицу углерод-углеродного композита C/C с помощью реактивной инфильтрации расплава и цементации.
По своим характеристикам новое покрытие значительно превосходит самую лучшую высокотемпературную керамику (ultra-high temperature ceramics, UHTC), не говоря уже об образцах прошлого. Например, нижняя и боковая часть поверхности планера «Буран» покрывалась керамической плиткой ТЗМК-10 и ТЗМК-25 с рабочей температурой до 1250 °C. Американские аналоги Li-900 и Li-2200 имели примерно такие же характеристики. Керамическое покрытие из Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 на углерод-углеродном композите выдерживает 3000°C. Оно на порядок лучше, чем карбид циркония (ZrC), который сегодня традиционно используется для покрытия режущих инструментов.
Например, на графике внизу показано сопротивление абляции (MAR и LAR) различных термостойких материалов, которые используются сегодня в промышленности, авиации и космонавтике. Испытания проводились в машине для ацетилено-кислородной резки. Как видим, Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 (круглые отметки в зелёном поле) кардинально превосходит все остальные материалы в тестах разной продолжительности и на разной температуре. Показатель MAR означает скорость абляции по массе (mass ablation rate), то есть скорость испарения вещества покрытия. Показатель LAR (linear ablation rate) означает скорость линейной абляции и соответствует пространственной стабильности материала. Например, ZrC при температуре 2500°С теряет 1,10 мг массы на квадратный сантиметр в секунду, а Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 — всего 0,14 мг.
В других тестах на 2000-2500°C материал показывает близкую к нулю потерю веса или прибавку веса (из-за окисления), что означает великолепную теплостойкость и ничтожную абляцию в потоке горячего газа.
На фотографиях показана тёмно-серая поверхность материала до проведения испытаний, а также поверхность после двухминутных испытаний при температуре 2000°C и 2500°C. В центре правого образца находится участок, где температура пламени достигала 3000°C. Там заметны следы абляции и выпуклости высотой менее 72 мкм из-за испарения оксидов с низкой температурой плавления, но на поверхности отсутствуют какие-либо полости и выбоины из-за абляции.
Материал разработан в Великобритании, а изготовлен в Институте порошковой металлургии Центрального южного университета Китая. Исследователи подчёркивают, что применение техпроцесса с реактивной инфильтрацией расплава кардинально уменьшает время, необходимое для изготовления. Вторая важная инновация — нанесение на матрицу из углерод-углеродного композита, что значительно повысило теплостойкость керамики.
Химическая структура термостойкой керамики сама по себе выполняет роль защитного механизма. При температуре 2000°C материалы Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 и SiC окисляются и превращаются в Zr0.80T0.20O2, B2O3 и SiO2, соответственно. Zr0.80Ti0.20O2 частично расплавляется и формирует относительно плотный слой, а оксиды с низкой температурой плавления SiO2 и B2O3 испаряются через «каналы эвакуации», дыры (иллюстрация a внизу). При более высокой температуре 2500°C кристаллы Zr0.80Ti0.20O2 сплавляются в более крупные образования, закрывая дыры (иллюстрация b внизу). При температуре 3000°C формируется почти абсолютно плотный внешний слой, в основном состоящий из Zr0.80Ti0.20O2, титаната циркония и SiO2 (иллюстрация c, e внизу).
Новая абляционная защита может найти применение не только в сверхзвуковых военных и гражданских самолётах, но и в космических кораблях, возвращаемых космических модулях, ракетах, реактивных снарядах, авиационных двигателях и др. Конечно же, её можно использовать для покрытия рабочих поверхностей в свёрлах, фрезах и других инструментах, которые подвергаются высокой температуре — для прочности и долговечности изделия.
Научная статья “Ablation-resistant carbide Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 for oxidizing environments up to 3,000°C” опубликована 14 июня 2017 года в журнале Nature Communications (doi:10.1038/ncomms15836).
Комментарии (53)
rPman
10.07.2017 18:29я так понимаю, на сверхзвуке поверхность нагревается быстрее чем воздух отводит это же самое тепло? а нет ли способа изнутри крыла тоже тепло отводить? не хватит теплопроводности материалов?
0serg
10.07.2017 20:12Есть. Отводят. На SR-71 например в качестве теплоносителя прокачивалось топливо через трубочки в теплонагруженных участках. Но это неудобно и требует затрат энергии. Кроме того абляция не исчерпывается просто нагревом, поверхность еще чисто механически разрушается набегающим потоком
Kulich
10.07.2017 18:42-1Т.е. то к чему она будет крепиться испариться раньше чем она сама?
0serg
10.07.2017 20:35С другой стороны там обыкновенно какой-нибудь «холодильник» стоит которому тепло отдается. В толще материала возникает температурный градиент, одна сторона горячая, вторая — сравнительно холодная. И пока с холодильника снимается тепло он будет холоднее чем внешняя поверхность. В военных вариантах так все часто еще проще — тепло с холодной части никуда не отводят, но изделие «работает» настолько мало времени что холодная часть просто не успевает нагреться до опасных температур.
Kulich
10.07.2017 23:02+1Да можно прям кисслородом жидким, а потом его в турбонасос и все. Только это скорее антиабляционная защита будет =) Весь ее смысл в том что эти самые частицы улетают и уносят тепло.
da-nie
10.07.2017 19:57+3А что у этой защиты с теплопроводностью? А то она раскалится до 3000 по всей толщине и начнёт греть слои обшивки, соответственно, и пользы от неё не будет никакой.
lash05
10.07.2017 20:20-13Новая абляционная защита
— неужели нельзя подобрать благозвучный русскоязычный термин??ARD8S
10.07.2017 21:03+19А что не устраивает? Вот вы что говорите когда обжигаетесь?
lash05
10.07.2017 21:44-7Меня не устраивает бездумный рунглиш, когда смысл отрывается от наименования, псевдонаучный псевдоакадемизм.
ClearAirTurbulence
11.07.2017 01:16+11А при чём тут английский? Ablatio — это, внезапно, из латыни. И смысл тут как раз не «отрывается», а напротив, очевиден любому, имеющему базовые познания.
vanxant
10.07.2017 21:04+2Сверхзвуковые пассажирские самолёты? Да ладно, кого вы обманываете?
Военные всё захапают и засекретят для своих пиу-пиу. В лучшем случае космонавтике что-то перепадёт.
ploop
10.07.2017 21:12Сверхзвуковые пассажирские самолёты?
А что не так? Они летали, когда нас и в планах ещё не было.
Djeux
10.07.2017 21:39+2После чего пришли к выводу что они в целом не рентабельны.
Конкорд хоть и летел значительно быстрее обычного лайнера, но по комфорту внутри был примерно как обычный 737-ой. В конце концов рынок показал что люди за те же деньги лучше проведут в воздухе в два раза больше времени, но в комфорте. Этот и многие другие факторы погубили сверхзвук.
Вот хорошее видео: видеоartskep
10.07.2017 22:00Ну, Конкорд летел, ЕМНИП, на двух махах, а тут говорят о пяти. Для трансатлантического перелета уже можно и потерпеть.
Но, ЕМНИП, проблема не только в комфорте, а как раз в экономике — все сверхзвуки стоили дорого и жрали керосин как не в себя (а горючка с тех времен подорожала нехило).
Так что эта защита, скорее всего, пригодится только военным — если им приходится быстро полетать, то горючку они, как правило, не считают — у них другие проблемы…lubezniy
10.07.2017 22:12+1Могу ошибаться, но керосин ему ещё и нестандартный нужен был. А это только добавляет стоимости.
worldmind
10.07.2017 22:03Как я понял ему топлива хватало только из европы в нью-йорк, разница в пару часов не так ощутима, на полёте в Австралию разница значительнее была бы.
Djeux
10.07.2017 23:41+4Дело не только в топливе, а в том что из-за шума ему и летать то было разрешено только над морем-океаном, что по сути оставляет не так много вариантов куда лететь.
С точки зрения технологий, жалко что таких самолетов больше нет, но в наше время мало кто будет грохать деньги только чтобы показать что могут.ksil
11.07.2017 09:50-2С высоты 10 км шумело?
maxzhurkin
11.07.2017 13:33Челябинский метеорит с высоты 50 км пошумел. Мало не показалось. А в 5 раз дальше, это в 25 раз (в энергетическом смысле) тише.
ploop
10.07.2017 22:20+1После чего пришли к выводу что они в целом не рентабельны.
Да, так и было. Стоит упомянуть ещё ТУ-144, где была масса новых идей и разработок, но весь проект был по сути «бета-версией», недопиленный сильно, плюс ещё катастрофа подпортила репутацию.
Но свёрнут он был во-первых из-за экономической нецелесообразности, во-вторых из-за отсутствия инфраструктуры, т.к. не каждый аэропорт мог его принять, что при пассажирских перевозках крайне опасно — любое происшествие, требующее срочной посадки, или сложные метеоусловия — всё, кабздец.
ferreto
10.07.2017 22:37Ну отлично, теперь крылатые ракеты смогут долетать с континента на континент ещё быстрее :( насчёт гражданской авиации как-то сомнительно. Экономически это очень не выгодно...
balexa
10.07.2017 23:45+3Межконтинентальные ракеты не летят в атмосфере
0serg
11.07.2017 00:48На среднюю дальность могут и летать, это особенно для твердотопливных где импульс не контролируется актуально (они об атмосферу тормозят сбрасывая лишнюю скорость, плюс настильная траектория сокращает полетное время). Но ferreto о крылатых (видимо гиперзвуковых) ракетах пишет, такое оружие сейчас тоже создается
Mesklin
11.07.2017 09:27+1Да они собственно уже есть (смотри «Циркон»), а эта хитрая керамика более востребована для гражданки и космоса (при более-менее длительном полете в атмосфере на высоких скоростях), нет абляции — значит геометрия поверхности не меняется, следовательно аэродинамика самолета или космолета тоже не меняется, а если этот материал еще и легкий — вообще мечта для аэрокосмических агрегатов
0serg
11.07.2017 17:34-1Циркон — это пока байка, честно говоря. Свидетельств того что это реально существующий проект с существенно новыми характеристиками я пока не встречал, а верить отечественным СМИ — это себя не уважать. Из скоростных ракет сегодня реально существуют аэробаллистические ракеты — это по сути та же баллистическая ракета, только запускаемая с самолета, отечественный пример тому — Х-22. Все они скорость в пикировании набирают и проходят атмосферный участок очень быстро, а не летят длительное время с высокой скоростью.
hungry_ewok
11.07.2017 16:46Сейчас уже и ещё — нет. Но в довольно недавнем прошлом были такие няши как МККР «Буря» или, например проект «SLAM» у заклятых друзей.
ferreto
11.07.2017 09:47"Главная проблема, по словам Обносова, в том, что никто не знал, как повлияют на работу ракеты скорости в 8–10 Махов. «При таких условиях у поверхности ракеты образуется плазма, температурные режимы запредельны», — сказал он.
Эксперименты с ракетой, летевший даже со скоростью трех Махов, вызывали бешеный нагрев аппарата. При таких температурах теряют механические свойства титановые сплавы, плавятся алюминий и магний, теряет свойства жаропрочная сталь. Наши ученые и инженеры бились с обжигающей яростью атмосферного нагрева много лет. Предлагались бериллиевые сплавы и новые абляционные материалы, композиты на основе волокон бора и углерода, плазменное напыление тугоплавких покрытий… Проблему удалось решить. А способ ее решения еще долго будет военной тайной."
imm
11.07.2017 09:11надеюсь новые наноматериалы когда-нибудь доберутся и до сковородок
а то до сих пор ничего более надежного, кроме нержавейки и чугуния нетуkvarkicn
11.07.2017 12:06Простите, а зачем вам жаростойкий материал на сковороде? Поставил на плиту, прошло полчаса, сковородка все еще холодная…
Tippy-Tip
11.07.2017 09:26+1Э! Вы там осетра урежьте – летать на скоростях 5М-6М на высотах до 20 км.
Во-первых, 5М-6М это не сверх-, а гиперзвук. Во-вторых, полеты с такой скоростью на высотах тропопаузы караются законами физики: самолет быстрее разрушится от ударных волн, а не от аэродинамического нагрева. Исходя из этого для гиперзвуковых самолетов отводят высоты 30-40 км, где температура аэродинамического нагрева падает до 800.
sotnikdv
11.07.2017 10:57+3Абляционная (!!!!!!!) защита, которая не испаряется (!!!!!!!!!!!!!!!!!) это какой-то позор. Переводчик хоть немного понимает, что он пишет?
McAaron
11.07.2017 14:45+4В 80-х принимал нtпосредственное участие в испытаниях теплозащиты для головных обтекателей ББ МБР на стенде Воткинского завода.
Основная проблема теплозащиты тех времен состояла в ее эрозии и уносе за счет градиента давления торможения в тангенциальном направлении (сдвиговые напряжения). Именно тогда у нас на стенде появились образцы углерод-углеродного объемного плетения. Образцы не были ничем пропитаны — просто пресованное плетение. Для кислородосодержащих смесей не годилось, но стойкость в CO2, N2, He, H2 и смесях была феноменальной. Тепловые потоки в азоте до 20 кВт на см квадратный, давление торможения до 10 ата. Керамическое плетение в таких условиях банально плавилось и уносилось соплями за доли секунды. Углеродные же таблетки за счет более высокой температуропроводности лишь слегка «обмыливались». Одноразовая теплозащита на основе этого материала была незамысловата — углеродное плетение пропитывалось абляционным материалом и защита от кислорода в определенной мере обеспечивалась. Испаряющийся материал оттеснял ударную волну и создавал бескислородную прослойку. Вопрос был лишь в том, чтобы абляционный материал «заработал» до того, как углерод начнет гореть. Керамика не аблирует, а эродирует и просто уносится потоком. С другой стороны, если углеродный каркас можно пропитать медью и вольфрамом, почему его нельзя пропиать цирконием, гафнием или еще чем более легким и термостойким.
Если таки удалось надежно «спрятать» углеродный каркас в аблирующей при температурах плавления вольфрама керамике, это реально будет прорыв.
Bedal
11.07.2017 15:05+3Абляционная защита — это защита, у которой преднамеренно высокий уровень абляции для уноса тепла наружу и образования защитной газовой плёнки у поверхности.
На шаттлах и Буране стояла не-абляционная защита. Описанный материал — тем более для не-абляционных защит. Исходная статья честно и правильно названа "...Ablation-resistant..."
а в начале этого текста стоит заголовок от балды "… абляционная защита...". Печаль, да?
M0Dpetruha
12.07.2017 11:36+2«одна из самых главных проблем в их разработке — защита критических компонентов»
Это сейчас серьезно было?
Тоесть не дикий расход топлива, не высокие цены, не запрет на полеты над континентом, не спартанские условия полета, ни высокие взлетно/посадочные скорости и сопутствующие нагрузки на шасси/крыло. Не, это все мелочи, основная проблема это теплозащита. Ну серьезней быть надо, сверхзвуковую гражданскую авиацию уничтожила дороговизна и только она. Конечно авиакатастрофы конкорда и ту 144 тоже был удар, но все свелось к цене, что у «них» что у нас.
Zenitchik
Если не испаряется, то почему она «абляционная», и каким образом защищает?
Djeux
В названии самой научной статьи «up to 3,000 °C”, видимо потом уже начинает потихоньку испаряться.
hungry_ewok
Переводчик какфсигда.
В названии оригинала нет ни слова про «абляционную защиту», там просто про разработку нового материала. Так что материал просто «жаропрочный».
Вот не понимаю я, честно говоря такого подхода. Это ж как должна быть атрофирована здоровая лень чтобы не просто перевести заголовок, а поглядеть в статью, выцепить оттуда умное слово, и запихать в перевод заголовка отсебятину…
0serg
Дословно статья называется "устойчивый к абляции материал XYZ".
«Жаростойкий» неплохо передает суть, хотя все-таки немного по смыслу отличается
justhabrauser
Вы тут новенький, штоле?
ЖелтыйЯркий заголовок,кривойтворческий перевод — всё в комплекте, как обычно.