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2022年2月17日

为极端环境创造涂层:从太阳盾到高超声速前沿

高超音速飞行器的图像

高超声速飞行器的前缘——以及鳍, 控制面和光圈-需要防止超过5马赫的速度, 温度远高于1,000摄氏度, 来自大气的氧化和巨大的气动剪切载荷. 定制材料可以使任务在这些极端环境中获得成功.

图片来源:九卅体育appAPL


热喷涂设备图像

APL开发了一种最先进的热喷涂设备,能够应用广泛的高超声速涂料, 包括液体溶液, 液体悬浮物和固体微粒, 如耐火陶瓷.

图片来源:九卅体育appAPL

九卅体育应用物理实验室(APL)的研究人员在劳雷尔, 马里兰, 是否正在研发能够经受住高层大气高超声速飞行严酷考验的涂层. 这项工作建立在数十年高超声速系统的经验和a 定制隔热涂层 用于NASA的热保护系统(TPS) 帕克太阳探测器 -利用APL的能力来生产定制材料解决方案,以解决实际任务中介于成功和失败之间的难题.

在高层大气中运行的高超声速飞行器的速度超过5马赫(音速的5倍),温度也远远超过1马赫,000摄氏度, 来自大气的氧化和巨大的气动剪切载荷. 这些车辆的前缘(或机头)需要在这些条件下得到保护, 鳍也是如此, 控制表面和光圈.

九卅体育不能只是把帕克太阳探测器的隔热涂层应用到高超音速飞行器上, 因为太空是一个没有空气的环境,” 基思•卡鲁索, 他是帕克太阳探测器涂层的主要贡献者,现在参与了实验室的高超声速涂层工作. “但上层大气并非没有空气, 所以高超音速飞行器必须应对一系列非常特殊且苛刻的压力,这是太空飞行器所不需要面对的,他补充道.

“从一开始,材料就应该是设计过程的核心, 以确保系统的生存能力,” 摩根Trexler他是APL的负责人 极限与多功能材料科学“, 程序. “如果九卅体育了解预想的任务和环境,九卅体育就可以创建定制材料. 但是要想成功, 这需要时间和定制材料的创新, 密切配合系统开发工作.”

帕克太阳探测器的隔热涂层需要能够 能够承受太阳的巨大热量同时尽可能地使光线偏转. 它必须在不发生化学反应的情况下应用于碳基板, 同时保持其结构的完整性,并抵抗体积和颜色的变化. 目前还没有一种涂料可以满足这些苛刻的要求, 所以APL的科学家们从零开始创造了一个, 三种不同的陶瓷氧化物分层, 还有金属, 在不同的配置中进行测试,直到他们制造出一种能够应对挑战的涂层.

APL关于高超声速的报告

APL最近在国家空间与导弹材料研讨会(NSMMS)和高超声速技术与系统会议上发表了一些与高超声速材料突破性工作相关的演讲:

2021:

  • 考虑材料约束的逆轨迹优化, 被动和先进冷却方法(高超声速技术和系统会议)
  • 带材料约束的逆轨迹优化方法(NSMMS)
  • 光学透明尖晶石的增材制造
  • 碳-碳基超高温陶瓷的选择性激光熔化(NSMMS)

2020

  • 带材料约束的弹道优化逆方法

2019:

  • 等离子喷涂陶瓷涂层中非平衡相的有意保留及其增强光学散射的应用
  • 悬浮等离子喷涂(NSMMS)制备纳米晶粒陶瓷天线罩

自2018年推出以来, 帕克太阳探测器已经完成了10次接近太阳的任务, 大约在6点之内.距离太阳表面500万英里,而移动速度超过330万英里,以每小时000英里的速度前进——同时将航天器的仪器保持在大约室温——证明了APL的TPS的成功. 这次调查还创造了历史 第一个接触太阳的宇宙飞船. 自从开发了TPS, 实验室已经吸取了教训, 能力的发展, 并将其应用于为高超声速环境开发涂层的挑战.

这是APL已经准备好迎接的挑战. 自2015年以来,实验室一直在 战略投资 用于高超声速环境的涂层开发的内部资金. 投资, 以及与海军研究办公室的持续合作, 已经产生了能力和框架,使实验室能够将涂料开发提高到远远超过为帕克太阳探测器TPS生产所需的水平.

“当九卅体育开发帕克太阳探测器涂层时, 九卅体育的能力相对来说处于非常早期的阶段,卡鲁索说. “这涉及到大量的试验和错误, 但九卅体育现在有了系统和流程,可以在特定任务要求的情况下,系统地大规模生产和评估新涂层.”

在能力方面, APL开发了一种最先进的热喷涂设备,能够应用广泛的液体溶液, 液体悬浮物和固体微粒, 如耐火陶瓷. 高速氧气燃料喷枪可以在Mach 2-3和超过2的温度下每天快速测试数十个样品,000摄氏度, 能够模拟感兴趣的飞行轨迹的热廓线. 该实验室还与美国国防高级研究计划局(DARPA)的高超声速材料结构和表征(MACH)项目合作开发了建模和仿真框架。, 在特定高超声速任务要求的背景下评估材料的生存能力.

后者的能力突出了APL作为高超声速领域值得信赖的合作伙伴的独特之处, 说 迈克尔Brupbacher, 他是APL的材料科学家,参与了实验室的高超声速工作.

这种技术专长和操作洞察力的结合 受到政府赞助商的高度重视 重点是使今后的任务能够进行. “九卅体育appAPL能够将材料开发与平台性能联系起来,比尔·卡特说, DARPA国防科学办公室项目经理,负责MACH项目, 在此基础上开发了建模框架.

“几十年来,该实验室一直与政府和国防工业密切合作,开发高超声速系统. 同时还要理解化学反应, 九卅体育非常熟悉这种环境的需求和实际情况,布鲁普巴赫说. “因此,九卅体育能够创造 独特的见解 这在其他地方不容易复制,对这些系统的任务准备有直接和切实的影响.”

卡鲁索表示同意, APL的技术能力很重要,但其真正价值来自学术专业知识和实践的独特融合, 本实验室研究人员的适用经验. 追溯到20世纪40年代,当时实验室 开始发展超音速冲压式导弹在美国,APL公司继续在众多领域为美国的高超音速技术做出贡献.

九卅体育拥有顶级的等离子喷涂设备, 增材制造能力等等, 但很多地方都有令人印象深刻的设备,卡鲁索说. “没有很多地方有知识进行定制的溶胶-凝胶加工——在纳米尺度上制造化学物质, 从下往上, 可以这么说. 更少的地方能以任务为目的,以高超声速应用为目的. 这是一门真正的艺术,APL牢牢掌握了这门艺术,其他实验室无法复制.”

这些知识是APL高超声速创新历史的结果, 以及对战略性招聘的持续承诺, 说 戴尔·克莱蒙斯, 谁领导APL研究与探索开发部的多功能材料和纳米结构组, 这有助于指导高超声速涂料的发展.

“高超音速是一个非常适合招聘的领域,它需要对多个学科有深入的了解,才能为这种环境设计材料,并了解它们的性能,克莱蒙斯说. “几十年, 九卅体育一直是高超声速材料开发和测试领域公认的领导者, 因此,随着时间的推移,九卅体育已经积累了丰富的相关专业知识. 找到并雇用合适的人才最终使九卅体育能够保持在该领域的前沿.”

APL已经生产了许多涂料,在保护高超声速飞行器的前缘和孔径方面显示出前景,并满足进攻和防御任务的要求, 据Coire Maranzano报道, APL部队投送部门精确打击任务区的项目区域经理, 和吉姆·舒赫, 该实验室空中和导弹防御部门综合作战系统项目区的助理项目区域经理.

九卅体育正在与实验室的材料研究人员密切合作,以开发, 测验, 执行并将先进材料转化为各种进攻任务的记录项目,马兰扎诺说.

Schuh表示赞同:“该实验室的涂层工作正在增强防御能力,这将帮助美国保持在高超声速领域的决定性优势.”

实验室已经从最近的高超声速工作中收集了一些见解,这些见解将继续为在这种和其他极端环境下的材料的进一步开发提供信息——无论是在太空中, 不适宜物质生存的上层大气或其他环境. 这些见解中的关键是可行的高超声速系统的材料设计的中心地位.

“APL在延长现有高超音速系统的寿命方面处于有利地位,特雷克斯勒说, ,并使未来的系统功能更强大,更具弹性.”

媒体联络: 阿曼达 Zrebiec,电话240592-2794, 阿曼达.Zrebiec@openbooknigeria.com

应用物理实验室, 九卅体育的非营利部门, 通过科学和技术的创新应用,应对国家面临的重大挑战. 更多信息,请访问 hispaniclatinoaffairs.multicultural.openbooknigeria.com.

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