Теплообменники позволят горючему гиперзвукового самолета выступать в качестве охлаждающей жидкости
Один из способов, которым ученые надеются предотвратить перегрев самолетов, - это заставить топливо выполнять двойную функцию в качестве охлаждающей жидкости
Гиперзвуковые летательные аппараты, которые летают во много раз быстрее скорости звука, однажды могут доставить людей из Европы в Австралию всего за пару часов, но при такой скорости возникает очень высокая температура.
Один из способов, которым ученые надеются предотвратить перегрев самолетов, — это заставить топливо выполнять двойную функцию в качестве охлаждающей жидкости, поддерживая безопасную рабочую температуру самолета, пока он летит. Недавно разработанные катализаторы, напечатанные на 3D-принтере, могут стать недостающим элементом этой головоломки, поскольку лабораторные испытания показывают, что они могут запускать необходимые химические реакции для высокоэффективного поглощения тепла.
В то время как холодные температуры на большой высоте достаточны для предотвращения перегрева обычных реактивных самолетов, это совсем другая история для самолетов, летящих с гиперзвуковой скоростью более 6 100 км / ч, где трение между самолетом и внешним воздухом вызывает колоссальный нагрев обшивки. С 1960-х годов изучалась идея решения этой проблемы с помощью так называемого эндотермического топлива, которое могло бы действовать как пропеллент и как теплоноситель первого контура самолета.
В этом сценарии какой-либо теплообменник будет улавливать тепло от нагретых частей и передавать его холодному углеводородному топливу. Когда это топливо нагревается и достигает определенной температуры, оно запускает химические реакции, в результате которых углеводороды разбиваются на более простые части, которые затем можно использовать для движения.
«Топливо, которое может поглощать тепло при полете самолета, является ключевым направлением для ученых, но эта идея основана на потребляющих тепло химических реакциях, для которых требуются высокоэффективные катализаторы», — говорит автор исследования Роксана Хубеш из австралийского университета RMIT. «Кроме того, теплообменники, в которых топливо контактирует с катализаторами, должны быть как можно меньше из-за жестких ограничений по объему и весу в гиперзвуковых самолетах».
В поисках решения этой проблемы Роксана Хубеш и ее коллеги использовали 3D-печать для создания решетчатых структур из металлических сплавов, покрытых синтетическими минералами, называемыми цеолитами. Ученые описывают их как миниатюрные химические реакторы и подвергают их лабораторным испытаниям, призванным имитировать экстремальные температуры и давление топлива, которые выдерживает гиперзвуковая скорость. Испытания показали, что по мере нагрева структур часть металла, скорее всего хрома, мигрирует в каркас цеолита, что приводит к «беспрецедентной каталитической активности».
«Наши катализаторы, напечатанные на 3D-принтере, похожи на миниатюрные химические реакторы, и то, что делает их такими невероятно эффективными, — это смесь металлов и синтетических минералов», — говорят ученые. «Это захватывающее новое направление для катализа, но нам нужны дополнительные исследования, чтобы полностью понять этот процесс и определить лучшую комбинацию металлических сплавов для наибольшего воздействия».
Исследователи изготовили множество катализаторов, напечатанных на 3D-принтере, в экспериментальных форматах, но предстоит еще много работы, прежде чем мы увидим, что они будут работать в самолетах следующего поколения. Ученые теперь будут использовать методы рентгеновского синхротрона среди других методов, чтобы изучить их функции более подробно и оптимизировать их работу.
«Наши лабораторные испытания показывают, что разработанные нами катализаторы, напечатанные на 3D-принтере, имеют большие перспективы для будущего развития гиперзвуковых полетов», — говорит ведущий автор работы Сельваканнан Периасами. «Мощные и эффективные, они предлагают захватывающее потенциальное решение для управления температурным режимом в авиации и за ее пределами. Мы надеемся, что при дальнейшем развитии это новое поколение сверхэффективных катализаторов, напечатанных на 3D-принтере, можно будет использовать для преобразования любого промышленного процесса, где перегрев является постоянной проблемой».
Исследование было опубликовано в журнале Chemical Communications.