Лекция 15 (2ч.) Наноматериалы для деталей и конструкций авиационно-космической техники.

Применение нанотехнологии в аэрокосмической технике способно обеспечить:

• Снижение массы и объема: 10³
• Снижение линейных размеров: 10¹
• Снижение энергопотребления: 10⁴
• Снижение вибрации и шума: 10²
• Повышение быстродействия: 10⁶
• Повышение емкости памяти: 10⁶
• Повышение КПД солнечных батарей: 10¹
• Повышение чувствительности датчиков: 10⁶
• Повышение времени автономной работы: 10⁴
• Повышение надежности: 10²
• Повышение стойкости к радиации: 10¹
• Повышение стойкости к перегрузкам: 10²

Можно привести условную классификацию основных направлений применения нанотехнологии в аэрокосмической технике:

• Материалы
• Объемные материалы
• Нанокомпозиты
• Нанокерамические материалы
• Наноструктурные сплавы
• Нанопористые материалы
• Покрытия и мембраны
• Нанопокрытия
• Антикоррозионные
• Радиопоглощающие
• Электрохромные
• «Липкие»
• Сенсорные
• Нецарапающиеся
• Теплооотражающие
• Самоочищающиеся
• Самовосстанавливающиеся
• Прочие
• Наномембраны
• Волокна
• Углеродные нанотрубки
• Частицы
• Наночастицы металлов
• Наночастицы оксидов
• Фуллерены
• Биомолекулярные материалы
• Белки
• Биополимеры
• Нуклеиновые кислоты
• Дендримеры
• Липосомы
• Пленки Ленгмюра-Блоджетт
• Электропроводные микроорганизмы
• Монослои
• Нанокапсулы
• Жидкие наноматериалы
• Ферромагнитные жидкости
• Электрореологические жидкости
• Электроуправляемые клеи
• Двигательные установки
• Усовершенствование топлив
• Нанокатализаторы сгорания
• Нанокомпозитные топлива
• Нанокатализаторы фазового перехода
• Наногели
• Усовершенствование систем подачи топлива
• Усовершенствование камер сгорания
• Усовершенствование систем управления газовыми потоками
• Энергетические системы
• Генерация энергии
• Солнечные батареи
• Термоэлектрические элементы
• Микрожидкостные генераторы
• Ядерные установки
• Термоядерные установки
• Преобразование энергии
• Хранение энергии
• Батарейки и аккумуляторы
• Топливные элементы
• Водородные элементы
• Передача энергии
• Высокотемпературные сверхпроводники
• Формирование градиента температур
• Экономия энергии
• Системы связи и управления
• Средства навигации
• МЭМС-акселерометры
• Квантовые гироскопы
• Наноэлектроника
• Кремниевая электроника
• Электроника на механотранзисторах
• Электроника на нанотрубках
• Молекулярная электроника
• Одноэлектроника
• Спинтроника
• Квантовая электроника
• Многозондовые системы
• Нанофотоника
• Наномагнитоэлектроника
• Гибкая электроника
• Бионика
• Нейроинтерфейсы
• Нейрокомпьютеры
• Телеуправление
• Биоэлектроника
• Передача данных
• Оптические маршрутизаторы
• Массивы МЭМС-радиосистем
• Нанокомпозитные и фрактальные антенны
• Перестраиваемые лазеры
• Квантовая телепортация
• Сенсоры
• Гироскопы и акселерометры
• Акустические и вибрационные МЭМС-датчики
• Газовые датчики
• Датчики деформации
• Гравитационные
• Инфракрасные датчики
• Оптические датчики высокого разрешения
• Видеосенсоры
• МЭМС-сейсмометры
• Меторологические наносенсоры
• Электронный нос
• Сканирующие зондовые лаборатории
• Микрожидкостные чипы
• Биосенсоры
• Сети сенсоров
• Исполнительные механизмы
• Актюаторы
• Робототехника
• Манипуляторы
• Микро-и наноманипуляторы
• Микроаппараты
• Космические
• Нано КА
• Пико КА
• Атмосферные
• Поверхностные
• Условия работы экипажа
• Системы жизнеобеспечения
• Питание
• Регенерация воздуха
• Очистка воды
• Управление климатом
• Скафандры
• Гибкие материалы
• Материалы программируемого размера
• Материалы программируемой гибкости
• Защита
• Радиационная защита
• Искусственные кости
• Тепловая защита
• Защита от перегрузок
• Механическая защита
• Биологическая и химическая защита
• Нанобиосенсоры
• Бактерицидные наночастицы
• Защита от оптического обнаружения
• Медицинская диагностика
• Медицинская помощь
• Направленная доставка лекарств
• Автоматизированное приготовление препаратов
• Робототехническая микрохирургия
• Молекулярный ремонт клеток
• Интерфейсы
• Нейроинтерфейсы
• Искусственная сетчатка
• Системы информационной поддержки
• Сенсорные микрофоны
• Искусственный интеллект
• Беспилотные аппараты
• Вспомогательные системы
• Охлаждение
• Космическая архитектура
• Автономные робототехнические станции
• Освоение планет
• Космический лифт

Нанороботы способны воплотить мечту фантастов о колонизации иных планет - эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, самособирающихся колоний на Луне и Марсе, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это к 2025 гг.). Возможность самосборки может привести к решению глобальных вопросов человечества: проблемы нехватки пищи, жилья и энергии. В освоении космоса начнется новая эра.

Когда надо переместить что-то по воздуху или поднять на орбиту, каждый грамм требует дополнительного расхода топлива. Нанотехнология облегчит все детали аппаратов - от корпусов до батареек. Кроме того, наноэлектроника и МЭМС-датчики превратят самолеты в беспилотных роботов. Сверхпрочные и жаростойкие наноматериалы позволят им летать на огромных скоростях с нечеловеческими перегрузками, а наночастицы обеспечат экономию и повышение качества топлива. Скафандры космонавтов станут более удобными, солнечные батареи – эффективными, а ракеты – надежными.

 

Космический лифт

Тот, кто думает, что с помощью нанотехнологии можно создать только что-то субмикроскопическое, невидимое для человеческого глаза, вероятно, будут удивлены проектом, разрабатываемым в последнее время специалистами из NASA и привлекшим столько внимания со стороны ученых и широкой общественности. Речь идет о проекте так называемого космического лифта.

Рис.38. Космический лифт

 

Космический лифт (рис.38) – это трос длиной в несколько десятков тысяч километров, соединяющий орбитальную космическую станцию с платформой, размещенной посреди Тихого океана. Идее космического подъемника более века. Первым о нем заговорил в 1895 году великий русский ученый Константин Циолковский, основоположник современной космонавтики. Он указывал на то, что принцип, положенный в основе современного ракетостроения, не позволяет современным ракетоносителям быть эффективным средством для доставки груза в космос. Причин тому несколько.

Во-первых, КПД современных ракет очень низок из-за того, что львиная доля мощности двигателей первой ступени уходит на работу по преодолению силы земного тяготения.

Во-вторых, известно, что значительное увеличение массы топлива в несколько раз даёт лишь небольшой прирост скорости ракеты. Потому, например, американский ракетный комплекс “Сатурн-Аполлон” при стартовой массе 2900 тонн выводил на орбиту только 129 тонн. Отсюда астрономическая стоимость космических запусков с помощью ракет (стоимость вывода килограмма груза на низкую орбиту составляет в среднем около $10.000.) И, несмотря на многократные попытки снизить стоимость запуска ракет, по-видимому, радикально удешевить транспортировку грузов и людей на орбиту до стоимости стандартных авиаперевозок на базе современных ракетных технологий принципиально невозможно. Чтобы отправлять грузы в космос более дешевым способом, исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории предложили создать космический лифт. Цена запуска груза с помощью лифта по предварительным оценкам может снизиться с десятков тысяч долларов до $10 за килограмм. Ученые полагают, что космический лифт сможет в буквальном смысле перевернуть мир, дав человечеству совершенно новые возможности.

По сути, лифт будет представлять собой кабель, соединяющий орбитальную станцию с платформой на поверхности Земли. Кабинки на гусеничном ходу будут перемещаться по кабелю вверх и вниз, перенося спутники и зонды, которые нужно вывести на орбиту. С помощью этого лифта на самом верху можно будет построить в космосе стартовую площадку для космических аппаратов, отправляющихся к Луне, Марсу, Венере и астероидам. Оригинально решена проблема подачи энергии к самим лифтовым “кабинам”: трос будет покрыт солнечными батареями либо кабины будут оснащены небольшими фотоэлектрическими панелями, которые с Земли будут подсвечивать мощные лазеры.

Рис. 39 Модельный прототип капсулы лифта

 

Ученые предлагают разместить наземную базу космического лифта в океане, в экваториальных водах Тихого океана, за сотни километров от маршрутов коммерческих авиарейсов. Известно, что ураганы никогда не пересекают экватор и здесь почти не бывает молний, что обеспечит лифту дополнительную защиту. Космический лифт описан в произведениях Циолковского, а также писателя фантаста Артура Кларка, а проект строительства такого лифта был разработан ленинградским инженером Юрием Арцутановым в 1960 году. Долгие годы активным пропагандистом идеи космического лифта был астраханский ученый Г.Поляков.

Но до сих пор никто не мог предложить материал такой легкости и прочности, чтобы из него можно было бы сделать космический трос. До недавнего времени самым прочным материалом являлась сталь. Но изготовить из стали трос длиной в несколько тысяч километров не представляется возможным, так как даже упрощенные расчеты говорят о том, что стальной трос необходимой прочности рухнул бы под собственной тяжестью уже на высоте в 50 км.

Однако с развитием нанотехнологий появилась реальная возможность изготовить трос с нужными характеристиками на основе волокон из сверхпрочных и сверхлегких углеродных нанотрубок. Пока никому не удалось сделать даже метровый кабель из нанотрубок, но, по уверениям разработчиков проекта, технологии производства нанотрубок совершенствуются ежедневно, так что подобный кабель вполне может быть сделан уже через несколько лет.

Главный элемент подъемника – трос, один конец которого крепится на поверхности Земли, а другой теряется в космосе на высоте около 100 тыс. км. Этот трос будет не просто “болтаться” в космическом пространстве, а будет натянут, как струна, благодаря воздействию двух разнонаправленных сил: центробежной и центростремительной. Чтобы понять их природу, представьте, что вы привязали к веревке какой-нибудь предмет и начали его раскручивать. Как только он приобретет определенную скорость, веревка натянется, потому, что на предмет действует центробежная сила, а на саму веревку _ сила центростремительная, которая ее и натягивает. Нечто подобное произойдет и с поднятым в космос тросом. Любой объект на его верхнем конце или даже сам свободный конец будет вращаться, подобно искусственному спутнику нашей планеты, только “привязанному” особой “веревкой” к земной поверхности.

Уравновешение сил будет происходить, когда центр массгигантского каната находится на высоте 36 тысяч километров, то есть на так называемой геостационарной орбите. Именно там искусственные спутники висят неподвижно над Землей, совершая вместе с ней полный оборот за 24 часа. В этом случае он будет не только натянут, но и сможет постоянно занимать строго определенное положение вертикально к земному горизонту, точно по направлению к центру нашей планеты.

Для начала строительства космического лифта необходимо будет совершить пару полетов на космических челноках. Они и специальная платформа со своим автономным двигателем доставят 20 тонн троса на геостационарную орбиту. Затем предполагается опустить на Землю один конец троса и закрепить где-то в экваториальной зоне Тихого океана на платформе, похожей на нынешнюю стартовую площадку для запуска ракет. Затем рассчитывают пустить по тросу специальные подъемники, которые будут добавлять все новые и новые слои нанотрубочного покрытия к тросу, наращивая его прочность. Этот

процесс должен занять пару-тройку лет и первый космический лифт будет готов.

Одного из участников разработки космического лифта зовут Рон Морган. Морган прогнозирует, что первый лифт в космос человечество сможет построить всего через 12-15 лет, что он будет способен поднимать до 20 тонн грузов каждые 3 дня, а его предварительная стоимость составит 10 миллиардов долларов..

В настоящее время умение создавать наноструктуры и наноскопические объекты может осуществить революционный прорыв к принципиально новым производственным процессам, материалам и устройствам на их основе.
Для нанокристаллической структуры объёмных металлических материалов характерно то, что доля материала, занимаемого объемом зерен, примерно равна доле материала, занимаемого границами зерен. В объёме зерен практически отсутствуют дислокации. В то же время границы зерен отличаются высокой плотностью дислокаций, высоким уровнем упругих напряжений, что свидетельствует о неравновесном их состоянии. Границы зерен имеют высокоугловые разориентировки (10-20 угл. град.).
Объёмные материалы с наноструктурой, независимо от способа получения, имеют повышенный уровень прочности. Пластичность кристаллических металлов и сплавов при комнатной температуре составляет 0,5-4 %. Как и для обычных материалов, прочность пластичность наноструктур зависит от дефектов структуры, размеров зерна, температуры и скорости испытания.

Нанопленки многослойные, которые используют в качестве покрытий на деталях, могут иметь по сравнению с обычными поликристаллическими материалами превосходство по следующим свойствам: более высокие магнитные характеристики, более высокая коррозионная стой кость,более высокая износостойкость и твердость.
Наноламииаты получают при многократной деформации в вакууме слоев из чистых металлов. В качестве исходных металлов должны подбираться металлы с ограниченной или повышенной растворимостью. В результате обработки может быть получен лист или лента миллиметровых размеров, содержащая до нескольких тысяч нанослоев толщиной 10-50 нм. Повышение уровня прочности достигается в том случае, если толщина слоя соответствует величине зерна. Например, наноламинаты, состоящие из слоев молибдена и вольфрама (50 слоев) толщиной по 4 нм, имели повышение твердости и временного сопротивления отрыву в 15 раз по сравнению со свойствами листов из исходных металлов.

Наностекла. Из стеклообразных материалов возможно создание очень перспективных оптических сред. Например, регулируемый коэффициент преломления получен при создании на поверхности стекол сотовых структур и заполнении сот «столбиками» из различных наноматериалов. Сочетание нанокристаллитов и аморфного стекла обеспечивает изменение коэффициента преломления в широких пределах. В настоящее время можно лишь очертить контуры возможного применения наноструктурных материалов в изделиях авиационной техники с учетом их потенциальных свойств. В первую очередь речь может идти о следующих нанообъектах: объемные материалы для деталей небольших размеров, листовые деталях на основе наноламинатов, нанопленках как на металлических, так и на полимерных композиционных материалах.

 

Классификация по свойствам включает следующие направления:

1. высокожаропрочные материалы на основе керамических композитов для деталей двигателя (до 1200-1600 °С),
2. сверхпрочные материалы, в том числе - композиционные с титановой и железной матрицами - для силовых деталей,
3. сверхлегкие материалы на основе алюминия, титана, магния. Г1КМ - для конструкций планера,
4. материалы с повышенной коррозионной стойкостью для конструкций планера.
5. термостойкие полимеры и композиты, выдерживающие температуры в 200-400 °С
6. «.интеллектуальные» функциональные материалы.

Особенно необходимы сверхлёгкие и сверхпрочные материалы для сверхзвуковой и космической техники (до 3000 °С).

Так, например, для орбитальных кораблей необходимы материалы, сочетающие термостойкость, сопротивление тепловому удару, высокую изоляционную способность. В наибольшей степени этим требованиям отвечают композиционные материалы.
В новых нанокомпозитах характеристики составляющих должны не просто складываться, а «умножаться». В настоящее время это направление является наиболее перспективным в создании конструкционных материалов с ценными и неожиданными свойствами. Каждый компонент композита имеет свою структуру, однако атомы их должны взаимодействовать так, чтобы создавать новые структуры и придавать веществу новые свойства.

Однако, новые объемные наноструктурные материалы не только находятся в стадии создания. Практически остается открытым главный критерий их применимости в авиационной технике, а именно. - комплекс характеристик надежности и долговечности. «Чистые» наноматериалы имеют пониженную пластичность (0,5-5 %). Очевидно, наиболее перспективным является разработка композиционных объемных наноматериалов.
Более перспективным в обозримом будущем является использование нанопленок, обеспечивающих повышение коррозионной стойкости и износостойкости. Тем более, что уже существует опыт применения износостойких наноматериалов в инструментальной промышленности.
Наноламинаты как полуфабрикаты и заготовки для листовых конструкций могут быть перспективны вследствие того, что их изготовление может быть осуществлено на имеющемся в производстве оборудовании, а также вследствие того, что для получения наноламинатов могут быть использованы не дорогостоящие сплавы, а чистые металлы.

Наиболее значительные результаты достижений последних лет в области материаловедения связаны с созданием искусственных гетерофазных материалов и с наноструктурированием традиционных материалов. Свойства композитов (от латинского compositio - составление, «соединение») - смеси керамики с металлом, а также смеси нескольких металлов или нескольких видов керамики настолько интересны и необычны, что их считают совершенно новым классом материалов - композитами.

Композиционные материалы (КМ) с металлическими матрицами отличаются повышенной жаропрочностью и длительной прочностью, хорошими магнитными, электрическими и демпфирующими свойствами. Высокая термическая стабильность матрицы при добавлении твердых частиц керамики определяет перспективность использования КМ на основе алюминия в триботехнических целях. Такие сплавы считаются перспективными заменителями традиционных антифрикционных сплавов в связи с экономией дорогостоящих элементов, снижением веса, и относительной дешевизной. Области применения дисперсно упрочненных КМ расширяются по мере их дальнейшего исследования.

 

Лекция 16 (2 ч.). Нанотехнологи в системах вооружения.

Основными направлениями в создании новых вооружений на базе нанотехнологии можно считать:

1. Создание новых мощных миниатюрных взрывных устройств.

2. Разрушение макроустройств с наноуровня.

3. Шпионаж и подавление боли с использованием нейротехнологий.

4. Биологическое оружие и наноустройства генетического наведения.

5. Наноснаряжение для солдат.

6. Защита от химического и биологического оружия.

7. Наноустройства в системах управления военной техникой.

8. Нанопокрытия для военной техники.

Использование нанотехнологий в боевой технике и системах вооружения позволит создать радикально новые военные устройства. Некоторые из достижений в области нанотехнологий уже используются в военном обмундировании и вооружении.

Военные машины предполагают оснастить специальной «электромеханической краской», которая позволит им менять цвет наподобие хамелеона, а также предотвратит коррозию. «Краска» будет состоять из большого количества наномеханизмов. Также с помощью системы оптических матриц, которые будут отдельными наномашинами в «краске», исследователи хотят добиться эффекта невидимости самолёта или машины. Миниатюрные камеры будут считывать изображение с одной стороны устройства, передавая его на фотоэлементы на другой стороне, формируя таким образом изображение заднего фона спереди машины.

 

Навигация и управление.

Компания Grossbow, специализирующаяся на разработке различных электронных устройств, выпустила систему навигации NAV 420, которая позволяет управлять военной техникой на расстоянии. При этом блок навигации можно подключать к самолёту, кораблю, боевой машине или танку.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: