В аэрокосмической области стартер является основной частью стартового звена двигателя, его производительность напрямую связана с надежностью и эксплуатационной эффективностью летательного аппарата. По мере того, как аэрокосмические технологии продвигаются к более высоким характеристикам и более сложным условиям, глубокое слияние стартера с аэрокосмическим двигателем становится неизбежной тенденцией. Среди них материалы и структурные инновации в сверхвысокотемпературной среде, а также технологическое развитие микро - наноспутниковых микростартеров представляют собой передовые направления исследований в этой области.
Инновации в материалах для стартеров в условиях сверхвысоких температур
Аэрокосмические двигатели во время работы производят очень высокие температуры, особенно в камерах сгорания и вблизи турбин, и стартеры должны быть способны стабильно работать в таких сверхвысоких температурах. Традиционные металлические материалы при высоких температурах будут иметь проблемы снижения прочности, ползучести и т. Д., Не могут удовлетворить строгие требования к стартеру современных аэрокосмических двигателей. Поэтому появились новые керамические композиты и углеродно - углеродные композиты.
(i) Новые композиционные материалы на керамической основе
Композиты на основе керамики имеют преимущества высокой температуры плавления, низкой плотности, высокой твердости и хорошей химической стабильности. В условиях сверхвысоких температур он способен поддерживать структурную целостность, обеспечивая надежную механическую поддержку стартера. Например, керамические композиционные материалы на основе карбида кремния, состоящие в основном из керамической матрицы карбида кремния и усиленной фазы. Усиленная фаза может эффективно улучшить вязкость материала и предотвратить хрупкий разрыв материала при высоких температурах. Оптимизируя процесс подготовки и точно контролируя микроструктуру материала, можно еще больше повысить его производительность при высоких температурах. Этот материал имеет широкие перспективы применения в корпусе стартера, шестерни и других частях, может значительно улучшить высокотемпературные свойства и надежность стартера.
(ii) Углеродные композиты
Углеродные композиты представляют собой композиты, основанные на углеродном волокне в качестве армированного тела и углероде. Он обладает отличными высокотемпературными механическими свойствами, и в высокотемпературной среде выше 2000°C его прочность не только не снижается, но и увеличивается. В то же время углеродно - углеродные композиты также имеют хорошую теплопроводность и низкий коэффициент расширения, которые могут эффективно противостоять тепловым ударам. Ключевые компоненты стартера, такие как роторы и статоры двигателя, изготовленные из углеродно - углеродных композитов, могут поддерживать хорошие электромагнитные и механические свойства при высоких температурах и повышать эффективность и надежность стартера. Тем не менее, процесс подготовки углеродно - углеродных композитов является сложным и дорогостоящим, и по - прежнему необходимы дальнейшие исследования и оптимизации для достижения его крупномасштабного применения в аэрокосмической области.
Оптимизация конструкции стартера в условиях сверхвысоких температур
Помимо инноваций в материалах, оптимизация конструкции также имеет решающее значение для повышения производительности стартера в условиях сверхвысоких температур. Разумная конструкция может эффективно снизить тепловое напряжение, повысить эффективность охлаждения, обеспечить нормальную работу различных компонентов стартера.
(i) Конструкция тепловой защиты
Чтобы защитить электронные компоненты и механические детали внутри стартера от воздействия высоких температур, необходимо разработать эффективную структуру тепловой защиты. Одним из распространенных способов является использование технологии воздушного или жидкого охлаждения, которая забирает тепло, устанавливая канал охлаждения внутри корпуса стартера и вводя охлаждающую среду (например, воздух или охлаждающую жидкость). Кроме того, на поверхности стартера может быть нанесено высокотемпературное изоляционное покрытие, что еще больше снижает передачу тепла внутрь. Например, используется керамическое изоляционное покрытие, которое может образовывать слой изоляционного барьера при высоких температурах и эффективно уменьшать приток тепла.
(2) Легкий структурный дизайн
В аэрокосмической отрасли снижение веса имеет решающее значение для улучшения характеристик летательных аппаратов. Поэтому конструкция стартера должна быть максимально легкой при условии обеспечения прочности и жесткости. Применение передовых методов топологической оптимизации позволяет оптимизировать распределение материала в зависимости от напряжения стартера, удалять ненужные материалы и тем самым уменьшать вес конструкции. В то же время, использование интегрированной концепции проектирования, чтобы уменьшить количество деталей, уменьшить вес соединительных частей, улучшить целостность и надежность конструкции.
III. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ И ДОСТИГНУТЫЕ ПРОГРЕССЫ В ОБЛАСТИ МИКРОЧНОГО СТРОИТЕЛЯ ДЛЯ СВЯЗАННЫХ
С развитием космической техники микронаноспутники из - за их низкой стоимости, короткого цикла разработки и высоких преимуществ функциональной плотности широко используются в таких областях, как наблюдение Земли, связь и научные эксперименты. Микростарт, как ключевой компонент микронаноспутника, сталкивается с рядом уникальных технических проблем.
(i) Требования к сверхмалым размерам и высокой интеграции
Ограничения по размеру и весу наноспутников требуют, чтобы микростартеры имели сверхмалые размеры и высокую степень интеграции. Это требует совершенно новых концепций и методов проектирования, высокой степени интеграции нескольких функциональных модулей, таких как двигатель, механизм передачи и схема управления. Например, с использованием технологии системы на пластине (SoC) схема управления интегрируется в один чип, уменьшая объем и вес внешней схемы. В то же время, разработка новых микронанотехнологий производства, таких как фотолитография, травление, микромеханическая и электрическая обработка, для достижения точного производства и сборки деталей микростартера.
(ii) Дизайн с низким энергопотреблением
Микроспутники обычно питаются солнечными батареями с ограниченной энергией. Поэтому микростартеры должны обладать характеристиками низкого энергопотребления, чтобы продлить срок службы спутника. В конструкции двигателя, использование высокоэффективных электромагнитных материалов и оптимизированная структура обмотки для повышения эффективности двигателя, снижения энергопотребления. В то же время, оптимизируйте стратегию управления, динамически корректируя рабочее состояние стартера в соответствии с фактическими потребностями спутника, избегая ненужного потребления энергии.
(3) Электромагнитное проектирование микродвигателя
Миниатюрный двигатель является основным компонентом микростартера, его электромагнитная конструкция сталкивается со многими проблемами. Из - за небольших размеров магнитное поле воздушного зазора двигателя распределено неравномерно, что может легко привести к колебаниям крутящего момента и снижению эффективности. Чтобы решить эту проблему, необходимо использовать современное программное обеспечение для электромагнитного анализа для точного расчета и оптимизации конструкции магнитного поля двигателя. В то же время, изучение новых материалов с постоянным магнитом и электромагнитных структур для повышения плотности мощности и эксплуатационной стабильности двигателя.
(iv) Применение технологии микроэлектромеханических систем (MEMS)
Технология MEMS открывает новые возможности для развития микростартеров. Благодаря технологии MEMS датчики, исполнительные устройства и микропроцессоры могут быть интегрированы в крошечный чип для интеллектуального управления микростартером. Например, интегрированные микроакселерометры и гироскопы позволяют отслеживать изменения положения спутника в режиме реального времени, обеспечивая точную обратную связь для управления стартером. В то же время технология MEMS также может обеспечить массовое производство деталей для микростартеров и снизить затраты.
Глубокая интеграция стартеров и аэрокосмических двигателей является одним из ключевых факторов развития аэрокосмической техники. Благодаря инновациям в материалах и структурах в условиях сверхвысоких температур, а также преодолению технических проблем микро - запуска наноспутников, можно значительно улучшить производительность и надежность стартера и заложить прочную основу для будущего развития аэрокосмической промышленности. По мере того, как соответствующие технологии продолжают развиваться и внедряться, считается, что стартеры будут играть более важную роль в аэрокосмической отрасли.
