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美軍研發高超音速武器,5倍音速最大難題,有望采用碳納米管克服

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-11-20   來源:三六五紗線網   作者:紗線網   瀏覽次數:565
核心提示:高超音速武器現在是五角大樓的頭等大事,美國軍方正在重點開發至少五個不同的超音速武器。新武器將會暴露于高達17,000度的溫度下,因此需要開發新型的耐熱材料。納米技術和碳納米管正作為關鍵技術,可以為建立

高超音速武器現在是五角大樓的頭等大事,美國軍方正在重點開發至少五個不同的超音速武器。新武器將會暴露于高達17,000度的溫度下,因此需要開發新型的耐熱材料。

納米技術和碳納米管正作為關鍵技術,可以為建立高超音速武器機身提供途徑。它將使運載系統能夠在5馬赫及以上的速度下在大氣層中飛行,碳納米管有望成為一種強大、輕便、能迅速散熱的材料。

美軍研發高超音速武器,5倍音速最大難題,有望采用碳納米管克服

高超音速武器是在大氣層中以令人難以置信的速度飛行的武器。高超音速的起始速度是5馬赫,是聲速的5倍,相當于每小時6173公里。它會以極快的速度推動物體穿過空氣,這樣就會會產生一個特有的問題: 隨著速度的增加,物體通過空氣的摩擦力也會增加。

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這種摩擦會產生熱量。SR-71黑鳥戰略偵察機和史上最快的有人駕駛飛機的外殼經常會在3馬赫速度時加熱到260攝氏度。在20世紀60年代期間飛行的X-15火箭飛機,在速度達到6馬赫時,溫度會達到648攝氏度。在速度達到10馬赫時,摩擦力足以“熔化最堅硬的鋼鐵”;而在20馬赫時,溫度將會達到驚人的9426攝氏度;最終高超音速武器可以達到24馬赫。

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由于航天器和核彈頭重新進入大氣層的技術挑戰,科學家和工程師們知道如何處理傳統的空氣摩擦問題。但是,當導彈彈頭從太空進入到大氣層并最終撞向目標時,一枚導彈彈頭從敵方目標上空脫離軌道時,僅能暴露在高溫下幾分鐘。另一方面,高超音速武器的整個飛行過程都在大氣層中進行,并且始終暴露在高溫下。

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如圖:碳納米管的計算機圖形表示。

防御1號網站上的文章介紹了科學家如何使用碳納米管解決熱量問題,一層碳納米管的保護涂層可以幫助野戰飛機和導彈在五倍音速的高溫下生存。

佛羅里達州立大學高性能材料研究所的科學家們,正在美國空軍的資助下,研究使用碳納米管作為高超音速武器的建筑材料。

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近年來,碳納米管顯示出了廣泛的應用潛力,從太空電梯到藥物輸送,無所不包。這種柔性分子只有十億分之一米寬,強度是鋼的100倍,但重量只有鋼的16%。

而且這些薄層還能很好地散熱和隔熱。碳納米管的平面內熱導率比碳纖維高得多,熱量一旦到達碳納米管的熱保護層表面,就會被迅速散發出去。

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能夠轉移大量表面熱量的新材料并非來自大自然,自然界中不存在碳納米管,它們必須被制造。從技術上講,納米級新材料的發明屬于納米技術,聽起來既奇特又昂貴。但近年來的生產工藝降低了碳納米管片的生產成本。

目前存在多種制造方法,包括使用電弧閃光、激光等小型電爆炸方式。而制造碳納米管所需的大規格薄片和紗線材料也可以很容易在市場上買到。

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碳納米管是由直徑只有一納米的碳管組成的合成材料。碳納米管比鋼更強,并且隔熱。現在研究人員發現,將碳納米管浸泡在苯酚中,可以使它們的散熱能力提高六分之一,從而可以減少用于同一制造任務的納米材料的使用數量,更薄的碳納米管就可以發揮同等的作用。

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這對高超音速武器意味著什么?它意味著材料可以承受大氣中高超音速飛行所產生的熱量和壓力,高音速武器設計人員最終甚至可以通過使用更厚的材料層來安全地實現更高速度的飛行。

 
 
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