การบินและระบบขับเคลื่อนของเครื่องบิน

ปัจจุบัน วิศวกรของ MIT ได้พัฒนาวิธีการผลิตวัสดุผสมเกรดการบินและอวกาศโดยไม่ต้องใช้เตาอบและภาชนะรับความดันขนาดมหึมา เทคนิคนี้อาจช่วยเพิ่มความเร็วในการผลิตเครื่องบินและโครงสร้างคอมโพสิตขนาดใหญ่ที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น ใบพัดสำหรับกังหันลม นักวิจัยให้รายละเอียดวิธีการ ใหม่ของพวกเขาในเอกสารที่ตีพิมพ์ในวารสารAdvanced Materials Interfaces “หากคุณกำลังสร้างโครงสร้างหลัก เช่น ลำตัวเครื่องบินหรือปีก คุณต้องสร้างภาชนะรับแรงดันหรือหม้อนึ่งความดันขนาดเท่าอาคารสองหรือสามชั้น ซึ่งต้องใช้เวลาและเงินในการเพิ่มแรงดัน” ไบรอันกล่าว Wardle ศาสตราจารย์ด้านการบินและอวกาศที่ MIT "สิ่งเหล่านี้เป็นโครงสร้างพื้นฐานชิ้นใหญ่ ตอนนี้เราสามารถสร้างวัสดุโครงสร้างหลักได้โดยไม่ต้องใช้แรงดันหม้อนึ่งความดัน ดังนั้นเราจึงสามารถกำจัดโครงสร้างพื้นฐานทั้งหมดได้" ผู้เขียนร่วมของ Wardle เป็นผู้เขียนนำและ MIT postdoc Jeonyoo Lee และ Seth Kessler จาก Metis Design Corporation ซึ่งเป็นบริษัทตรวจสอบสุขภาพโครงสร้างการบินและอวกาศในบอสตัน ออกจากเตาอบเป็นผ้าห่ม ในปี 2558 Lee นำทีมร่วมกับสมาชิกอีกคนของห้องทดลองของ Wardle ในการสร้างวิธีการทำวัสดุผสมเกรดการบินและอวกาศโดยไม่ต้องใช้เตาอบเพื่อหลอมรวมวัสดุเข้าด้วยกัน แทนที่จะวางวัสดุเป็นชั้นๆ ไว้ในเตาอบเพื่อบ่ม นักวิจัยกลับห่อวัสดุเหล่านั้นด้วยฟิล์มบางเฉียบของท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) เมื่อใช้กระแสไฟฟ้ากับฟิล์ม CNTs เช่นผ้าห่มไฟฟ้าระดับนาโนจะสร้างความร้อนอย่างรวดเร็ว ทำให้วัสดุภายในแข็งตัวและหลอมรวมกัน ด้วยเทคนิคนอกเตาอบหรือ OoO นี้ ทีมงานสามารถผลิตวัสดุผสมที่แข็งแรงพอๆ กับวัสดุที่ผลิตในเตาอบสำหรับผลิตเครื่องบินทั่วไป โดยใช้พลังงานเพียง 1 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น ต่อไป นักวิจัยมองหาวิธีสร้างคอมโพสิตที่มีประสิทธิภาพสูงโดยไม่ต้องใช้หม้อนึ่งความดันสูงขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นภาชนะขนาดสร้างที่สร้างแรงกดดันสูงพอที่จะกดวัสดุเข้าด้วยกัน บีบช่องว่างหรือช่องอากาศที่ส่วนต่อประสาน . Wardle กล่าวว่า "พื้นผิวแต่ละชั้นของวัสดุมีความหยาบในระดับจุลภาค และเมื่อคุณนำสองชั้นมารวมกัน อากาศจะติดอยู่ระหว่างพื้นที่ขรุขระ ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของช่องว่างและจุดอ่อนในวัสดุผสม" Wardle กล่าว "หม้อนึ่งฆ่าเชื้อสามารถผลักดันช่องว่างเหล่านั้นไปที่ขอบและกำจัดมันได้" นักวิจัยรวมถึงกลุ่มของ Wardle ได้สำรวจเทคนิค "out-of-autoclave" หรือ OoA ในการผลิตคอมโพสิตโดยไม่ต้องใช้เครื่องจักรขนาดใหญ่ แต่เทคนิคเหล่านี้ส่วนใหญ่ได้ผลิตวัสดุคอมโพสิตที่เกือบ 1 เปอร์เซ็นต์ของวัสดุมีช่องว่าง ซึ่งอาจส่งผลต่อความแข็งแรงและอายุการใช้งานของวัสดุ ในการเปรียบเทียบ วัสดุผสมเกรดการบินและอวกาศที่ผลิตในหม้อนึ่งความดันมีคุณภาพสูงจนไม่มีช่องว่างใด ๆ ที่บรรจุอยู่ในนั้นเล็กน้อยและไม่สามารถวัดได้ง่าย Wardle กล่าวว่า เครื่องบิน "ปัญหาของวิธีการ OoA เหล่านี้ก็คือ วัสดุเหล่านี้ได้รับการคิดค้นสูตรมาเป็นพิเศษ และไม่มีวัสดุใดที่มีคุณสมบัติเหมาะสมสำหรับโครงสร้างหลัก เช่น ปีกและลำตัว" Wardle กล่าว "พวกเขากำลังรุกล้ำเข้าไปในโครงสร้างรอง เช่น พนังและประตู แต่ก็ยังมีช่องว่างอยู่" ความดันฟาง ส่วนหนึ่งของงานของ Wardle มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาเครือข่ายรูพรุนระดับนาโน ซึ่งเป็นฟิล์มบางพิเศษที่ทำจากวัสดุขนาดเล็กที่เรียงตัวกันเป็นระนาบ เช่น ท่อนาโนคาร์บอน ซึ่งได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมด้วยคุณสมบัติพิเศษ รวมถึงสี ความแข็งแรง และความจุไฟฟ้า นักวิจัยสงสัยว่าฟิล์มนาโนรูพรุนเหล่านี้สามารถใช้แทนหม้อนึ่งฆ่าเชื้อขนาดยักษ์เพื่อบีบช่องว่างระหว่างชั้นวัสดุสองชั้นได้หรือไม่ เป็นไปได้ยากอย่างที่คิด ฟิล์มบางๆ ของท่อนาโนคาร์บอนมีลักษณะเหมือนป่าทึบ และช่องว่างระหว่างต้นไม้สามารถทำหน้าที่เหมือนท่อนาโนขนาดบางหรือเส้นเลือดฝอย เส้นเลือดฝอย เช่น หลอดสามารถสร้างแรงดันตามรูปทรงเรขาคณิตและพลังงานพื้นผิว หรือความสามารถของวัสดุในการดึงดูดของเหลวหรือวัสดุอื่นๆ นักวิจัยเสนอว่าหากฟิล์มบางของท่อนาโนคาร์บอนถูกประกบระหว่างวัสดุสองชนิด เมื่อวัสดุได้รับความร้อนและทำให้นิ่มลง หลอดเลือดฝอยระหว่างท่อนาโนคาร์บอนควรมีพลังงานพื้นผิวและรูปทรงเรขาคณิตที่พวกมันจะดึงวัสดุเข้าหากัน อื่น ๆ แทนที่จะปล่อยให้เป็นโมฆะระหว่างกัน Lee คำนวณว่าความดันเส้นเลือดฝอยควรมากกว่าความดันที่ใช้โดยหม้อนึ่งฆ่าเชื้อ นักวิจัยได้ทดสอบแนวคิดของพวกเขาในห้องแล็บด้วยการปลูกฟิล์มของท่อนาโนคาร์บอนที่วางแนวตั้งโดยใช้เทคนิคที่พวกเขาพัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้ จากนั้นจึงวางฟิล์มระหว่างชั้นของวัสดุที่มักใช้ในการผลิตโครงสร้างเครื่องบินขั้นต้นโดยใช้หม้อนึ่งฆ่าเชื้อ พวกเขาห่อชั้นในฟิล์มที่สองของท่อนาโนคาร์บอน ซึ่งใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อทำให้ร้อนขึ้น พวกเขาสังเกตว่าเมื่อวัสดุได้รับความร้อนและนิ่มลง พวกมันจะถูกดึงเข้าไปในหลอดเลือดฝอยของฟิล์ม CNT ระดับกลาง คอมโพสิตที่ได้ไม่มีช่องว่าง คล้ายกับวัสดุผสมเกรดอากาศยานที่ผลิตในหม้อนึ่งความดัน นักวิจัยนำวัสดุคอมโพสิตไปทดสอบความแข็งแรง โดยพยายามดันชั้นต่างๆ ออกจากกัน แนวคิดที่ว่าหากมีช่องว่างจะทำให้ชั้นต่างๆ แยกจากกันได้ง่ายขึ้น Wardle กล่าวว่า "ในการทดสอบเหล่านี้ เราพบว่าวัสดุผสมนอกหม้อนึ่งฆ่าเชื้อของเรามีความแข็งแรงพอๆ ต่อไป ทีมงานจะมองหาวิธีขยายขนาดฟิล์ม CNT ที่สร้างแรงดัน ในการทดลอง พวกเขาทำงานกับตัวอย่างที่มีขนาดกว้างหลายเซนติเมตร ซึ่งใหญ่พอที่จะแสดงให้เห็นว่าเครือข่ายรูพรุนระดับนาโนสามารถกดดันวัสดุและป้องกันไม่ให้เกิดช่องว่างได้ เพื่อให้กระบวนการนี้สามารถผลิตปีกและลำตัวทั้งหมดได้ นักวิจัยจะต้องหาวิธีในการผลิต CNT และฟิล์มนาโนพรุนอื่นๆ ในขนาดที่ใหญ่ขึ้นมาก Wardle กล่าวว่า "มีวิธีการผลิตผ้าห่มขนาดใหญ่จริงๆ และมีการผลิตผ้าปูที่นอน เส้นด้าย และม้วนวัสดุอย่างต่อเนื่องซึ่งสามารถรวมไว้ในกระบวนการนี้ได้" Wardle กล่าว นอกจากนี้ เขายังวางแผนที่จะสำรวจสูตรต่างๆ ของฟิล์มนาโนรูพรุน เส้นเลือดฝอยทางวิศวกรรมของพลังงานพื้นผิวและรูปทรงเรขาคณิตต่างๆ เพื่อให้สามารถกดดันและยึดเกาะวัสดุประสิทธิภาพสูงอื่นๆ ได้ "ตอนนี้เรามีโซลูชันวัสดุใหม่ที่สามารถให้แรงดันตามต้องการได้ในที่ที่คุณต้องการ" Wardle กล่าว "นอกเหนือจากเครื่องบินแล้ว การผลิตชิ้นส่วนประกอบส่วนใหญ่ในโลกคือท่อประกอบ สำหรับน้ำ ก๊าซ น้ำมัน ทุกสิ่งที่เข้ามาและออกจากชีวิตของเรา นี่อาจทำให้การผลิตสิ่งเหล่านี้ทั้งหมดโดยไม่ต้องใช้เตาอบและโครงสร้างพื้นฐานของหม้อนึ่งฆ่าเชื้อ"