36 týždňov sa scvrklo na pár dní. USA rapídne zrýchlili výrobu materiálu pre hypersonické zbrane

Inžinieri z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory vyvinuli nový spôsob výroby uhlík-uhlíkových kompozitov, ktoré sa používajú v raketových dýzach, tepelných štítoch aj hypersonických strojoch. Proces FAST CAR² dokáže namiesto opakovaného spracovania trvajúceho celé mesiace vytvoriť hustý materiál v priebehu niekoľkých dní. Samotné finálne zhutnenie trvá iba minúty.

Pri hypersonickom lete nestačí vyriešiť iba motor. Objekt letiaci rýchlosťou nad Mach 5 sa v atmosfére prudko zahrieva a jeho predné hrany, nos či okolie pohonu musia prežiť podmienky, pri ktorých bežné kovy a kompozity strácajú svoje vlastnosti.

Jedným z materiálov určených práve na takéto prostredie je carbon-carbon, teda uhlík-uhlíkový kompozit. Tvorí ho kostra z uhlíkových vlákien obklopená ďalším uhlíkom a výsledkom je ľahký materiál, ktorý zostáva mechanicky stabilný aj pri teplotách presahujúcich približne 5 000 °F, teda 2 800 °C. Johns Hopkins APL teraz ukázal spôsob, ako jeho výrobu výrazne zrýchliť.

Jeden komerčný kus vznikal 36 týždňov

Problémom uhlík-uhlíkových kompozitov nie sú iba náklady, ale najmä čas. Pri tradičnej výrobe zostáva medzi uhlíkovými vláknami množstvo mikroskopických pórov. Výrobcovia ich postupne vypĺňajú uhlíkom buď pomocou plynnej fázy, alebo opakovanou impregnáciou živicou a následnou pyrolýzou. Jeden cyklus však nestačí, a preto sa celý postup opakuje znovu a znovu.

APL pri porovnaní ukázalo komerčný materiál vyrábaný tradičným procesom 36 týždňov. Na CT snímkach boli stále viditeľné póry dosahujúce až približne jeden milimeter.

Práve dlhá výroba sa stáva problémom aj pre obranný priemysel. USA chcú hypersonické systémy dostať z drahých demonštrátorov k častejšiemu testovaniu a väčším sériám. Podobnú snahu sme na FonTechu rozoberali pri americkom systéme HAVOC, ktorý je od začiatku navrhovaný s dôrazom na jednoduchšiu sériovú výrobu. Pri raste produkcie však nestačí zrýchliť výrobu raketových motorov. Rovnakým tempom musia pribúdať aj materiály schopné prežiť samotný let.

FAST CAR² zhutní materiál za minúty

Nová metóda dostala názov Field-Assisted Sintering Technique for Carbon-Carbon, skrátene FAST CAR². Namiesto toho, aby sa uhlík do poréznej štruktúry dostával počas mnohých samostatných cyklov, výskumníci vložia materiál obsahujúci uhlík priamo medzi vlákna a následne použijú vysoký tlak spolu s veľmi rýchlym elektrickým ohrevom.

Samotná fáza zhutňovania potom podľa APL trvá iba niekoľko minút. Príprava a dokončenie výrobku stále vyžadujú ďalšie kroky, takže celý diel nevznikne za pár minút, ale v priebehu niekoľkých dní namiesto mesiacov.

Prvý valček s priemerom približne 2,5 cm tím vyrobil za niekoľko dní, teda za menej než desatinu času potrebného pri klasickom procese. Neskôr sa dostal na 15-centimetrové a napokon 20-centimetrové vzorky, čím overil, že metóda nemusí zostať iba pri drobných laboratórnych kusoch.

Ursa Major/Canva

Mikroskopické analýzy navyše ukázali póry veľké iba niekoľko mikrometrov. Výskumníci následne vzorky vystavili aj supersonickému prúdu extrémne horúceho plynu a ich správanie bolo podľa APL porovnateľné s priemyselne vyrábanými uhlík-uhlíkovými kompozitmi.

Rovnaký typ materiálu letí aj tesne pri Slnku

Uhlík-uhlíkové kompozity pritom nie sú experimentálnym materiálom bez reálneho využitia.

Používajú sa napríklad v raketových dýzach, nosoch rakiet či tepelných ochranných systémoch. Uhlíkové kompozity chránia aj Parker Solar Probe. NASA pri jej tepelnom štíte použila dve uhlík-uhlíkové vrstvy okolo ľahkého uhlíkového jadra. Sonda pri najbližších preletoch okolo Slnka stále dosahuje približne 700 000 km/h a jej tepelná ochrana zostáva funkčná aj po rokoch extrémneho namáhania.

Na FonTechu sme už pri rekordných preletoch Parker Solar Probe vysvetľovali, prečo je uhlíkový tepelný štít pre takúto misiu nevyhnutný. Pri hypersonických zbraniach je fyzikálny problém iný, no požiadavka zostáva podobná – materiál nesmie pri extrémnom zahrievaní stratiť tvar ani pevnosť.

To bude čoraz dôležitejšie aj pri ďalších amerických projektoch. DARPA napríklad pripravuje hypersonický systém škálovateľný pre misie približne do 3 700 km a medzi technológiami, ktoré potrebuje vyriešiť, priamo uvádza aj vysokoteplotné materiály a tepelný manažment.

Najväčšia skúška ešte len príde

FAST CAR² však zatiaľ nie je hotová priemyselná výrobná linka. APL samo upozorňuje, že technológia je stále v skorom štádiu a hlavným problémom bude škálovanie na podstatne väčšie diely. Výskumníci preto spolupracujú s externými partnermi, ktorí majú väčšie lisy a umožnia preveriť výrobu komponentov bližších reálnym rozmerom raketových či hypersonických systémov.

Zatiaľ tiež nepoznáme cenu veľkosériovej výroby ani údaje z dlhodobého testovania plnohodnotných súčiastok. Nová metóda preto ešte nedokazuje, že USA dokážu zrazu vyrábať hypersonické strely násobne rýchlejšie.

Odstraňuje však jeden konkrétny problém: materiál, na ktorý sa dnes môže čakať celé mesiace, dokázali výskumníci pripraviť za niekoľko dní bez toho, aby pri prvých testoch prišli o požadovanú hustotu a tepelnú odolnosť.

Čítajte viac z kategórie: Novinky