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氮化硼纳米管可替代BN,适用于航天新一代大功率霍尔推力器 (HET)

信息来源:本站 | 发布日期: 2022-05-12 08:06:44 | 浏览量:194844

摘要:

两年前我国的首款20千瓦大功率霍尔推力器 (HET) 成功完成点火试验,点火时间累计达8小时,点火次数超过30次,实现了我国霍尔电推力器推力从毫牛级向牛级的跨越。大家在欢喜之余其实很多人却是一脸懵,霍尔推进器,是个啥?简单地说传统火箭推进器靠的是燃烧化学燃料,而霍…

两年前我国的首款20千瓦大功率霍尔推力器 (HET) 成功完成点火试验,点火时间累计达8小时,点火次数超过30次,实现了我国霍尔电推力器推力从毫牛级向牛级的跨越。

大家在欢喜之余其实很多人却是一脸懵,霍尔推进器,是个啥?

简单地说传统火箭推进器靠的是燃烧化学燃料,而霍尔推进器靠的是强磁场和电场,抛出的是离子流。

本篇文章主要是想简单介绍下新材料氮化硼纳米管,在新一代航天飞行器上的应用。

刚才咱们讲到了霍尔推进器与传统发动机的基本原理,它的作用是利用电能加热、离解和加速工质,使其形成高速射流而产生推力的技术。与化学推进相比,电推进具有比冲高、推力小、适应于重复启动、重量轻和寿命长等特性。因而电推进可作为航天飞行器控制姿态、轨道偏移和提升、轨道修正、阻力补偿、宇宙探测和星际航行等等任务。

在该技术的发展中,先进的材料是保障它可以持续发展的有效动力,因为HET对材料的要求非常高,比如:

1. 高介电强度——由于涉及电压,它们必须非常介电;

2. 抗热冲击——卫星暴露在太空中的极端温度波动中;

3. 高导热性——热产生的电气条件需要足够的冷却;

4. 低 CTE – 由于温度波动,HTC 必须保持尺寸稳定;

5. 低密度——空间受限组件的重量对于高效发射和操作至关重要。

HET必须承受苛刻的材料条件以及复杂的设计要求,而这些设计通常只能使用易于加工的陶瓷材料来制造。

现今人们想要获得更远的星际航行,就需要更强大的材料解决方案。目前BNNT(氮化硼纳米管)作为更先进的材料可以替代BN,理论上仅需更少的BNNT即可实现同等的作用,这样可节省开发成本和提升性能。

BNNT是六方氮化硼 (h-BN) 的三维结晶形式,也称为白色石墨烯。BNNT的厚度从一个到几个原子层不等,它具有与其全碳模拟石墨烯相似的几何形状,各项性能更适用于航天飞行器。

该材料的组成由氮化硼纳米管>90% ,杂质六方氮化硼< 10%,硼元素 < 1%。同时热稳定性(在空气中高达 900°C)、带隙 > 5.5eV、杨氏模量(高达 1.3 TPa)、具有出色的导绝缘性、压电性、抑制热中子辐射和低密度性等都非常适用于HET。

另外,NanoBarbs™氮化硼纳米管在应用业绩方向,已为美国军方的所有分支机构、NASA、全球政府实验室等提供材料合作,2021年还与美国海军研究(NPS) 签订了合作研发协议 (CRADA)。共有多位材料专家计划将NanoBarbs™氮化硼纳米管用于自己的最近研发中,皆在为使纳米材料具有广泛的应用(即催化剂、电池、超级电容器、抗冲击、结构部件、微电子、高温系统和与传导有关的航空航天复合结构),还计划使用NanoBarbs™ 提高航空航天工业使用的轻质碳纤维复合材料以及相变材料的导热性等。


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