Un falco pescatore MV-22B della marina statunitense atterra nell'area di addestramento di Babadag, in Romania, in questa illustrazione fotografica del 2015, sollevando nuvole di particolato potenzialmente pericoloso nel processo. La ricerca presso NPS che impiega le ultime novità in ceramica ad altissima temperatura ha il potenziale per aumentare la resilienza dei motori a turbina all'ingestione di particolato, fondamentale per i velivoli DOD che operano in ambienti sabbiosi e salati. Credito:illustrazione della foto del Corpo dei Marines degli Stati Uniti del sergente. Paul Peterson
Alla fine del 2015, due marines sono stati uccisi e altri 20 feriti dopo che un MV-22 Osprey si è schiantato durante l'addestramento pre-dispiegamento alla base dell'aeronautica di Bellows alle Hawaii. Il colpevole era la sabbia nell'aria e le particelle di polvere che hanno causato condizioni di cali di tensione per gli aviatori e sono state ingerite nei motori dell'aereo, sciogliendosi a causa delle alte temperature e degradando i componenti interni, compromettendo la potenza e la portanza dell'aereo.
Meno di un mese dopo, quando il vulcano Momotombo eruttò, i voli commerciali furono costretti a rimanere a terra per evitare l'ingestione di particolato dalla persistente esplosione del vulcano.
Sabbia, polvere e altri particolati sono da decenni una spina nel fianco della tecnologia aeronautica. Negli anni '90, il problema era principalmente incentrato sull'erosione, ma i migliori rivestimenti sui motori hanno risolto quel problema.
Ora, il problema è più correlato alle alte temperature generate nei nuovi motori a turbina, che consentono prestazioni e potenza maggiori. A loro danno, tuttavia, queste temperature più elevate fondono il particolato quando ingerito nel motore, che può intasare la turbina.
Studente di fisica della Naval Postgraduate School (NPS) e borsista Meyer, il tenente Erick Samayoa e il suo consulente Dr. Andy Nieto, assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale (MAE) dell'NPS, con l'aiuto del collega assistente professore di ricerca NPS MAE Troy Ansell e UC San Il professor Jian Luo di Diego NanoEngineering, ha scoperto che le ceramiche ad altissima temperatura (UHTC) potrebbero essere sabbia-fobiche. In altre parole, la sabbia fusa non si attacca a loro.
Il loro studio, finanziato dallo Strategic Engineering and Research Development Program (SERDP), è stato il primo a esaminare il potenziale dell'utilizzo degli UHTC nelle turbine degli aerei. SERDP è uno sforzo congiunto del Dipartimento della Difesa (DoD), dell'Agenzia per la protezione ambientale (EPA) e del Dipartimento dell'energia (DoE). Questo progetto faceva parte di una collaborazione tra NPS, US Army Lab, Stony Brook University e l'azienda di materiali Oerlikon Metco.
Sebbene diverse aziende abbiano sviluppato filtri per ridurre l'assunzione di sabbia, è quasi impossibile tenere ogni particella fuori da una turbina e, sfortunatamente, le particelle più piccole sono quelle che si sciolgono più facilmente. Altre ricerche hanno esaminato i modi per rallentare la fusione della sabbia e di altri particolati risolidificandoli rapidamente attraverso l'introduzione di una controreazione, ma ciò non ha impedito in primo luogo alle particelle di attaccarsi al motore.
Il team di NPS, quindi, ha deciso di guardare al problema dal punto di vista dei materiali. Prima di approdare a NPS circa quattro anni fa, Nieto ha lavorato presso l'US Army Research Laboratory (ARL) e ha portato la sua ricerca e collaborazione con ARL con sé a NPS.
Ansell ha portato al team immagini di diverse particelle esposte a temperature ultra elevate catturate con un microscopio elettronico a trasmissione per vedere se e come interagiscono con gli UHTC. Luo ha fornito i materiali ceramici e ha contribuito ad analizzare i risultati utilizzando la sua esperienza nella ceramica ad alta entropia.
Samayoa dice che l'intero progetto è stata una curva di apprendimento pesante da quando era uno studente di fisica, ma la ricerca si adattava bene ai suoi obiettivi. E la qualità del suo lavoro ha mostrato, ha affermato Nieto, dicendo che la ricerca eseguita da Samayoa sarebbe stata un lavoro adatto per un dottorato di ricerca. studente.
Alla complessità della ricerca che utilizza UHTC si aggiunge la sfida di simulare il calore emesso dalle moderne turbine a gas. I ricercatori dovevano trovare un modo per testare i materiali a quella temperatura, richiedendo al team di acquisire la fornace più calda che NPS abbia mai avuto. Una volta operativi, il team di ricerca ha sviluppato un progetto per testare gli UHTC a temperature diverse per periodi di tempo diversi.
"Siamo stati i primi a sperimentare anche a queste temperature più elevate per qualsiasi materiale per queste applicazioni", afferma Nieto. "Era del tutto inaspettato che, aumentando la temperatura, avresti effettivamente ottenuto un certo grado di inerzia chimica da queste ceramiche ad altissima temperatura in cui non stavano interagendo con la sabbia fusa. Apre un possibile percorso in avanti nel modo in cui stanno progettando questi motori."
I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Materialia , nel dicembre 2021. + Esplora ulteriormente
