陆军研究人员解决了一个小敌人:沙子

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装甲可以提供可靠的防御,以抵抗外力,但是如果敌人很小,可以将飞机从内部炸落,该怎么办?

沙尘会严重损坏直升机发动机,这就是为什么陆军研究实验室的科学家和工程师正在高温环境中尝试涂层的目的,目的是制造某种东西— anything —这将导致沙子像鸡蛋从不粘锅上滑下来一样从涡轮发动机的内部滑落。

“我们正在经历一个非常有条理的过程,以了解基础科学,然后使用科学来预测材料(所谓的工程材料或定制材料),这将导致正确的解决方案,”实验室首席科学家Anindya Ghoshal博士解释说’车辆技术总局。

Ghoshal率领军队’努力发展他所说的“sandphobic”涂料。他说,在诸如西南亚这样的地区,陆军经常必须应对电力不足的情况,在此期间,沙粒和其他粉尘颗粒会被吸入发动机。

“我们的目标是让颗粒撞击[在燃气轮机内部]的叶片或叶片,然后剥落,” he said. “当我们开始研究这个问题时,我们发现…我们想了解物理,化学行为。一旦做到这一点,我们的想法就是采用该模型,然后预测将使我们能够开发出这种防沙涂层的材料类型。”

直升机已经具有试图过滤出较大颗粒的过滤系统,但戈沙尔说,微米级颗粒可以通过涡轮机’燃烧器并粘附在叶片上。这会阻塞气流,并可能导致发动机损失。

In austere environments with lots of sand and dust, 军队 aviators risk engine loss without a technology solution to protect their gas turbine engines. 军队 researchers are searching for a 沙尘 coating.

“我们这里有一个独特的钻机,”耐沙涂层小组的物理学家迈克尔·沃洛克博士说。“热颗粒吸入装置使我们能够将砂子射入热气流中的少量组件,并迅速制作出新的涂层材料原型。有了这个系统,我们’做到了世界第一。我们使用高速成像技术来确认影响这些隔热涂层的沙粒的熔融状态。”

计算机模拟还帮助研究人员找到一种技术解决方案。

“计算机建模将在帮助我们研究粒子与表面之间的相互作用方面扮演重要角色,”实验室代理团队负责人Muthuvel Murugan博士说’的涡轮机械研究团队。“颗粒经历从固态到液态的相变,然后沉积到表面上。”

在军队’该小组的车辆研究实验室拍摄了高速视频,揭示了熔融的沙子颗粒会溅落在涡轮叶片材料目标上,然后蒸发—科学界的第一人。

“对这种多物理场复杂现象的计算机建模将使我们能够了解破坏机理,” Murugan said.

除了低能见度的危险之外,沙尘还严重破坏了飞机发动机内部。随着熔砂在燃气轮机内部积聚,气流受到限制,导致功率损失。陆军科学家和工程师正在努力发现疏沙涂层以挽救生命。

穆鲁根说,他们希望在APG的国防部高性能计算中心使用超级计算机的功能。

“我们将使用先进的计算流体动力学以及颗粒吸收技术,以更好地了解与燃气轮机发动机相关的高温下沙粒的相互作用机理,” he said. “当我们模拟粒子如何通过流场并撞击并粘附到表面时,我们便可以了解涡轮叶片的易损部分并设计出防沙涂层解决方案。”

沙尘涂料的研究是陆军实验室官员称之为“科学机动计划”的一项较大战略努力的一部分。

“通过这次战役,我们希望发现,创新和转变以科学技术为基础的能力,这些能力将大大提高陆军的部队效力和全球响应能力,”代理ARL总监Philip Perconti博士说。“As we look to how we’为了使未来的陆军有能力,我们认为有必要发现技术解决方案,以改善航空响应能力并最大程度地减少脆弱性。”

今年初,Ghoshal’的团队通过实验室大学合作计划(LUCI)获得了DOD资金,这意味着在与国家安全科学与工程学院研究员的合作下,三年内将获得60万美元。 Ghoshal与加利福尼亚大学圣地亚哥分校的罗剑博士合作。

陆军科学家Michael Walock博士(左)介绍了美国陆军研究实验室的运作情况’为ARL博士后研究员Andy Nieto博士准备的高温颗粒物摄取装置。

“社区内部正在进行紧密合作以解决此问题,” Ghoshal said.

Ghoshal还与其他大学,行业和政府机构紧密合作,例如俄亥俄州立大学;康涅狄格大学;北德克萨斯大学爱荷华州立大学;北达科他大学;波音陆军航空与导弹研究,开发和工程中心;空军研究实验室;海军航空系统司令部;和NASA。

在2015年,研究小组提出了初步发现,“透平机械叶片热机械界面科学和憎沙涂层研究,”在弗吉尼亚州弗吉尼亚海滩举行的美国直升机学会国际第71届年度论坛上发表论文。“推进课程最佳论文奖”在会议上,戈沙尔说。

该团队的新研究成果还将发表在国际期刊《航空航天科学进展》 2017年1月号上。

“我坚信,在未来三到五年中,我们将不仅有一个解决方案,而且还会有几个解决方案,” Ghoshal said. “肯定会节省很多士兵’从长远来看。我们的解决方案将使我们的士兵’生活安全,将使我军更加强大。”
 

热颗粒吸入装置可复制燃气涡轮发动机内部的温度,从而使陆军科学家和工程师可以将沙子射入热气流中,并尝试使用不同的涂料解决方案。

 

在电力不足的情况下,当直升机飞入沙云中时,微米大小的颗粒会通过涡轮 ’燃烧器并粘附在发动机叶片上,从而限制了空气流动并导致功率损失。陆军科学家使用样品来发现发动机内部潜在的疏沙涂层。

 

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