Mở rộng các ứng dụng sợi carbon - cánh quạt trực thăng hàng không vũ trụ hoặc hạ cánh trên Sao Hỏa.
Máy bay trực thăng Ingenuity Mars của NASA đang khám phá miệng núi lửa Jezero trên sao Hỏa, trong khi các kỹ sư của NASA đang thử nghiệm các cánh quạt bằng sợi carbon trên Trái đất cho thế hệ máy bay trực thăng sao Hỏa tiếp theo. Những chiếc trực thăng này được thiết kế để vượt qua hiệu suất của Ingenuity, đặc biệt đối với sứ mệnh mang mẫu vật về Sao Hỏa được lên kế hoạch vào những năm 2030.
Áp suất khí quyển trên bề mặt Sao Hỏa nhỏ hơn 1% áp suất trên Trái đất và trọng lực bề mặt của nó là khoảng một phần ba. Do áp suất bề mặt cực thấp này, tốc độ cánh quạt của Ingenuity phải nằm trong khoảng từ 2400 đến 2900 vòng quay mỗi phút (vòng/phút) để bay trên Sao Hỏa. Con số này cao hơn đáng kể so với trên Trái đất, nơi máy bay trực thăng thường chỉ cần 500 đến 600 vòng/phút để bay.
Ingenuity có bốn cánh quạt bằng sợi carbon được sắp xếp thành hai cánh quạt quay ngược chiều nhau, nghĩa là chúng quay theo hai hướng ngược nhau, với sải cánh là 1,2 mét và hoạt động ở tốc độ cánh quạt nói trên là 2400 đến 2900 vòng/phút. Ngoài ra, Ingenuity nặng khoảng 1,8 kg trên Trái đất, nhưng do lực hấp dẫn của Sao Hỏa chỉ bằng 1/3 so với Trái đất nên nó chỉ nặng 0,68 kg trên bề mặt Sao Hỏa.
Đối với thế hệ máy bay trực thăng sao Hỏa tiếp theo, các kỹ sư tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA ở Pasadena đang thiết kế các cánh quạt dài hơn 10 cm so với cánh của Ingenuity, có thiết kế khác biệt và độ bền cao hơn.
Ưu điểm của sợi carbon trong ứng dụng hàng không vũ trụ
Vật liệu tổng hợp sợi carbon mang lại một số lợi thế về hiệu suất trong ngành hàng không vũ trụ mà vật liệu kim loại truyền thống không có, cho phép chúng hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khắc nghiệt của không gian và mang lại thời gian sử dụng lâu dài.
Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao: Vật liệu tổng hợp sợi carbon nổi tiếng với tỷ lệ độ bền trên trọng lượng đặc biệt. Đặc tính này cho phép các kỹ sư hàng không vũ trụ thiết kế các cấu trúc nhẹ mà không ảnh hưởng đến độ bền, từ đó cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu và hiệu suất tổng thể.
Độ cứng: Sợi carbon vốn có độ cứng, mang lại tính toàn vẹn cấu trúc tuyệt vời. Độ cứng này rất quan trọng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, nơi các bộ phận phải duy trì hình dạng và chống biến dạng dưới tải trọng khí động học và cơ học.
Chống mỏi: Vật liệu tổng hợp sợi carbon có khả năng chống mỏi tốt, khiến chúng phù hợp với các bộ phận chịu tải trọng tuần hoàn, chẳng hạn như cấu trúc cánh và thân máy bay. Đặc tính này giúp nâng cao tuổi thọ và độ bền của các cấu trúc hàng không vũ trụ.
Chống ăn mòn: Không giống như kim loại, sợi carbon không bị ăn mòn, điều này thuận lợi cho các ứng dụng hàng không vũ trụ thường xuyên tiếp xúc với điều kiện môi trường khắc nghiệt (ví dụ: độ cao và nhiệt độ thay đổi).
Thiết kế linh hoạt: Vật liệu tổng hợp sợi carbon có thể được đúc thành các hình dạng phức tạp, cho phép thiết kế linh hoạt hơn. Điều này đặc biệt có lợi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, nơi việc cân nhắc về cấu trúc và khí động học thường đòi hỏi các thiết kế phức tạp và hợp lý.
Độ dẫn điện: Sợi carbon có tính dẫn điện, có thể có lợi cho một số ứng dụng hàng không vũ trụ, giúp tiêu tán tĩnh điện và nhiễu điện từ, từ đó cung cấp thêm chức năng trong thiết kế máy bay.
Ổn định nhiệt: Vật liệu tổng hợp sợi carbon thể hiện tính ổn định nhiệt tốt, cho phép chúng chịu được nhiệt độ cao mà không bị suy giảm đáng kể. Đặc tính này rất quan trọng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ vì các bộ phận có thể tiếp xúc với nhiệt độ cực cao trong suốt chuyến bay.
Giảm chi phí bảo trì: Độ bền và khả năng chống ăn mòn của vật liệu tổng hợp sợi carbon góp phần giảm chi phí bảo trì cho các bộ phận hàng không vũ trụ trong toàn bộ vòng đời của chúng, kéo dài khoảng thời gian bảo trì và nâng cao độ tin cậy.
