美國國家航空航天局(NASA)的“機智”號火星直升機正在火星的杰澤羅隕石坑探索,與此同時,NASA的工程師們也在地球上測試碳纖維葉片,用于下一代火星直升機,這些直升機將在未來的火星任務中超越“機智”號的性能,特別是計劃在2030年代實現的火星樣本返回任務。
  
 
  火星表面大氣壓力和表面重力分別只有地球表面的不到1%和三分之一,正是由于這種極低的表面壓力,使得“機智”號的每分鐘轉速(rpm)在2400到2900之間才能在火星上飛行。這比地球上高得多,因為直升機通常只需要500到600rpm就能飛行。
  
  “機智”號火星直升機采用了四片碳纖維葉片,組成了兩個反向旋轉的旋翼,意味著它們相互反向旋轉,跨度為1.2米,如上說述轉速在2400到2900rpm之間。此外,“機智”號在地球上的重量約為1.8公斤,但由于火星的重力只有地球的三分之一,“機智”號在火星表面的重量只有0.68公斤。
  
  對于下一代火星直升機,NASA在帕薩迪納的噴氣推進實驗室(JPL)的工程師們正在構造比“機智”號的葉片長10厘米的葉片,同時具有不同的設計和更高的強度。
  
 
  碳纖維在航天領域有什么應用優勢?
  
  碳纖維復合材料在航空航天領域具備多種傳統金屬材料不具備的性能優勢,在太空的惡劣環境中可以有效的發揮機械性能,并長久的使用下去。
  
  1、高強度重量比:碳纖維復合材料以其卓越的強度重量比而聞名,這一特性使航空航天工程師能夠在不影響強度的情況下設計輕質結構,從而有助于提高燃油效率和整體性能。
  
  2、剛度:碳纖維本身就具有剛度,可提供出色的結構完整性,這種剛度在航空航天應用中至關重要,其中部件需要在空氣動力和機械載荷下保持其形狀并抵抗變形。
  
  3、抗疲勞性:碳纖維復合材料具有良好的抗疲勞性,使其適用于承受循環載荷的部件,例如機翼和機身結構,這一特性有助于提高航空航天結構的壽命和耐用性。
  
  4、耐腐蝕性:與金屬不同,碳纖維不會腐蝕,這對于經常暴露于惡劣環境條件(例如高海拔和變化的溫度)的航空航天應用來說是有利的。
  
  5、設計靈活性:碳纖維復合材料可以模制成復雜的形狀,從而實現更大的設計靈活性,這在航空航天領域尤其有利,因為空氣動力學和結構考慮因素通常需要復雜且流線型的設計。
  
  6、導電性:碳纖維具有導電性,這對于某些航空航天應用來說是有利的,可用于消散靜電和電磁干擾,為飛機設計提供附加功能。
  
  7、熱穩定性:碳纖維復合材料具有良好的熱穩定性,使其能夠承受高溫而不會明顯降解,這一特性在航空航天應用中至關重要,因為部件在飛行過程中可能會暴露在極熱的環境中。
  
  8、降低維護成本:碳纖維復合材料的耐用性和耐腐蝕性有助于降低航空航天部件在整個使用壽命期間的維護成本,從而延長維修間隔并提高可靠性。