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印度航天新突破!碳/碳火箭發動機噴嘴使重量下降67%、載荷增15kg

作者:錢鑫博士

4月15日,印度國家航天機構——印度空間研究組織(Indian Space Research Organisation,縮寫為ISRO)官網宣布在火箭發動機技術上取得了新突破,ISRO成功開發了用于火箭發動機的輕質碳纖維增強碳複合材料(碳-碳/C-C)噴嘴。

印度航天新突破!碳/碳火箭發動機噴嘴使重量下降67%、載荷增15kg

維克拉姆薩拉巴伊太空中心(Vikram Sarabhai Space Centre, VSSC)完成的這項技術創新有望提高火箭發動機的重要參數,包括推力水準、比沖和推重比,進而提高運載火箭的有效載荷能力。

VSSC不斷拓展其在太空研究方面的開創性工作,利用碳-碳(C-C)複合材料等先進材料制造了一種具有特殊性能的噴嘴發散器。通過利用綠色複合材料的碳化、化學氣相滲透和高溫處理等工藝,它生産出了一種具有低密度、高比強度和剛度優異的噴嘴,即使在高溫下也能保持優異的機械性能。

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C-C複合材料噴嘴的一個關鍵特征是其特殊的碳化矽抗氧化塗層,這延長了其在氧化環境中的使用極限。這一創新不僅減少了熱應力,還增強了耐腐蝕性,使其在惡劣環境中延長工作溫度限制。

該技術突破的潛在影響是巨大的,特别是對印度空間研究組織(ISRO)的主力發射器——極地衛星運載火箭(Polar Satellite Launch Vehicle,PSLV)來說。PS4是PSLV的第四級,目前采用雙發動機,噴嘴由Columbium合金制成;然而,通過使用C-C複合材料噴嘴代替這些金屬噴嘴,可以實作約67%的重量下降。這種替代預計将使PSLV的有效載荷能力增加15公斤,這對太空任務來說是一個顯著的提高。

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C-C複合材料噴嘴的成功測試标志着ISRO在該領域的研究取得了新的一個重要裡程碑。2024年3月19日,在位于Mahendragiri的印度空間研究組織推進綜合體(ISRO Propulsion Complex,IPRC)的高空測試(High-Altitude Test,HAT)裝置中進行了60秒的熱測試,确認了系統的性能和硬體完整性。随後的測試,包括2024年4月2日的200秒熱測試,進一步驗證了噴嘴的性能,溫度達到1216K,與預測相符。

Valiamala的液體推進系統中心(Liquid Propulsion Systems Centre,LPSC)參與設計和進行了試驗測試,Mahendragiri的IPRC在其HAT設施中提供了測試儀器以及執行試驗。

關于印度空間研究組織ISRO

印度空間研究組織(ISRO)是印度國家航天機構,它是印度政府航天部(Department of Space,DOS)的一個主要組成部分。該部門主要通過印度航天研究組織内的各個中心或機關執行印度太空方案。

印度航天新突破!碳/碳火箭發動機噴嘴使重量下降67%、載荷增15kg

ISRO的前身是印度國家航天研究委員會(Indian National Committee for Space Research,INCOSPAR),由印度政府于1962年成立,1969年8月15日印度空間研究組織成立,取代了INCOSPAR,在利用航天技術方面發揮了更大的作用。1972年,DOS成立,ISRO隸屬于DOS部門。ISRO/DOS的主要目标是開發和應用太空技術以滿足各國的各種需要。

ISRO總部設在班加羅爾,其活動分布在各個中心和機關。運載火箭在Thiruvananthapuram的VikramSarabhai航天中心建造;衛星是在班加羅爾的U R Rao衛星中心設計和開發的;衛星和運載火箭的內建和發射是在斯裡哈裡科塔的薩蒂什·達萬航天中心進行的;液體級(包括低溫級)的開發在瓦利亞馬拉和班加羅爾的液體推進系統中心(LPSC)進行;通信和遙感衛星的傳感器以及空間技術的應用方面由艾哈邁達巴德的空間應用中心負責,遙感衛星資料的接收、處理和傳播由海得拉巴的國家遙感中心負責。

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