Микросекунды на ответ
Российские ученые создали самый быстрый датчик для гиперзвуковых технологий
Исследователи Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали датчик для измерения ударных волн, который реагирует в 10 раз быстрее существующих коммерческих аналогов. Разработка способствует созданию более совершенных гиперзвуковых летательных аппаратов и повысит безопасность промышленных объектов. Работа опубликована в престижном международном журнале Sensors & Actuators: A. Physical.
Фото: Предоставлено МФТИ
Фото: Предоставлено МФТИ
Измерение сверхзвуковых ударных волн — одна из ключевых задач при разработке аэрокосмических систем и обеспечении безопасности сложных промышленных объектов. Однако экстремальные условия — мгновенные скачки давления и температуры — часто выводят из строя датчики или искажают их показания.
Ученые МФТИ предложили решение: они создали новый композитный материал, сочетающий гибкость полимера с прочностью и термостойкостью керамики. Впервые в мире для детектирования ударных волн был применен композит на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) и керамики MAX-фазы — слоистых материалов, которые, как керамика, выдерживают высокие температуры и, как металлы, проводят ток.
«MAX-фазы — это удивительный класс материалов. Именно их уникальная слоистая структура, сочетающая прочность керамики и проводимость металлов, сделала этот прорыв возможным. Внедрение Ti3AlC2 (соединение титана, алюминия и углерода) в полимерную матрицу позволило нам радикально повысить термическую стабильность и долговечность сенсора, не жертвуя его свойствами»,— рассказал один из авторов работы, главный научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, доктор физико-математических наук Александр Сюй.
Интеграция частиц MAX-фазы в полимерную матрицу позволила создать композитную пленку толщиной всего 90 мкм, которая сохраняет работоспособность даже при мгновенных расчетных температурах, превышающих 350 °C.
Испытания в сверхзвуковой ударной трубе при скоростях до 1,77 Маха (выше скорости звука) показали впечатляющие результаты. Новый датчик продемонстрировал время отклика всего 33 микросекунды — почти на порядок быстрее коммерческих аналогов (около 270 микросекунд).
«Создание сенсора, способного выдерживать повторяющиеся сверхзвуковые удары без потери чувствительности, было серьезным вызовом из-за резких температурных флуктуаций. Интеграция MAX-фазы обеспечила необходимую структурную целостность. В результате мы получили сенсор, который не только выдерживает эти экстремальные условия, но и реагирует на них значительно быстрее коммерческих аналогов»,— поясняет первый автор исследования, аспирант МФТИ К. Заман Хан.
Разработка представляет интерес для аэрокосмической отрасли, где требуется точный мониторинг аэродинамических нагрузок на гиперзвуковых скоростях, а также для систем промышленной безопасности в энергетическом и химическом секторах.
По словам ученых, их разработка — яркий пример того, как фундаментальные исследования материалов трансформируются в конкретные инженерные решения. Уже сегодня интерес к проекту проявляют ведущие аэрокосмические и энергетические компании России. Решение готово к внедрению для обеспечения безопасности инфраструктуры в экстремальных условиях.
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.