Opracowanie mikrosondy dwukierunkowo mierzącej temperaturę i strumień cieplny z użyciem cienkiej warstwy Pt do pomiarów przejściowych do 1400 °C.

Pomiary ekstremalnego nagrzewania na przyszłych powierzchniach lotniczych

Gdy statki kosmiczne lub samoloty poruszające się z dużą prędkością rozrywają atmosferę, ich powierzchnia jest bombardowana intensywnym ciepłem w ułamkach sekundy. Dokładna znajomość, ile ciepła te powierzchnie znoszą, jest kluczowa, by zapobiec awariom silników, zbiorników paliwa i powłok ochronnych. W artykule przedstawiono nowy typ miniaturowej sondy do wykrywania ciepła, która przetrzymuje temperatury wyższe niż wiele płynnych law i reaguje wystarczająco szybko, by śledzić nagłe wstrząsy termiczne — oferując potężne narzędzie do projektowania bezpieczniejszych pojazdów dużych prędkości.

Dlaczego ekstremalne nagrzewanie jest trudne do zmierzenia

Powierzchnie modeli testowych w tunelach hipersonicznych, łopatki turbin i komory spalania mogą krótko przekraczać 1000 °C, będąc jednocześnie ścierane przez szybkie strumienie gazów. Tradycyjne czujniki strumienia cieplnego — urządzenia mierzące, jak szybko ciepło przepływa do powierzchni — mają problemy w takich warunkach. Klasyczne konstrukcje są stosunkowo duże, co zaburza przepływ powietrza wokół nich, a ich materiały mogą ulegać utlenianiu lub zmiękczeniu, powodując dryft pomiarów lub awarie. Wiele obecnych czujników ogranicza się do temperatur poniżej około 1200 °C i reaguje w milisekundach lub wolniej, co jest zbyt powolne i zbyt kruche wobec ostrych, intensywnych pików cieplnych obserwowanych w nowoczesnych testach tunelowych i badaniach silników.

Mały filar zaprojektowany, by wytrzymać ciepło

Naukowcy zaprojektowali miniaturową sondę opartą na cienkiej warstwie platyny (Pt) nawiniętej na 2-milimetrowy filar z glinowego tlenku (aluminy). Alumina została wybrana, ponieważ jest izolująca elektrycznie, mechanicznie wytrzymała i może wytrzymać temperatury do około 1600 °C. Wewnątrz tego ceramicznego filara przewody elektryczne ukryto w wąskich kanałach, co chroni okablowanie przed gorącymi, erozyjnymi gazami i zmniejsza szumy elektryczne. Na zewnątrz warstwa platyny została zaprojektowana w kształt litery S, aby zwiększyć jej długość, poprawiając czułość na zmiany temperatury przy jednoczesnym zachowaniu niewielkiego obrysu.

Ochronna powłoka zapobiegająca rozpadowi filmu

Jednym z głównych wyzwań dla metalicznych filmów w bardzo wysokich temperaturach jest to, że ich powierzchnia może stopniowo aglomerować w wyspy, podobnie jak woda perli na szkle, co rujnuje ich właściwości elektryczne. Aby temu zapobiec, zespół zastosował druk elektrohydrodynamiczny — precyzyjną metodę natrysku przypominającą drukowanie atramentowe — aby pokryć platynę niestandardową ochronną powłoką aluminiową. Po obróbce w wysokiej temperaturze powłoka przekształca się w gęstą, stabilną formę krystaliczną zwaną alfa-aluminą. Mikroskopia i pomiary rentgenowskie wykazały, że powlekany film platynowy pozostaje gładki i dobrze związany nawet po ogrzaniu do 1400 °C, podczas gdy niechroniony film rozwija pory i nierówności przy niższych temperaturach.

Jak sonda zamienia ciepło na sygnały

Nowy czujnik działa dwojako i w sposób komplementarny. Po pierwsze, gdy warstwa platyny się nagrzewa, jej opór elektryczny rośnie w przewidywalny, niemal liniowy sposób. Przepuszczając stały prąd przez film i śledząc zmianę napięcia, można z wysoką precyzją obliczyć temperaturę na powierzchni. Po drugie, korzystając ze znanego modelu przewodzenia ciepła, historię czasową tego napięcia można przekształcić w historię czasową strumienia cieplnego — szybkości, z jaką energia wpływa do powierzchni. Symulacje komputerowe potwierdziły, że warstwowa struktura sondy generuje czystą, niemal liniową zależność między napływającym ciepłem a sygnałem wyjściowym, podczas gdy ściskające naprężenie w filmie, utrzymywane przez warstwy aluminy, pomaga zachować stabilność platyny w wysokich temperaturach.

Testy sondy

Następnie zespół poddał sondę serii eksperymentów. W piecu opór filmu platynowego śledził temperaturę od temperatury pokojowej do 1000 °C z doskonałą liniowością i powtarzalnością, a wersja z ochroną przetrwała do około 1440 °C — około 50 procent więcej niż filmy niechronione. Testy laserowe porównały nową sondę z komercyjnym czujnikiem strumienia cieplnego i wykazały dobrą zgodność: przy najwyższej testowanej mocy nowe urządzenie zmierzyło około 71 kW na metr kwadratowy strumienia cieplnego z błędem pełnej skali mniejszym niż 1,7 procent oraz powtarzalnością lepszą niż 0,6 procent. Układ szybkiego nagrzewania, imitujący nagłe obciążenia termiczne, wykazał, że sonda reaguje w około 0,2 milisekundy i wytrzymuje strumienie cieplne powyżej 3,5 megawata na metr kwadratowy, z błędami temperatury poniżej 1 procent przy porównaniu z termometrem na podczerwień.

Co to oznacza dla przyszłych lotów z dużą prędkością

Mówiąc prosto, praca dostarcza bardzo mały, bardzo wytrzymały i bardzo szybki termometr, który mierzy nie tylko temperaturę, ale też jak gwałtownie ciepło uderza w powierzchnię. Ponieważ może przetrwać blisko 1500 °C, reagować w mikrosekunach i być wytwarzany w układach na małych filarach, nadaje się do mapowania obciążeń termicznych na pojazdach hipersonicznych i komponentach silników z dużą szczegółowością. Ta zdolność powinna pomóc inżynierom projektować bardziej niezawodne systemy ochrony termicznej i testować nowe materiały w realistycznych, ekstremalnych warunkach, przybliżając bezpieczniejsze loty z dużą prędkością do rzeczywistości.

Cytowanie: Wang, H., Kong, M., Wang, H. et al. Development of micro dual temperature–heat flux sensing probe using Pt Thin film for transient heat measurements up to 1400 °C.. Microsyst Nanoeng 12, 158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01274-5

Słowa kluczowe: czujnik strumienia cieplnego, tunel aerodynamiczny hipersoniczny, cienka warstwa platyny, pomiar w wysokiej temperaturze, ceramika glinowa