Senaste innovationerna inom flygteknik banar vägen för nästa generations flygning

Den snabbt utvecklande flyg- och rymdindustrin utforskar ständigt sätt att förbättra effektivitet, prestanda och säkerhet samtidigt som koldioxidutsläppen minskas och hållbarheten upprätthålls.

I de senaste åren har flera teknologiska framsteg utökat möjligheterna för luftresor både inom jordens atmosfär och utanför den. Detta inkluderar avancerad satellitteknik för kommunikation, additiv tillverkning för lätta komponenter, elektrisk framdrivning för minskade utsläpp och lägre kostnader, överljudsflygning för snabbare resor, och artificiell intelligens och maskininlärning för förbättrad operativ effektivitet.

Flyg- och rymdsektorn fokuserar på avancerade material med mycket specifika egenskaper. System involverar vanligtvis olika typer av material, från keramiska värmebeständiga material till kolfiber och titan, som används för en mängd ändamål för att optimera prestanda.

Forskningen inom detta område syftar till att utveckla multifunktionella material, vilket innebär material som inte bara har strukturella funktioner utan också kan erbjuda andra egenskaper som aktiv kylning. För att förverkliga avancerade flyg- och rymdkoncept måste materialen vara mer hållbara, lätta och kostnadseffektiva än någonsin tidigare.

När flyg- och rymdindustrin fortsätter att utvecklas, låt oss undersöka de senaste banbrytande innovationerna som kommer att föra den ännu längre.

Låsa upp ‘Materialgenomet’ för att främja design

Förra månaden, forskare från University of Sydney’s School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering upptäckte en mikroskopimetod för att avslöja atomära relationer inom kristallina material såsom avancerade stål och specialtillverkat kisel.

Detta innebär att forskare kan upptäcka även minsta förändringar i materialens atomnivåarkitektur, vilket förbättrar vår förståelse för de grundläggande ursprungen till deras egenskaper och beteende. Denna kunskap kommer att möjliggöra utvecklingen av avancerade halvledare för elektronik samt lättare, starkare legeringar för flyg- och rymdsektorn.

För detta använde forskarna atomprobe-tomografi (APT), en teknik som visualiserar atomer i tre dimensioner (3D), för att avkoda komplexiteten i kortdistansordning (SRO). SRO är ett kvantitativt mått på den relativa tendensen för ett materials beståndsdelar att avvika från en slumpmässig fördelning. Att förstå de lokala atomära miljöerna är avgörande för att skapa innovativa material.

Genom att kvantifiera icke-slumpmässigheten i grannskapsrelationer på atomskala inom kristallen i detalj öppnar SRO ”omfattande möjligheter för material som är skräddarsydda atom för atom med specifika grannskapsarrangemang för att uppnå önskade egenskaper som styrka,” sade studiens ledare, professor Simon Ringer, som är Pro-Vice-Chancellor (Research Infrastructure) vid University of Sydney.

Ibland kallas det för ”materialgenomet”, och SRO har varit en utmaning att mäta och kvantifiera. Detta beror på att atomarrangemang sker på så liten skala att de inte kan ses med konventionella mikroskopitekniker.

Därför utvecklade forskarteamet en ny metod med APT som övervinner dessa utmaningar, vilket gör det ”ett betydande genombrott inom materialvetenskap,” sade Ringer, materialingenjör vid AMME.

Studien har fokuserat på högentropi-legeringar (HEA), ett starkt forskat område på grund av deras potential för användning i situationer som kräver högtemperaturstyrka, inklusive jetmotorer och kraftverk.

Genom att använda avancerade datavetenskapliga tekniker och utnyttja data från APT observerade och mätte forskarna SRO. De kunde sedan jämföra hur SRO förändras i en högentropi-legering av kobolt, krom och nickel under olika värmebehandlingar.

Enligt Dr Andrew Breen, en senior postdoktoral forskare:

“(Studien har producerat en) känslighetsanalys som avgränsar det exakta intervallet av omständigheter där sådana mätningar är giltiga och där de inte är giltiga.”

Genom att mäta och förstå SRO kan denna studie också hjälpa till att omvandla tillvägagångssätt för materialdesign och visa hur ”små förändringar i den atomära arkitekturen kan leda till enorma framsteg i materialprestanda,” sade Dr. Mengwei He, postdoktoral forskningsstipendiat vid School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering.

Dessutom, genom att tillhandahålla en ritning på mikroskopisk nivå, förbättrar studien en forskares förmåga att datorbaserat simulera, modellera och sedan förutsäga materialbeteende. Den kan även fungera som en mall för framtida studier där SRO styr kritiska materialegenskaper.

Ett nytt material som möjliggör hypersonisk flygning

Det finns stort intresse för att uppnå uthållig flygning vid hypersoniska hastigheter, men tekniska utmaningar kvarstår. Dessa inkluderar hantering av extrem värme, utveckling av material som kan tåla påfrestning, extrema temperaturer och oxidation utan att kompromissa med prestanda, samt skapande av framdrivningssystem som kan fungera effektivt vid höga hastigheter och höjder.

När forskare försöker hitta lösningar på dessa problem rapporterade forskare från Guangzhou University School of Materials Science and Engineering ett genombrott i hypersoniska värmesköldar tidigare i år.

I vad som kan bli en spelväxlare för hypersonisk flygning utvecklade forskarna ett nytt material, porös keramik, som ger ”exceptionell termisk stabilitet” och ”ultrahög tryckhållfasthet.”

Detta har uppnåtts med hjälp av en multiskalig strukturell design, vilket forskarna säger har gjorts för första gången. Dessutom öppnar den snabba tillverkningen av dessa högentropi-keramiker dörren till bredare utforskning inom sektorerna flyg- och rymd, kemiteknik samt energiproduktion och -överföring.

Forskarnas uppgift är att keramiken tillverkades genom ”en ultrarapid högtemperatursyntesmetod som kan leda till exceptionell mekanisk belastningskapacitet och hög termisk isoleringsprestanda.”

För att bemöta utmaningen med starka, lätta material med låg termisk ledningsförmåga använde forskarna keramiska material som är icke-brännbara och korrosionsbeständiga, har höga smältpunkter och uppvisar låg termisk ledningsförmåga. Naturligtvis är konventionella keramiska material fortfarande otillräckliga för att hantera extremt höga temperaturer och tryck.

Även om lätta, porösa material har låg värmeöverföringsförmåga, innebär de också en ökad skörhet.

Så började forskarna arbeta med att samtidigt förbättra ”den mekaniska styrkan och den termiska isoleringskapaciteten hos porösa keramiker.” Detta ledde dem till högentropi-konceptet, som fokuserar på flera element i lika mängder för att skapa starkare, mer stabila och mer värmebeständiga komponenter.

Forskarna fann det nyss skapade keramiska materialet — kallat 9-kation porös högentropi-diborid (9PHEB) — framgångsrikt i att uppnå en god balans mellan värmebeständighet och styrka utan de vanliga begränsningarna. Detta nya material uppfyllde också de nödvändiga vikt- och isoleringsstandarderna för flyg- och rymdflygning.

Enligt forskarna:

“Högkvalitativa gränssnitt, karaktäriserade av stark bindning utan defekter eller amorfa faser, kan främja snabb kraftöverföring längs byggblocket och till många andra genom anslutningar vid belastning, vilket leder till en betydande förbättring av den mekaniska styrkan.”

Studien noterade också att det nya materialet 9PHEB är exceptionellt både när det gäller styrka och termisk stabilitet.

Självläkande material för flyg- och rymdstrukturer

Självläkande polymerer och nanokompositer är innovativa material som har avsevärt drivit fram flyg- och rymdindustrin. De har också varit föremål för omfattande forskning för sina tillämpningar inom elektronik, batterier, biomedicin och andra tekniska områden.

Även om självläkande material har funnits i många århundraden har det skett en betydande ökning av innovation inom detta område under de senaste decennierna, vilket lett till utvecklingen av syntetiska självläkande material.

Dessa material kan hittas i olika former, beroende på deras unika kemi, inklusive termoplastiska polymerer, härdplastpolymerer, elastomerer, formminnespolymerer, polymerkompositer och nanokompositer.

Beroende på deras förmåga kallas dessa material ofta för intrinsiska självläkande material, som förlitar sig på kemiska bindningar eller molekylär rörlighet inom materialet självt, eller extrinsiska självläkande material, där externa läkningsmedel aktiveras vid skada.

Polymerer anses särskilt viktiga i strukturanvändning på grund av deras fantastiska förmåga att reparera strukturskador. Detta uppnås genom polymerkedjors mobilisering och korsbindning.

Inom flyg- och rymdindustrin är självläkande nanokompositer särskilt användbara för konstruerade strukturer, lim, motorer, flygkroppar och beläggningar. Självläkande nanokompositer tillverkas genom att införliva nanopartiklar i polymerer. På grund av deras förmåga att reversibelt läka skador förstärks härdplast- och termoplastpolymerer med nano-kolnanopartiklar.

Nanofyllnadsmedel förstärker ytterligare den självläkande effekten hos nanokompositer. Typen och mängden av nanofyllnadsmedel är avgörande faktorer för att initiera den självläkande effekten.

Traditionellt har keramiska och metalliska material använts för att utveckla motorerna. På senare tid har polymermaterial och kompositer i ökande grad använts i högtemperaturtåliga jetmotorer. Detta skifte har en god anledning, eftersom kompositmaterial bättre motstår strukturskador från stötar eller fel.

Med keramiska fibrer som kan tåla mycket höga temperaturer har självläkande nanokompositer använts för att producera fasta och mobila jetmotorkomponenter. Dessa nanomaterial har också visat sig vara motståndskraftiga mot tryck, skador och korrosion, vilket bidrar till förbättrad motoreffektivitet.

Den pågående forskningen inom självläkande polymerer visar potential för material som kan tåla högt tryck, temperatur och påverkansförhållanden för att avsevärt förbättra hållbarheten hos rymdstrukturer. Vi kan till och med se utvecklingen av nanokolnanokompositer i framtiden som kan upptäcka skador i flyg- och rymdstrukturer, men det skulle kräva nya läkningsmedel med överlägsen självläkningsförmåga.

Intressant nog, i världen av självläkande material, har Dr Kunal Masania, docent i flygstrukturer och material vid Delft University of Technology i Nederländerna, utvecklat ”levande material” för användning inom flyg- och rymdsektorn. Dessa levande material innehåller mikroorganismer som bakterier och svampar, vilket ger dem förmågan att självläka.

Teamet valde svampar för deras förmåga att tolerera hårda förhållanden och deras relativt enkla odling. Svampceller kan också koppla ihop sig, vilket innebär att genom att distribuera bara några få celler i materialet kan de återansluta och bilda ett sensornätverk. Dessa levande material produceras faktiskt genom en speciell 3D-utskriftsmetod och en ny 3D-utskriftsbläck.

Denna utveckling gjordes som en del av ett femårigt projekt, AM-IMATE, som tilldelades ett bidrag från Europeiska unionen. Enligt Masania:

“(Målet med projektet är) att skapa konstruerade strukturer som kan bete sig som levande organismer, kapabla att känna av och anpassa sig till mekaniska påfrestningar.”

Genom att använda biologiska självläkande material kan inte bara hållbarheten och prestandan hos kritiska strukturer som används i flyg- och rymdsektorn förbättras, utan det kan också bli hållbart. AM-IMATE-teamet utforskar faktiskt användningen av kompositer som kärnmaterial för flygplansinteriörer.

”Våra material är mycket lätta och mer hållbara än de material som används idag,” sade Masania och tillade att ersättningen av plast och metall innebär att vi inte längre behöver förlita oss på fossila bränslen. Dessutom, ”flygplanskomponenterna kan demonteras och återföras till naturen,” sade han.

Men det är inte allt. Teamet ser till och med sina levande material som grunden för nya habitat ”på andra planeter” genom att använda lokala material och binda dem tillsammans med svampar.

Företag som leder inom flyg- och rymdteknik

Om vi ser på företagen som verkar inom flyg- och rymdindustrin, finns flera nyckelaktörer som driver tekniken framåt, inklusive General Dynamics Corporation (GD ) (GD), SpaceX (SPCX ), Virgin Galactic (SPCE ) och Sierra Nevada Corporation.

Lockheed Martin Corporation (LMT ) (LMT), en av världens största försvarskontraktörer, är också en framstående aktör inom detta område. Känd för sina stridsflygplan, missilsystem och rymdutforsknings-teknologier, har Lockheed Martin utvecklat en AI-baserad telekommunikationsprogramvara kallad Callisto i samarbete med Amazon (AMZN ) och Cisco för att förbättra effektiviteten och situationsmedvetenheten ombord på rymdfarkoster. Senast förvärvade de satellitbaserade lösningsleverantören Terran Orbital i en affär på 450 miljoner dollar.

Boeing är en annan stor aktör inom kommersiell och militär flyg- och rymdsektor. Företaget är för närvarande under intensiv granskning för kvalitetskontrollproblem, pågående problem med sina 737 Max-flygplan, hantering av säkerhetsfrågor och konkurrens från Airbus.

Airbus är främst involverat i design och tillverkning av kommersiella flygplan. För att minska sina produkters CO2-utsläpp utvecklar företaget bioavledda material för flygplansproduktion. För detta undersöker företaget alternativ till kolfibrer framställda från fossila bränslen som används i byggkomponenter som vingar eller flygkroppssektioner.

Låt oss nu ta en djupare titt på ett par framstående namn:

#1. Raytheon Technologies

Fokuserat på avionik, försvarselektronik och missilsystem, slutförde Raytheon 2020 sin sammanslagning med United Technologies för att bilda världens mest avancerade leverantör av flyg- och försvarssystem.

När företaget fortsätter att leverera sina produkter och sin expertis globalt, inkluderar några anmärkningsvärda utvecklingar i år:

• Vald av DARPA för kvantoptiska sensorer som används i bildapplikationer.
• Avslöjandet av MAYA som framtiden för premiumflygning.
• Investering av 200 miljoner dollar i Spokane för att driva tillväxt inom tillverkning.
• Slutförandet av Crew Capability Assessment-testet för deras nästa generations rymddräkt för den internationella rymdstationen.
• Tilldelning av ett kontrakt på 344 miljoner dollar för att modernisera elektronikavdelningen för missils utvecklingsprogram.

Vid skrivande stund handlas Raytheon (RTX:NYSE)-aktier till $118,35, upp 40,66 % år till datum. Företagets börsvärde är $157,43 bn och dess utdelningsavkastning är 2,13 %.

För Q2 2024 rapporterade företaget $19,7 bn i försäljning, en ökning med 8 % från föregående år, medan dess operativa kassaflöde var $2,7 bn. Raytheon noterade en orderstock på $206 bn, inklusive $129 bn kommersiell och $77 bn försvar. Justerad EPS var $1,41, upp 9 % jämfört med föregående år.

“RTX levererade stark operativ prestation under det andra kvartalet, med 10 % organisk försäljningstillväxt, justerad marginalökning i alla tre segment och $2,2 bn i fritt kassaflöde.”

– RTX:s president och VD Chris Calio

Han noterade också att med orderstocken och ”oöverträffad efterfrågan över hela vår portfölj” fokuserar de på att investera i innovativa teknologier och kapaciteter.

#2. Northrop Grumman

Specialiserat på försvar och flyg- och rymdteknik är Northrop Grumman (NOC ) känt för sitt arbete med obemannade system, cybersäkerhet och avancerade rymdsystem, inklusive James Webb Space Telescope. Företaget utvecklar också B-12-bombaren och Sentinel-programmet. Dessutom samarbetar Northrop Grumman med Elon Musks SpaceX på ett amerikanskt spion-satellitsystem, samarbetar med EpiSci om avancerade autonomiförmågor och stödjer Norges långsiktiga försvarsplan genom sitt arbete med Andøya Space.

Vid skrivande stund handlas Northman-aktier till $504,87, upp 7,85 % år till datum, vilket ger företagets börsvärde till $73,83 bn. Det betalar en utdelningsavkastning på 1,63 %. För Q2 2024 rapporterade företaget en intäktsökning på 6,7 % till $10,22 bn. Kvartalet såg över $1,11 bn i fritt kassaflöde, medan kostnaderna inkluderade cirka $3 bn i FoU och $1,8 bn i kapitalutgifter. Northrops EPS överträffade prognoserna med 7,6 % och landade på $6,36.

Företaget har förutspått solid tillväxt över sina divisioner, särskilt inom aeronautik, vapensystem och avancerad elektronik. En liten nedgång förväntas i deras rymdsegment nästa år på grund av ett avbrutet program, men tillväxt förväntas återupptas därefter. Medan de erkänner leveranskedjebegränsningar, specifikt i anskaffning av ammoniumperklorat för fasta raketmotorer, nämnde VD Kathy Warden att de samarbetar med flygvapnet för att minska kostnaderna.

Klicka här för en lista över de 10 bästa flyg- och försvarsaktierna.

Slutsats

Flyg- och rymdmarknaden ligger för närvarande på omkring $300 bn. Även om den kortvarigt minskade under COVID-19-pandemin, förväntas den överstiga $460 bn år 2028. Samtidigt förväntas intäkterna för marknaden för tillverkning av flyg- och rymddelar överstiga $1 230 bn i slutet av detta decennium.

Med tanke på den tillväxt som industrin upplever sker teknisk innovation i snabb takt. Från mer effektiva flygplan via elektriska framdrivningssystem, skapandet av avancerade kompositmaterial och framsteg inom AI och sensorteknik för att uppnå helt autonoma flygplan till forskning och antagande av hållbara flygbränslen (SAF), som är framställda från förnybara källor, händer mycket och tillsammans kan dessa innovationer medföra betydande förändringar som formar framtiden för flyg- och rymdsektorn.

Klicka här för en lista över de fem bästa flyg- och rymd-ETF:erna att investera i.