Escudo térmico
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Un escudo térmico está diseñado para proteger un objeto del sobrecalentamiento al disipar, reflejar, absorber el calor o simplemente quemar y caer gradualmente de la aeronave, arrastrando consigo el exceso de calor. El término se usa con mayor frecuencia en referencia a la gestión del calor de escape y a los sistemas para disipar el calor debido a la fricción.

Principios de Operación

Los escudos térmicos protegen las estructuras de temperaturas extremas y gradientes térmicos mediante dos mecanismos principales. Aislamiento térmico y enfriamiento radiativo , que aíslan respectivamente la estructura subyacente de las altas temperaturas de la superficie externa, mientras emiten calor hacia el exterior a través de la radiación térmica . Para lograr una buena funcionalidad, los tres atributos requeridos de un escudo térmico son baja conductividad térmica (alta resistencia térmica ), alta emisividad y buena estabilidad térmica (refractariedad). [1]Las cerámicas porosas con recubrimientos de alta emisividad (HEC) se emplean a menudo para abordar estas tres características, debido a la buena estabilidad térmica de las cerámicas, el aislamiento térmico de los materiales porosos y los buenos efectos de enfriamiento radiativo que ofrecen los HEC.

Usos

Automotor

Debido a la gran cantidad de calor que desprenden los motores de combustión interna, la mayoría de los motores utilizan escudos térmicos para proteger los componentes y la carrocería de los daños causados ​​por el calor. Además de la protección, los escudos térmicos eficaces pueden proporcionar un beneficio de rendimiento al reducir las temperaturas debajo del capó y, por lo tanto, reducir la temperatura de entrada. Los protectores térmicos varían mucho en precio, pero la mayoría son fáciles de colocar, generalmente con clips de acero inoxidable o cinta de alta temperatura. Hay dos tipos principales de pantallas térmicas automotrices:

  • El escudo térmico rígido, hasta hace poco, estaba hecho de acero sólido, pero ahora a menudo está hecho de aluminio. Algunos protectores térmicos rígidos de alta gama están hechos de láminas de aluminio u otros compuestos, con un revestimiento de barrera térmica de cerámica para mejorar el aislamiento térmico.
  • El escudo térmico flexible normalmente está hecho de láminas de aluminio delgadas, se vende plano o en rollo, y el instalador lo dobla a mano. Las pantallas térmicas flexibles de alto rendimiento a veces incluyen extras, como el aislamiento cerámico aplicado mediante pulverización de plasma . Estos últimos productos son comunes en los deportes de motor de alta gama como la Fórmula 1 .
  • Escudos térmicos textiles utilizados para varios componentes como el escape, turbo, DPF u otro componente de escape.

Como resultado, tanto el personal aficionado como el profesional suelen instalar un escudo térmico durante una fase de ajuste del motor .

Los escudos térmicos también se utilizan para enfriar los conductos de ventilación del montaje del motor. Cuando un vehículo está a una velocidad más alta, hay suficiente aire para enfriar el compartimiento del motor debajo del capó, pero cuando el vehículo se mueve a velocidades más bajas o sube una pendiente, es necesario aislar el calor del motor para que se transfiera a otras partes a su alrededor. , por ejemplo, soportes de motor. Con la ayuda de un análisis térmico adecuado y el uso de escudos térmicos, las rejillas de ventilación del soporte del motor se pueden optimizar para obtener el mejor rendimiento. [2]

Aeronave

Algunos aviones a alta velocidad, como el Concorde y el SR-71 Blackbird , deben diseñarse considerando un sobrecalentamiento similar, pero menor, al que ocurre en las naves espaciales. En el caso del Concorde, la punta de aluminio puede alcanzar una temperatura máxima de funcionamiento de 127 ° C (que es 180 ° C más alta que el aire ambiente exterior que está por debajo de cero); las consecuencias metalúrgicas asociadas con la temperatura máxima fueron un factor significativo en la determinación de la velocidad máxima de la aeronave.

Recientemente se han desarrollado nuevos materiales que podrían ser superiores al RCC . El prototipo SHARP ( S prestamista H ypervelocity A erothermodynamic R esearch P túnica) se basa en la cerámica ultra-alta temperatura , tales como circonio diboruro (ZRB 2 ) y hafnio diboruro (HfB 2 ). [3] El sistema de protección térmica basado en estos materiales permitiría alcanzar una velocidad de Mach número 7 a nivel del mar, Mach 11 a 35000 metros y mejoras significativas para vehículos diseñados para velocidad hipersónica.. Los materiales utilizados tienen características de protección térmica en un rango de temperatura de 0 ° C a + 2000 ° C, con punto de fusión superior a 3500 ° C. También son estructuralmente más resistentes que los RCC, por lo que no requieren refuerzos adicionales y son muy eficientes en la reirradiación del calor absorbido. La NASA financió (y posteriormente suspendió) un programa de investigación y desarrollo en 2001 para probar este sistema de protección a través de la Universidad de Montana. [4] [5]

La Comisión Europea financió un proyecto de investigación, C3HARME, en el marco de la convocatoria NMP-19-2015 de Programas Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico en 2016 (aún en curso) para el diseño, desarrollo, producción y prueba de una nueva clase de cerámica ultrarrefractaria. compuestos de matriz reforzados con fibras de carburo de silicio y fibras de carbono adecuados para aplicaciones en entornos aeroespaciales severos. [6]

Astronave

Artículos principales: Entrada atmosférica § Sistemas de protección térmica y Aeroshell
Ver también: Entrada atmosférica y sistema de lanzamiento reutilizable
El escudo térmico ablativo de la cápsula del Apolo 12 (después de su uso) en exhibición en el Centro Aéreo y Espacial de Virginia
Escudo térmico aerodinámico de remojo térmico utilizado en el transbordador espacial.

Las naves espaciales que aterrizan en un planeta con atmósfera , como la Tierra , Marte y Venus , lo hacen actualmente al ingresar a la atmósfera a altas velocidades, dependiendo de la resistencia del aire en lugar de la potencia del cohete para frenarlas. Un efecto secundario de este método de reentrada atmosférica es el calentamiento aerodinámico , que puede ser muy destructivo para la estructura de una nave espacial desprotegida o defectuosa. [7] Un escudo térmico aerodinámico consiste en una capa protectora de materiales especiales para disipar el calor. Se han utilizado dos tipos básicos de pantallas térmicas aerodinámicas:

  • Un escudo térmico ablativo consiste en una capa de resina plástica, cuya superficie exterior se calienta a un gas, que luego se lleva el calor por convección . Tales escudos se utilizaron en las naves espaciales Mercury , Gemini , Apollo y Orion y son utilizados por SpaceX Dragon 2 .
  • Un escudo térmico de remojo térmico utiliza un material aislante para absorber e irradiar el calor lejos de la estructura de la nave espacial. Este tipo se utilizó en el transbordador espacial , que consta de baldosas cerámicas o compuestas en la mayor parte de la superficie del vehículo, con material reforzado de carbono-carbono en los puntos de carga de calor más altos (la nariz y los bordes de ataque del ala). El daño de este material en un ala causó el desastre del transbordador espacial Columbia de 2003 .

Con posibles escudos térmicos inflables , desarrollados por los EE. UU. (Desacelerador inflable de prueba de vuelo en órbita terrestre baja - LOFTID) [8] y China, [9] se considera que los cohetes de un solo uso como el Sistema de lanzamiento espacial están equipados con tales escudos térmicos para salvar los costosos motores, posiblemente reduciendo significativamente los costos de los lanzamientos. [10]

Refrigeración pasiva

Los protectores pasivos refrigerados se utilizan para proteger las naves espaciales durante la entrada atmosférica para absorber los picos de calor y posteriormente irradiar el calor almacenado a la atmósfera. Las primeras versiones incluían una cantidad sustancial de metales como titanio , berilio y cobre . Esto aumentó enormemente la masa del vehículo. Se prefirieron los sistemas ablativos y de absorción de calor.

El diseño de la cápsula Mercury (que se muestra con la torre) originalmente preveía el uso de un sistema de protección térmica refrigerado pasivamente, pero luego se convirtió en un escudo ablativo.

En los vehículos modernos, sin embargo, se pueden encontrar, pero en lugar de metal, se usa material reforzado de carbono-carbono . Este material constituye el sistema de protección térmica de la nariz y los bordes frontales del Transbordador Espacial y fue propuesto para el vehículo X-33 . El carbono es el material más refractario conocido con una temperatura de sublimación (para el grafito ) de 3825 ° C. Estas características lo convierten en un material especialmente indicado para la refrigeración pasiva , pero con el inconveniente de ser muy caro y frágil. Algunas naves espaciales también usan un escudo térmico (en el sentido automotriz convencional) para proteger los tanques de combustible y el equipo del calor producido por un gran motor de cohete.. Dichos escudos se utilizaron en la etapa de descenso del Módulo de Servicio Apolo y del Módulo Lunar .

Industria

Los escudos térmicos se colocan a menudo en rifles y escopetas semiautomáticos o automáticos como cubiertas de cañón para proteger las manos del usuario del calor causado por disparos en rápida sucesión. También se han colocado a menudo en escopetas de combate de acción de bombeo, lo que permite al soldado agarrar el cañón mientras usa una bayoneta. [ cita requerida ]

Ver también

  • Aeroshell
  • Reentrada atmosférica
  • AVCOAT
  • Intumescente
  • Starlite
  • Parasol (JWST)

Referencias

  1. ^ Shao, Gaofeng; et al. (2019). "Mejora de la resistencia a la oxidación de recubrimientos de alta emisividad sobre cerámica fibrosa para sistemas espaciales reutilizables" . Ciencia de la corrosión . 146 : 233–246. arXiv : 1902.03943 . doi : 10.1016 / j.corsci.2018.11.006 . S2CID  118927116 . Archivado desde el original el 1 de octubre de 2021 . Consultado el 11 de enero de 2019 .
  2. ^ "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 14 de septiembre de 2016 . Consultado el 13 de enero de 2016 . Mantenimiento de CS1: copia archivada como título ( enlace )
  3. ^ "Cerámica de temperatura ultra alta: materiales para aplicaciones en entornos extremos". doi : 10.1002 / 9781118700853 .
  4. ^ "Copia archiviata" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 15 de diciembre de 2005 . Consultado el 9 de abril de 2006 .
  5. ^ página de inicio de estructura nítida w izquierda Archivado el 16 de octubre de 2015 en la Wayback Machine.
  6. ^ "c³harme" . c3harme.eu . Archivado desde el original el 6 de agosto de 2020 . Consultado el 27 de marzo de 2018 .
  7. ^ "Dinámica de la atmósfera atmosférica" . Archivado desde el original el 8 de julio de 2018 . Consultado el 23 de agosto de 2016 .
  8. ^ Marder, Jenny (3 de julio de 2019). "Desacelerador inflable se enganchará en el satélite JPSS-2" . NOAA . Archivado desde el original el 1 de octubre de 2021 . Consultado el 30 de octubre de 2019 .
  9. ^ Comité editorial de Xinhua (5 de mayo de 2020). " "胖 五 "家族 迎新 送 新一代 载人 飞船 试验 船 升空 —— 长征 五号 B 运载火箭 首飞 三大 看点 (Familia LM5 en el foco: naves espaciales tripuladas de próxima generación y otro punto culminante de la dama de la Gran Marcha 5B vuelo) " . Xinhua News (en chino). Archivado desde el original el 7 de agosto de 2020 . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
  10. ^ Bill D'Zio (7 de mayo de 2020). "¿Es la tecnología espacial inflable de China un ahorro de costos de $ 400 millones para el SLS de la NASA?" . westeastspace.com . Archivado desde el original el 10 de mayo de 2020 . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
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