En ingeniería, un escudo térmico es un componente diseñado para proteger un objeto o un operador humano de quemaduras o sobrecalentamiento al disipar, reflejar y/o absorber calor. El término se utiliza con mayor frecuencia en referencia a la gestión del calor de escape y a los sistemas para disipar el calor por fricción. Los escudos térmicos se utilizan con mayor frecuencia en la industria automotriz y aeroespacial.
Los escudos térmicos protegen las estructuras de temperaturas extremas y gradientes térmicos mediante dos mecanismos principales. El aislamiento térmico y el enfriamiento radiativo 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) a menudo se emplean 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.
Debido a las grandes cantidades de calor que desprenden los motores de combustión interna, [2] se utilizan escudos térmicos en la mayoría de los motores para proteger los componentes y la carrocería del daño causado por el calor. Además de la protección, los escudos térmicos efectivos pueden brindar un beneficio de rendimiento al reducir las temperaturas del compartimiento del motor y, por lo tanto, reducir la temperatura del aire que ingresa al motor. [3] Los protectores térmicos varían mucho en precio, pero la mayoría son fáciles de colocar, generalmente mediante clips de acero inoxidable, cinta para altas temperaturas o bridas metálicas especialmente diseñadas. Hay tres tipos principales de escudos térmicos para automóviles:
Los escudos térmicos suelen ser instalados por personal tanto aficionado como profesional durante la fase de optimización del ajuste del motor . Los protectores térmicos también se utilizan para enfriar las rejillas de ventilación del soporte del motor. Cuando un vehículo circula a mayor velocidad, hay suficiente aire ram 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 transferirlo a otras partes alrededor. por ejemplo, soportes de motor. Con la ayuda de un análisis térmico adecuado y el uso de protectores térmicos, las rejillas de ventilación del soporte del motor se pueden optimizar para obtener el mejor rendimiento. [5]
Algunos aviones de 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, el morro de aluminio puede alcanzar una temperatura máxima de funcionamiento de 127 °C (que es 180 °C más que el aire ambiente exterior, que está bajo cero); las consecuencias metalúrgicas asociadas con la temperatura máxima fueron un factor importante para determinar la velocidad máxima de la aeronave.
Recientemente se han desarrollado nuevos materiales que podrían ser superiores al RCC . El prototipo SHARP ( Slender H ypervelocity Aerothermodynamic R esearch P robe) se basa en cerámicas de temperatura ultraalta como el diboruro de circonio (ZrB 2 ) y el diboruro de hafnio (HfB 2 ). [6] El sistema de protección térmica basado en estos materiales permitiría alcanzar una velocidad de Mach número 7 al nivel del mar, Mach 11 a 35000 metros y mejoras significativas para los 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 un punto de fusión superior a 3500 °C. También son estructuralmente más resistentes que el CCR, por lo que no requieren refuerzos adicionales, y son muy eficientes a la hora de reirradiar el calor absorbido. La NASA financió (y posteriormente interrumpió) un programa de investigación y desarrollo en 2001 para probar este sistema de protección a través de la Universidad de Montana. [7] [8]
La Comisión Europea financió en 2016 (aún en curso) un proyecto de investigación, C3HARME, dentro de la convocatoria NMP-19-2015 de Programas Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico (aún en curso) para el diseño, desarrollo, producción y ensayo 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. [9]
Las naves espaciales que aterrizan en un planeta con atmósfera , como la Tierra , Marte y Venus , actualmente lo hacen ingresando a la atmósfera a altas velocidades, dependiendo de la resistencia del aire más que 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. [10] Un escudo térmico aerodinámico consiste en una capa protectora de materiales especiales para disipar el calor. Se han utilizado dos tipos básicos de escudo térmico aerodinámico:
Con posibles escudos térmicos inflables, como los desarrollados por los EE. UU. (Desacelerador inflable de prueba de vuelo en órbita terrestre baja - LOFTID) [11] y China, [12] se considera que los cohetes de un solo uso como el Sistema de Lanzamiento Espacial están equipados con dichos escudos térmicos para rescatar los costosos motores, posiblemente reduciendo significativamente los costos de los lanzamientos. [13]
Los protectores pasivos enfriados se utilizan para proteger las naves espaciales durante la entrada a la atmósfera para absorber los picos de calor y posteriormente irradiar calor a la atmósfera. Las primeras versiones incluían una cantidad sustancial de metales como titanio , berilio y cobre . Esto aumentó considerablemente la masa del vehículo. Se volvieron preferibles los sistemas de absorción de calor y ablativos.
En los vehículos modernos, la refrigeración pasiva se puede encontrar como material reforzado de carbono-carbono en lugar de metal. Este material constituye el sistema de protección térmica del morro y de los bordes delanteros del transbordador espacial y fue propuesto para el vehículo X-33 . El carbono es el material más refractario conocido, con una temperatura de sublimación (en el caso del 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 utilizan un escudo térmico (en el sentido automotriz convencional) para proteger los tanques de combustible y los equipos del calor producido por un motor de cohete grande . Estos escudos se utilizaron en la etapa de descenso del módulo de servicio Apollo y del módulo lunar .
Los escudos térmicos a menudo se colocan 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 necesaria ]
Los escudos térmicos se utilizan en la industria metalúrgica para proteger el acero estructural del edificio u otros equipos de la alta temperatura del metal líquido cercano. [ cita necesaria ]
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