Escudo térmico

Componente para proteger contra el calor excesivo.

En ingeniería, un escudo térmico es un componente diseñado para proteger un objeto o un operador humano de quemaduras o sobrecalentamiento mediante la disipación, reflexión y/o absorción de 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.

Principios de funcionamiento

Los escudos térmicos protegen las estructuras de temperaturas extremas y gradientes térmicos mediante dos mecanismos principales. El aislamiento térmico y el enfriamiento radiativo , respectivamente, aíslan la estructura subyacente de las altas temperaturas de la superficie externa, al tiempo que 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 la cerámica, 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 emiten los motores de combustión interna, ^[2] en la mayoría de los motores se utilizan protectores térmicos para proteger los componentes y la carrocería de los daños causados ​​por el calor. Además de la protección, los protectores térmicos eficaces pueden aportar un beneficio al rendimiento al reducir las temperaturas del compartimento del motor, lo que reduce la temperatura del aire que entra en el motor. ^[3] Los protectores térmicos varían mucho en precio, pero la mayoría son fáciles de instalar, normalmente con clips de acero inoxidable, cinta de alta temperatura o bridas metálicas especialmente diseñadas. Hay tres tipos principales de protectores térmicos para automóviles:

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  Un ejemplo de un escudo térmico de acero en un motor de la serie E de BMW

  Hasta hace poco, los protectores térmicos rígidos se fabricaban habitualmente con acero macizo ^[4] , pero ahora suelen estar fabricados con aluminio. Algunos protectores térmicos rígidos de alta gama están fabricados con aluminio, oro o materiales compuestos, y la mayoría de los ejemplos incluyen un revestimiento cerámico para proporcionar una barrera térmica que mejora el aislamiento térmico.
• Los protectores térmicos flexibles suelen estar fabricados con láminas finas de aluminio o de oro, y suelen venderse planos o en rollos. El instalador suele doblar estos protectores térmicos a mano. Los protectores térmicos flexibles de alto rendimiento a veces incluyen extras, como aislamiento cerámico aplicado mediante pulverización de plasma . Otra táctica habitual en los protectores térmicos flexibles es utilizar materiales compuestos exóticos para mejorar el aislamiento térmico y reducir el peso. Estos últimos productos son habituales en los deportes de motor de alta gama, como la Fórmula 1 .

• 

  Un ejemplo de un protector térmico de aluminio en el Toyota Celica ST205

  Los protectores térmicos textiles (también conocidos como envolturas térmicas) se utilizan para aislar varios componentes del escape atrapando el calor emitido por el escape dentro del tubo de escape, en lugar de permitir que el inmenso calor de estos componentes se irradie dentro del compartimiento del motor. Estas envolturas son las más comunes en los tubos de escape de las motocicletas.

Los protectores térmicos suelen ser instalados tanto por personal aficionado como profesional durante la fase de optimización de la puesta a punto del motor . Los protectores térmicos también se utilizan para enfriar los respiraderos del soporte del motor. Cuando un vehículo va a mayor velocidad, hay suficiente aire de entrada para enfriar el compartimiento del motor debajo del capó, pero cuando el vehículo se mueve a menor velocidad o sube una pendiente, es necesario aislar el calor del motor para que se transfiera a otras partes a su alrededor, por ejemplo, los soportes del motor. Con la ayuda de un análisis térmico adecuado y el uso de protectores térmicos, los respiraderos del soporte del motor se pueden optimizar para obtener el mejor rendimiento. ^[5]

Aeronave

Algunas aeronaves de alta velocidad, como el Concorde y el SR-71 Blackbird , deben diseñarse considerando un sobrecalentamiento similar, pero menor, al que se produce 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 alta que la del aire ambiente exterior, que está por debajo de cero); las consecuencias metalúrgicas asociadas con la temperatura pico fueron un factor significativo 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 A erothermodynamic Research Pro robe ) está basado en cerámicas de ultraalta temperatura como el diboruro de zirconio (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 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 a más de 3500 °C. También son estructuralmente más resistentes que el RCC, por lo que no requieren refuerzos adicionales, y son muy eficientes en la reirradiación del 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 un proyecto de investigación, C3HARME, bajo la convocatoria NMP-19-2015 de los Programas Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico en 2016 (aún en curso) para el diseño, desarrollo, producción y prueba de una nueva clase de compuestos de matriz cerámica ultrarrefractaria reforzados con fibras de carburo de silicio y fibras de carbono adecuados para aplicaciones en entornos aeroespaciales severos. ^[9]

Astronave

El escudo térmico ablativo de la cápsula Apolo 12 (después de su uso) en exhibición en el Centro Aéreo y Espacial de Virginia

Escudo térmico aerodinámico de absorción térmica utilizado en el transbordador espacial

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 en lugar de la potencia del cohete para frenarlas. Un efecto secundario de este método de reingreso atmosférico es el calentamiento aerodinámico , que puede ser altamente 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:

• Un escudo térmico ablativo consiste en una capa de resina plástica, cuya superficie exterior se calienta hasta convertirse en un gas, que luego elimina el calor por convección . Dichos escudos se utilizaron en las naves espaciales Vostok , Voskhod , Mercury , Gemini y Apollo , y actualmente se utilizan en las naves espaciales SpaceX Dragon 2 , Orion y Soyuz .
  • La primera nave espacial tripulada, la soviética Vostok 1 , utilizó un blindaje térmico ablativo hecho de tela de amianto en resina. ^[11] Las misiones Mercury y Gemini posteriores utilizaron fibra de vidrio en la resina, mientras que la nave espacial Apollo utilizó una resina reforzada con fibra de cuarzo. ^[12] El primer uso de un ablador superligero (SLA) para fines espaciales fue para los Viking Landers en 1976. ^[12] El SLA también se utilizaría para la misión Pathfinder . ^[12] Los abladores de carbono impregnados con fenol (PICA) se utilizaron para la misión Stardust lanzada en 1999. ^[12]
• Un escudo térmico de absorción térmica utiliza un material aislante para absorber e irradiar el calor de la estructura de la nave espacial. Este tipo se utilizó en el transbordador espacial , con la intención de que el escudo se reutilizara con una renovación mínima entre lanzamientos. ^[13] El escudo térmico del transbordador espacial consistía en baldosas de cerámica o compuestas sobre la mayor parte de la superficie del vehículo, con material de carbono-carbono reforzado en los puntos de carga térmica más altos (los bordes delanteros de la nariz y las alas). ^[14] Esto protegió al orbitador cuando alcanzó una temperatura de 1.648 grados Celsius durante el reingreso. ^[15] El avión espacial soviético, conocido como Buran , también usó baldosas TPS que son similares a las de los transbordadores estadounidenses. El Buran también usó baldosas de cerámica en la parte inferior del orbitador y carbono-carbono en el cono de la nariz. ^[16]
  • Surgieron muchos problemas con las placas utilizadas en el transbordador espacial, mientras que los daños menores en el escudo térmico fueron algo común. Un daño importante en el escudo térmico casi causó la destrucción del transbordador espacial Atlantis en 1988 y causó la pérdida del Columbia en 2003. ^{[17] [18] [19]}

Con posibles escudos térmicos inflables, como los desarrollados por los EE. UU. (Low Earth Orbit Flight Test Inflable Decelerator - LOFTID) ^[20] y China ^[21] , se considera que los cohetes de un solo uso como el Space Launch System se pueden modernizar con dichos escudos térmicos para recuperar los costosos motores, posiblemente reduciendo significativamente los costos de los lanzamientos. ^[22] El 10 de noviembre de 2022, LOFTID se lanzó utilizando un cohete Atlas V y, luego, se desprendió para reingresar a la atmósfera. ^[23] La capa exterior del escudo térmico consistía en una cerámica de carburo de silicio. ^[24] El LOFTID recuperado tenía daños mínimos. ^[23]

Refrigeración pasiva

Los protectores refrigerados pasivos 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. Los sistemas de absorción de calor y ablativos se volvieron preferibles.

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 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 (para el grafito ) de 3825 °C. Estas características lo convierten en un material especialmente adecuado para la refrigeración pasiva , pero con la desventaja de ser muy caro y frágil. Algunas naves espaciales también utilizan un escudo térmico (en el sentido convencional de la automoción) para proteger los tanques de combustible y el equipo del calor producido por un gran motor de cohete . Dichos escudos se utilizaron en el módulo de servicio Apollo y la etapa de descenso del módulo lunar . La sonda solar Parker , diseñada para entrar en la corona del Sol, experimenta una temperatura superficial de 2500 °F. ^[25] Para soportar esta temperatura sin dañar su cuerpo o sus instrumentos, la nave espacial utiliza un escudo térmico que utiliza una cerámica de carbono-carbono con una capa de espuma de carbono en el medio. ^[26] La sonda fue lanzada al espacio el 18 de agosto de 2018. ^[27]

Militar

Los escudos térmicos se colocan a menudo en los rifles y escopetas semiautomáticos o automáticos como protectores de cañón para proteger las manos del usuario del calor que se produce al disparar tiros en rápida sucesión. También se han colocado a menudo en las escopetas de combate de corredera, lo que permite al soldado sujetar el cañón mientras utiliza una bayoneta. ^{[ cita requerida ]}

Industria

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 requerida ]}

Véase también

• caparazón de aerodeslizador
• Reentrada atmosférica
• ABRIGO AV
• Intumescente
• Estrella lite
• 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". Corrosion Science . 146 : 233–246. arXiv : 1902.03943 . Bibcode :2019Corro.146..233S. doi :10.1016/j.corsci.2018.11.006. S2CID  118927116. Archivado desde el original el 2021-10-01 . Consultado el 2019-01-11 .
2. Carley, Larry (1 de junio de 2017). "Cómo moderar el calor de los caballos de fuerza: cómo mantener la calma con accesorios que controlan el calor". Revista Engine Builder . Consultado el 26 de agosto de 2023 .
3. diandra, dr (23 de abril de 2012). "Kansas: Temperatura y caballos de fuerza". Velocidad de construcción . Consultado el 26 de agosto de 2023 .
4. Marketing, Elmelin (23 de mayo de 2022). "La evolución del aislamiento térmico automotriz". Elmelin Ltd. Consultado el 26 de agosto de 2023 .
5. "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 14 de septiembre de 2016. Consultado el 13 de enero de 2016 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
6. Fahrenholtz, William G; Wuchina, Eric J; Lee, William E; Zhou, Yanchun, eds. (2014). "Cerámicas de temperatura ultraalta: materiales para aplicaciones en entornos extremos". doi :10.1002/9781118700853. ISBN 9781118700853.
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8. página de inicio de estructura nítida w izquierda Archivado el 16 de octubre de 2015 en Wayback Machine.
9. "c³harme". c3harme.eu . Archivado desde el original el 2020-08-06 . Consultado el 2018-03-27 .
10. "Dinámica de la renta atmosférica". Archivado desde el original el 8 de julio de 2018. Consultado el 23 de agosto de 2016 .
11. "Бобков В. Космический корабль" Восток"". epizodsspace.airbase.ru . Consultado el 22 de marzo de 2024 .
12. Venkatapathy, Ethiraj (21 de octubre de 2019). "Abladores: desde el Apolo hasta las futuras misiones a la Luna, Marte y más allá". Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio .
13. Hale, Wayne; Lane, Helen W.; Estados Unidos, eds. (2010). Alas en órbita: legados científicos y de ingeniería del transbordador espacial, 1971-2010. NASA/SP. Washington, DC: Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio. ISBN 978-0-16-086846-7.OCLC 698332185  .
14. Meechan, CJ; Miles, F.; Ledsome, C.; Fraser, DO; Whitehouse, D. (1984). "El sistema del transbordador espacial [y discusión]". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Serie A, Ciencias matemáticas y físicas . 312 (1519): 89–102. doi :10.1098/rsta.1984.0053. ISSN  0080-4614. JSTOR  37389.
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16. Kondrashov, EK (2023). "Recubrimientos termotácticos inorgánicos y poliméricos para el avión espacial Buran". Ciencia de polímeros, serie D . 16 (2): 396–400. doi :10.1134/S1995421223020120. ISSN  1995-4212.
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20. Marder, Jenny (3 de julio de 2019). «El desacelerador inflable viajará en el satélite JPSS-2». NOAA . Archivado desde el original el 1 de octubre de 2021 . Consultado el 30 de octubre de 2019 .
21. 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 foco: nave espacial tripulada de próxima generación y otros aspectos destacados de la doncella de la Larga Marcha 5B vuelo)". Noticias Xinhua (en chino). Archivado desde el original el 7 de agosto de 2020 . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
22. Bill D'Zio (7 de mayo de 2020). "¿La tecnología espacial inflable de China supone un ahorro de 400 millones de dólares 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 .
23. "¡El calor está ardiendo! La demostración del escudo térmico "impecable" de la NASA pasa la prueba - NASA". 2023-11-17 . Consultado el 2024-04-20 .
24. "El escudo térmico inflable de la NASA encuentra su fuerza en la flexibilidad - NASA". 2022-10-25 . Consultado el 2024-04-20 .
25. "Instalación de un escudo térmico de última generación en la sonda solar Parker de la NASA - NASA". 2018-07-05 . Consultado el 2024-04-30 .
26. Grossi, Stefano. "Escudo térmico de sonda solar Parker". Ultramet . Consultado el 30 de abril de 2024 .
27. "Sonda solar Parker - Ciencia de la NASA". science.nasa.gov . Consultado el 30 de abril de 2024 .