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 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.
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 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.
Usos
Automotor
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 eficaces pueden brindar un beneficio de rendimiento al reducir la temperatura 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:
Hasta hace poco, los escudos térmicos rígidos se fabricaban habitualmente de acero macizo, [4] pero ahora suelen fabricarse de aluminio. Algunos escudos térmicos rígidos de alta gama están hechos de aluminio, oro o compuesto, y la mayoría de los ejemplos incluyen un revestimiento cerámico para proporcionar una barrera térmica que mejora el aislamiento térmico.
Los escudos térmicos flexibles normalmente están hechos de láminas delgadas de aluminio o de oro, y se venden más comúnmente en forma plana o en rollo. El instalador suele doblar estos escudos térmicos a mano. Los escudos térmicos flexibles de alto rendimiento a veces incluyen extras, como aislamiento cerámico aplicado mediante pulverización de plasma . Otra táctica común en los escudos térmicos flexibles es el uso de 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 .
Los escudos 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 compartimento del motor. Estas envolturas son más comunes en los tubos de escape de motocicletas.
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]
Aeronave
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]
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:
Un escudo térmico ablativo consiste en una capa de resina plástica, cuya superficie exterior se calienta hasta convertirla en gas, que luego elimina el calor por convección . Dichos escudos se utilizaron en las naves espaciales Vostok , Voskhod , Mercury , Gemini y Apollo , y actualmente son utilizados por las naves espaciales SpaceX Dragon 2 , Orion y Soyuz .
La Vostok 1 soviética , la primera nave espacial tripulada, utilizó una protección térmica ablativa hecha de tejido de amianto en resina. [11] Las siguientes misiones Mercurio y Géminis utilizaron fibra de vidrio en la resina, mientras que la nave espacial Apolo utilizó una resina reforzada con fibra de cuarzo. [12] El primer uso de un ablador superligero (SLA) para propósitos de naves espaciales fue para los Viking Landers en 1976. [12] SLA también se utilizaría para la misión Pathfinder . [12] Se utilizaron abladores de carbón impregnado de fenólico (PICA) para la misión Stardust lanzada en 1999. [12]
Un escudo térmico de absorción térmica 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 , 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 compuestos sobre la mayor parte de la superficie del vehículo, con material de carbono-carbono reforzado en los puntos de mayor carga térmica (la nariz y los bordes de ataque del ala). [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 utilizó mosaicos TPS que son similares a los transbordadores estadounidenses. Buran también utiliza baldosas de cerámica en la parte inferior del orbitador y carbono-carbono en el cono de la nariz. [16]
Surgieron muchos problemas con las baldosas utilizadas en el transbordador espacial, mientras que los daños menores en el escudo térmico eran algo común. Los daños importantes al escudo térmico casi causaron la destrucción del transbordador espacial Atlantis en 1988 y causaron 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 están equipados con dichos escudos térmicos para rescatar los costosos motores, posiblemente reduciendo significativamente los costos de los lanzamientos. [22] El 10 de noviembre de 2022, LOFTID fue lanzado utilizando un cohete Atlas V y, luego, se desprendió para volver a entrar en la atmósfera. [23] La capa exterior del escudo térmico consistía en una cerámica de carburo de silicio. [24] El LOFTID recuperado tuvo daños mínimos. [23]
Enfriamiento pasivo
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. 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 . La sonda solar Parker , diseñada para entrar en la corona del Sol, experimenta una temperatura superficial de 2.500 °F. [25] Para soportar esta temperatura sin dañar su cuerpo o sus instrumentos, la nave espacial utiliza un escudo térmico utilizando 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 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 ]
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 necesaria ]
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