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Introducción: la reentrada como escenario térmico extremo
El regreso de una nave espacial a la atmósfera terrestre es una de las fases más exigentes térmicamente de una misión. Durante la reentrada atmosférica, en el exterior del vehículo se alcanzan temperaturas superiores a 1500°C. °C, causadas por las ondas de choque, el calor por fricción y los efectos del plasma en la alta atmósfera. Al mismo tiempo, fuertes tensiones mecánicas actúan sobre la estructura. El escudo de protección térmica (sistema de protección térmica, SPT) tiene la misión de proteger la nave espacial y sus componentes internos de estas condiciones extremas, idealmente varias veces. El requisito de reutilización es cada vez más el centro de atención de los programas espaciales actuales, tanto de agencias gubernamentales como la NASA y la ESA como de patrocinadores privados.
Mientras que los sistemas anteriores se basaban en materiales ablativos o cerámicos, cada vez se presta más atención a una clase de materiales que combinan las dos propiedades siguientes: alta resistencia mecánica y buena conductividad térmica: los materiales compuestos reforzados con matriz metálica, o MMC, para abreviar. Estos materiales constan de una matriz metálica (p. ej. B. aluminio, titanio o níquel) con partículas o fibras cerámicas incrustadas (p. ej.B. SiC o Al₂O₃), que confieren al material propiedades específicamente deseadas. Su potencial reside, en particular, en la integración estructural de funciones de protección térmica, que pueden reducir significativamente el peso, la complejidad y los costes (Oluseyi et al., 2021).
Sin embargo, la decisión sobre si un material de este tipo puede resistir las exigencias extremas de la reentrada no se basa únicamente en supuestos teóricos de modelización o en ensayos clásicos de materiales. El sitio Conocimiento preciso de las propiedades termofísicas en condiciones realistas es crucial, en particular la difusividad térmica, la conductividad y la capacidad calorífica en un amplio intervalo de temperaturas. Aquí es donde entra en juego un método que se ha consolidado en la caracterización de materiales para aplicaciones de alta temperatura: Análisis de Flash Láser (AFL).
El Analizador de Flash Láser ha demostrado ser un método preciso y sin contacto para medir la difusividad térmica y constituye la base para determinar la conductividad térmica de materiales complejos como los MMC. El método es especialmente útil para muestras anisótropas o porosas, como las que se encuentran en configuraciones reales de TPS. Permite una evaluación significativa de la conductividad térmica en dirección axial y radial y puede utilizarse en amplios intervalos de temperatura, lo que es esencial para la evaluación de los materiales TPS.
Por tanto, este artículo examina cómo pueden evaluarse los MMC para sistemas de protección térmica mediante el análisis de destello láser. Se utilizan trabajos de investigación actuales, como el desarrollo por parte de la NASA de conceptos de TPS metálicos reutilizables (NASA LaRC, 2004) y estudios recientes de ciencia de materiales sobre la caracterización a alta temperatura de los MMC (Oluseyi et al., 2021). La atención no sólo se centra en las propiedades de los materiales en sí, sino también en los requisitos metrológicos y la interpretación de los datos del ALF en el contexto de escenarios de aplicación reales.
El objetivo es proporcionar una visión fundamentada de la evaluación termofísica de los materiales compuestos metálicos para aplicaciones espaciales y demostrar la contribución de los métodos analíticos modernos al desarrollo de escudos térmicos reutilizables.
Base tecnológica de los materiales: los compuestos de matriz metálica como materiales TPS de nueva generación
La selección de materiales adecuados es un criterio clave para los sistemas de protección térmica (SPT) que deben ser reutilizables y, al mismo tiempo, seguir siendo fiables en condiciones extremas. En la industria aeroespacial predomina desde hace décadas la tensión entre el efecto de aislamiento térmico, la integridad mecánica y el ahorro de masa. En este sentido, los compuestos de matriz metálica (MMC) ofrecen una alternativa atractiva a los materiales tradicionales de los TPS, como la cerámica o los compuestos poliméricos ablativos.
Los MMC están formados por una matriz metálica, a menudo de aluminio, titanio o níquel, en la que se introduce una fase de refuerzo de partículas cerámicas (por ej. por ejemplo, carburo de silicio, óxido de aluminio) o fibras cortas. La combinación selectiva de ambas fases permite optimizar a nivel de sistema propiedades como la conductividad térmica, la estabilidad a la oxidación, la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a los choques térmicos (Oluseyi et al., 2021).
Un argumento clave a favor del uso de MMC en componentes TPS es la posibilidad de integrar estructuralmente funciones térmicas. Mientras que las capas convencionales de TPS suelen tener que aplicarse adicionalmente a una estructura portante -por ejemplo, como baldosas o paneles-, los MMC pueden servir al mismo tiempo como sistema portante, conductor del calor y amortiguador térmico. Esto no sólo reduce el peso total, sino que también aumenta la reutilización al reducir la tendencia a la delaminación o al agrietamiento tras ciclos térmicos repetidos.
En la práctica, sin embargo, las propiedades de los MMC dependen en gran medida del sistema de materiales respectivo, de la ruta de fabricación y de la microestructura. Los compuestos de aluminio y SiC, por ejemplo, se caracterizan por una alta conductividad térmica y una baja densidad, pero sólo tienen una estabilidad limitada a la oxidación por encima de 600 °C. En cambio, los MMC con base de titanio ofrecen una excelente estabilidad a altas temperaturas, hasta más de 1000 °C. °C, pero presentan mayores desafíos en términos de procesamiento y unión fibra-matriz.
Por tanto, es esencial conocer en profundidad las propiedades termofísicas -en particular la difusividad térmica y la conductividad térmica en función de la temperatura- para cualificar estos materiales específicamente para aplicaciones TPS.
Otra característica de los MMC modernos es su creciente fabricabilidad mediante fabricación aditiva, en particular a través de procesos como la fusión de lecho de polvo por láser (LPBF) o la deposición de energía dirigida (DED). Éstos permiten un ajuste específico de la microestructura local y la integración de transiciones de material graduadas que pueden compensar mejor las tensiones termomecánicas. En combinación con métodos como el análisis de destello láser, estos sistemas de materiales no sólo pueden desarrollarse, sino también probarse y evaluarse con precisión.
Por ello, en la siguiente sección se presenta la metodología metrológica del análisis de flash láser (LFA) y se explica cómo puede utilizarse para determinar con precisión las características termofísicas decisivas de los MMC para el rango de altas temperaturas.
Tecnología de medición: el análisis de flash láser como clave para la caracterización térmica de los MMC
El rendimiento térmico de un material en condiciones de alta temperatura depende en gran medida de tres parámetros: la conductividad térmica (λ)el difusividad térmica (α) y la capacidad calorífica específica (cp). Para los materiales compuestos reforzados con matriz metálica (MMC) que se utilizan a temperaturas superiores a 1000 °C funcionen como sistemas de protección térmica (SPT), es esencial determinar estas propiedades de forma precisa y específica para cada material. El análisis de flash láser (LFA) se ha establecido como el método estándar para determinar la difusividad térmica y es especialmente adecuado para aplicaciones de alta temperatura.
El LFA se basa en un principio de medición transitoria sin contactoUna placa de muestra plana se bombardea por su cara posterior con un pulso láser corto de alta energía. El aumento de temperatura resultante en la cara opuesta se mide con un sensor de infrarrojos. La difusividad térmica puede determinarse a partir de la respuesta de la temperatura en el tiempo. α directamente. La conductividad térmica λ resulta de la relación
\lambda = \alpha \cdot \rho \cdot c_p
\quad \text{mit} \quad
\begin{cases}
\lambda : \text{conductividad térmica (W/m-K)} \
\alpha : \text{difusividad térmica (m$^2$/s)} \
\rho : \text{densidad (kg/m$^3$)} \\
c_p : \capacidad calorífica específica (J/kg-K)}
\end{cases}
\)
Con lo cual ρ es la densidad y cp es la capacidad calorífica específica del material. Normalmente, estos dos valores pueden determinarse por separado o utilizarse a partir de valores bibliográficos o métodos de medición complementarios, como la DSC (Calorimetría Diferencial de Barrido).
Una ventaja fundamental del ML es que el método también puede utilizarse para materiales complejos, no homogéneos o anisótropos. como suele ocurrir con los MMC. La selección selectiva del grosor de la muestra, la energía láser y el tiempo de detección permite analizar tanto materiales con una conductividad térmica alta como muy baja. Esto es especialmente relevante para los componentes TPS con estructura en capas o microestructura direccional, donde la propagación del calor puede depender en gran medida de la dirección.
Además, las mediciones del AGL pueden realizarse en un amplio intervalo de temperaturas: son posibles temperaturas de hasta 2800 °C, dependiendo del material de la muestra y de la tecnología del sensor. Esto permite un análisis continuo del comportamiento térmico de los materiales TPS durante las distintas fases de una reentrada, desde el calentamiento por fricción hasta el enfriamiento en la fase final del vuelo.
Además de la clásica medición individual, el ALF también puede utilizarse para curvas dependientes del tiempo y la temperaturacargas cíclicas y pruebas específicas de envejecimiento. Esto es especialmente valioso en el contexto de la reutilización de componentes aeroespaciales: los daños térmicos, como la formación de microfisuras, la deslaminación o los ataques por oxidación, suelen manifestarse en cambios mensurables de la difusividad térmica, mucho antes de que las pruebas mecánicas detecten los fallos.
Por tanto, en la aplicación práctica de los desarrollos TPS, el AGL no sólo se utiliza para la evaluación de materiales, sino también, cada vez más, para validación de modelos numéricos (z.MEF o CFD), para el control de procesos durante la producción (z.por ejemplo, tras la fabricación aditiva) y para la liberación en serie de componentes sometidos a grandes esfuerzos.
Caso práctico: NASA-X-33 y el desarrollo de TPS metálicos con MMCs
Como parte del desarrollo de sistemas espaciales reutilizables, a finales de los años 90 la NASA lanzó el demostrador tecnológico demostrador tecnológico X-33 nuevas normas. El vehículo de pruebas no tripulado formaba parte del proyecto más amplio Programa de Vehículos de Lanzamiento Reutilizables (RLV) y tenía por objeto probar tecnologías que permitieran un acceso económico y totalmente reutilizable al espacio. Uno de los mayores retos de este proyecto era el desarrollo de una nave espacial robusta, ligera y reutilizable. sistema de protección térmica (SPT) – y aquí la atención se centró en la atención se centró en conceptos metálicosque diferían significativamente de los anteriores sistemas ablativos (NASA LaRC, 2004).
El llamado Sistema Metálico de Protección Térmica (METTPS) consistía en estructuras sándwich multicapa con capas de recubrimiento metálicas resistentes a la oxidaciónnormalmente de Inconel o aleaciones de titanio, sobre un núcleo térmicamente aislante (por ej.por ejemplo, una estructura alveolar de acero inoxidable o Ti). Estos sistemas ofrecen varias ventajas: pueden integrarse estructuralmente, tienen una gran capacidad de carga mecánica, son resistentes a los impactos y -a diferencia de muchas soluciones cerámicas- pueden repararse segmento a segmento si resultan dañados.
Sin embargo, el rendimiento de estos sistemas depende en gran medida de las propiedades termofísicas de los materiales utilizados. de. El conocimiento preciso de la conductividad térmica y difusividad térmica es necesaria para modelizar correctamente las distribuciones de temperatura dentro del TPS, predecir el comportamiento termomecánico y evitar los puntos calientes locales.
El programa identificó finalmente varias variantes basadas en MMC con una capacidad de carga térmica suficientemente alta, una baja tendencia a la delaminación y una buena reutilización. Estos sistemas combinaban las ventajas de los metales de soporte de estructuras con una conducción térmica controlada, lo que los hacía ideales para su uso repetido en naves espaciales suborbitales u orbitales. Conceptos posteriores -como el sistema TPS del Dream Chaser o el revestimiento superficial metálico de los escudos térmicos del proyecto Starship- también se basaron en esta filosofía de materiales y pruebas.
Conclusión y perspectivas: El AGL como clave para el desarrollo de materiales espaciales reutilizables
El desarrollo de sistemas de protección térmica (SPT) reutilizables es un reto clave de la tecnología aeroespacial moderna. La atención se centra aquí en los materiales que tienen tanto una alta resistencia termomecánica como integrabilidad estructural, propiedades que cumplen en particular los materiales compuestos reforzados con matriz metálica (MMC). Su estructura híbrida, formada por una matriz metálica y un refuerzo cerámico, permite armonizar de forma selectiva la conductividad térmica, la fuerza y la resistencia a la temperatura en una amplia gama. Sin embargo, la selección de sistemas MMC adecuados depende fundamentalmente de la caracterización fiable de sus propiedades termofísicas, especialmente en condiciones realistas de alta temperatura.
El análisis de flash láser (LFA) se ha establecido como un método indispensable en este contexto. No sólo permite medir con precisión la difusividad térmica en amplios intervalos de temperatura, sino que también ofrece la posibilidad de analizar materiales anisótropos o de estructura compleja. La capacidad del AGL para detectar el comportamiento de la conductividad térmica dependiente de la dirección, especialmente en los MMC modernos, graduados o fabricados aditivamente, es muy relevante.
La combinación de análisis térmico preciso y simulación numéricaLos valores de medición del AGL pueden transferirse directamente a modelos de elementos finitos para predecir los campos de temperatura, las tensiones térmicas y el comportamiento estructural en condiciones reales de funcionamiento. Además, el método también es adecuado para la supervisión de la calidad y el análisis del envejecimiento de los componentes TPS reutilizables, un aspecto cada vez más importante en vista del creciente uso cíclico de sistemas espaciales como Starship, Dream Chaser o Space Rider.
La evolución futura podría ampliar aún más el papel del ALF. Esto abre perspectivas para la Caracterización en línea MMC de fabricación aditiva en procesos industriales, por ejemplo mediante sistemas LFA miniaturizados con generación de impulsos ópticos y detección IR en el espacio de instalación. Acoplamiento con Termogravimetría (TGA), dilatómetro (DIL) y calorimetría diferencial de barrido (DSC) para la determinación simultánea de los valores de cp y densidad promete una mayor precisión en la derivación de la conductividad térmica.
En el contexto del desarrollo digital de materiales -por ejemplo, mediante el uso de gemelos digitales o modelos de materiales asistidos por IA-, los datos del AGL representan una base esencial para la selección y optimización basadas en datos de los futuros materiales TPS. Por tanto, el método no sólo contribuye a la validación experimental de los diseños existentes, sino que también permite el desarrollo específico de nuevos conceptos de materiales en el espacio virtual.
La combinación de materiales innovadores como los MMC, la caracterización precisa mediante LFA y el diseño de simulación inteligente promete, por tanto, un progreso sostenible en el desarrollo de sistemas espaciales reutilizables, con beneficios directos para el rendimiento, los costes y la seguridad de las futuras misiones.
Lista de fuentes
Oluseyi P. Oladijo et al. (2021). Propiedades a alta temperatura de los compuestos de matriz metálica. En: Enciclopedia de Materiales: Composites. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819724-0.00096-3
Subdivisión de Materiales de Protección Térmica de la NASA. (2023). Pruebas y fabricación de materiales TPS: uso del Análisis de Flash Láser (LFA). Sitio web de la NASA. https://www.nasa.gov/thermal-protection-materials-branch-testing-and-fabrication/?utm_source=chatgpt.com
