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Introduzione: Il rientro come scenario termico estremo
Il rientro di un veicolo spaziale nell’atmosfera terrestre è una delle fasi termicamente più impegnative di una missione. Durante il rientro in atmosfera, all’esterno del veicolo si raggiungono temperature superiori ai 1500°C.°C, causate dalle onde d’urto, dal calore di attrito e dagli effetti del plasma nell’alta atmosfera. Allo stesso tempo, forti sollecitazioni meccaniche agiscono sulla struttura. Lo scudo di protezione termica (thermal protection system, TPS) ha il compito di proteggere il veicolo spaziale e i suoi componenti interni da queste condizioni estreme – idealmente più volte. Il requisito della riutilizzabilità è sempre più al centro degli attuali programmi spaziali, sia da parte di agenzie governative come la NASA e l’ESA che di sponsor privati.
Mentre i sistemi precedenti si basavano su materiali ablativi o ceramici, si sta facendo sempre più strada una classe di materiali che combina le due seguenti proprietà: elevata resistenza meccanica e buona conducibilità termica – i compositi rinforzati a matrice metallica, o MMC in breve. Questi materiali sono costituiti da una matrice metallica (ad es.Questi materiali sono costituiti da una matrice metallica (ad esempio, alluminio, titanio o nichel) con particelle o fibre ceramiche incorporate (ad esempio, alluminio, titanio o nichel).SiC o Al₂O₃), che conferiscono al materiale specifiche proprietà desiderate. Il loro potenziale risiede in particolare nell’integrazione strutturale delle funzioni di protezione termica, che può ridurre significativamente il peso, la complessità e i costi (Oluseyi et al., 2021).
Tuttavia, la decisione sulla capacità di un materiale di resistere alle esigenze estreme del rientro non si basa solo su ipotesi di modellazione teorica o sui classici test sui materiali. La conoscenza esatta delle proprietà termofisiche in condizioni di in condizioni realistiche è fondamentale, in particolare la diffusività termica, la conduttività e la capacità termica in un ampio intervallo di temperature. È qui che entra in gioco un metodo che si è affermato nella caratterizzazione dei materiali per applicazioni ad alta temperatura: L’analisi laser flash (LFA) .
Il Laser Flash Analyser si è dimostrato un metodo preciso e senza contatto per misurare la diffusività termica e costituisce la base per la determinazione della conducibilità termica di materiali complessi come gli MMC. Il metodo è particolarmente utile per i campioni anisotropi o porosi, come quelli presenti nelle configurazioni TPS reali. Consente una valutazione significativa della conduttività termica in direzione assiale e radiale e può essere utilizzato in ampi intervalli di temperatura, il che è essenziale per la valutazione dei materiali TPS.
Questo articolo esamina quindi come valutare gli MMC per i sistemi di protezione termica utilizzando l’analisi laser flash. Vengono utilizzati gli attuali lavori di ricerca, tra cui lo sviluppo da parte della NASA di concetti di TPS metallici riutilizzabili (NASA LaRC, 2004) e i recenti studi di scienza dei materiali sulla caratterizzazione ad alta temperatura dei MMC (Oluseyi et al., 2021). L’attenzione non si concentra solo sulle proprietà del materiale in sé, ma anche sui requisiti metrologici e sull’interpretazione dei dati LFA nel contesto di scenari applicativi reali.
L’obiettivo è quello di fornire una visione fondata della valutazione termofisica dei materiali compositi metallici per le applicazioni spaziali e di dimostrare il contributo dei moderni metodi analitici allo sviluppo di scudi termici riutilizzabili.
Basi della tecnologia dei materiali: i compositi a matrice metallica come materiali TPS di nuova generazione
La scelta dei materiali adatti è un criterio fondamentale per i sistemi di protezione termica (TPS) che devono essere riutilizzabili e allo stesso tempo rimanere affidabili in condizioni estreme. Nell’industria aerospaziale, da decenni domina la tensione tra effetto di isolamento termico, integrità meccanica e risparmio di massa. A questo proposito, i compositi a matrice metallica (MMC) offrono un’alternativa interessante ai materiali tradizionali per i TPS, come la ceramica o i compositi polimerici ablativi.
Gli MMC sono costituiti da una matrice metallica – spesso alluminio, titanio o nichel – in cui viene inserita una fase di rinforzo di particelle ceramiche (ad es.(carburo di silicio, ossido di alluminio) o fibre corte. La combinazione mirata di entrambe le fasi consente di ottimizzare a livello di sistema proprietà come la conducibilità termica, la stabilità all’ossidazione, la resistenza alle alte temperature e la resistenza agli shock termici (Oluseyi et al., 2021).
Un argomento chiave a favore dell’utilizzo delle MMC nei componenti TPS è la possibilità di integrare strutturalmente le funzioni termiche. Mentre gli strati di TPS convenzionali spesso devono essere applicati in aggiunta a una struttura portante – ad esempio come piastrelle o pannelli – le MMC possono fungere da sistema portante, termoconduttivo e di smorzamento termico allo stesso tempo. Questo non solo riduce il peso complessivo, ma aumenta anche la riutilizzabilità riducendo la tendenza alla delaminazione o alla fessurazione dopo ripetuti cicli termici.
In pratica, però, le proprietà dei MMC dipendono fortemente dal sistema di materiali, dal processo di produzione e dalla microstruttura. I compositi alluminio-SiC, ad esempio, sono caratterizzati da un’elevata conducibilità termica e da una bassa densità, ma hanno solo una limitata stabilità all’ossidazione al di sopra di 600°C. I MMC a base di titanio, invece, offrono un’eccellente stabilità alle alte temperature fino a oltre 1000 °C.ma presentano maggiori difficoltà in termini di lavorazione e di legame fibra-matrice.
Una comprensione approfondita delle proprietà termofisiche – in particolare della diffusività termica e della conduttività termica in funzione della temperatura – è quindi essenziale per qualificare questi materiali in modo specifico per le applicazioni TPS.
Un’altra caratteristica dei moderni MMC è la loro crescente producibilità attraverso la fabbricazione additiva, in particolare attraverso processi come la fusione laser a letto di polvere (LPBF) o la deposizione a energia diretta (DED). Questi processi consentono una regolazione mirata della microstruttura locale e l’integrazione di transizioni graduali del materiale che possono compensare meglio le sollecitazioni termomeccaniche. In combinazione con metodi come l’analisi del flash laser, questi sistemi di materiali possono essere non solo sviluppati, ma anche testati e valutati con precisione.
La prossima sezione introduce quindi la metodologia metrologica dell’analisi laser flash (LFA) – e spiega come può essere utilizzata per determinare con precisione le caratteristiche termofisiche decisive dei MMC per le alte temperature.
Tecnologia di misurazione: l'analisi del flash laser come chiave per la caratterizzazione termica degli MMC
Le prestazioni termiche di un materiale in condizioni di alta temperatura dipendono in larga misura da tre parametri: la conduttività termica ( λ ) il diffusività termica ( α ) e la capacità termica specifica (cp) . Per i compositi rinforzati con matrice metallica (MMC), che vengono utilizzati a temperature superiori a 1000 °C, una determinazione precisa e specifica del materiale di queste proprietà è essenziale. La Laser Flash Analysis (LFA) si è affermata come metodo standard per determinare la diffusività termica ed è particolarmente adatta per le applicazioni ad alta temperatura.
L’LFA si basa su un principio di misurazione principio di misurazione transitoria e senza contatto Una piastra campione piatta viene bombardata sul lato posteriore con un breve impulso laser ad alta energia. L’aumento di temperatura risultante sul lato opposto viene misurato con un sensore a infrarossi. La diffusività termica può essere determinata dall’andamento temporale di questa risposta di temperatura α può essere determinata direttamente. La conducibilità termica λ risulta dalla relazione:
\(
\lambda = \alpha \cdot \rho \cdot c_p
\quad \text{mit} \quad
\begin{cases}
\lambda : \text{conduttività termica (W/m-K)} \\
\alfa : \testo{diffusività termica (m$^2$/s)} \\
\rho : \´testo{densità (kg/m$^3$)} \\
c_p : \text{Capacità termica specifica (J/kg-K)}
\end{cases}
\)
In base al quale ρ è la densità e cp è la capacità termica specifica del materiale. Queste due variabili possono essere determinate separatamente o utilizzate in base ai valori della letteratura o a metodi di misurazione supplementari come la DSC (Calorimetria Differenziale a Scansione).
Un vantaggio fondamentale dell’LFA è che il metodo può essere usato anche per materiali complessi, disomogenei o anisotropi come quelli tipicamente presenti negli MMC. Grazie alla selezione mirata dello spessore del campione, dell’energia laser e del tempo di rilevamento, è possibile analizzare materiali con conducibilità termica sia elevata che molto bassa. Ciò è particolarmente importante per i componenti TPS con una struttura a strati o una microstruttura direzionata, dove la propagazione del calore può essere fortemente dipendente dalla direzione.
Inoltre, le misurazioni LFA possono essere effettuate in un ampio intervallo di temperature: è possibile raggiungere temperature fino a 2800 °C, a seconda del materiale del campione e della tecnologia del sensore. Ciò consente un’analisi continua del comportamento termico dei materiali TPS durante le diverse fasi del rientro, dal riscaldamento per attrito al raffreddamento nella fase finale del volo.
Oltre alla classica misurazione individuale, l’LFA può essere utilizzata anche per curve dipendenti dal tempo e dalla temperatura carichi ciclici e analisi mirate dell’invecchiamento. Ciò è particolarmente prezioso nel contesto della riutilizzabilità dei componenti aerospaziali: i danni termici come la formazione di microfratture, la delaminazione o gli attacchi di ossidazione spesso si manifestano con cambiamenti misurabili nella diffusività termica, molto prima che i test meccanici rilevino i guasti.
Nell’applicazione pratica degli sviluppi del TPS, l’LFA non viene quindi utilizzato solo per la valutazione dei materiali, ma sempre più spesso anche per la la validazione dei modelli numerici (z.FEM o CFD), per il controllo del processo durante la produzione (es.ad esempio dopo la produzione additiva) e per il rilascio in serie di componenti altamente sollecitati.
Caso di studio: NASA-X-33 e lo sviluppo di TPS metallici con MMC
Nell’ambito dello sviluppo di sistemi spaziali riutilizzabili, alla fine degli anni Novanta la NASA ha lanciato il dimostratore tecnologico X-33. dimostratore tecnologico X-33 e ha stabilito nuovi standard. Il veicolo di prova senza equipaggio faceva parte del più ampio programma programma Reusable Launch Vehicle (RLV) e aveva lo scopo di testare le tecnologie che avrebbero consentito un accesso economico e completamente riutilizzabile allo spazio. Una delle sfide più importanti di questo progetto è stato lo sviluppo di un sistema di protezione termica (TPS) robusto, leggero e riutilizzabile. sistema di protezione termica (TPS) robusto, leggero e riutilizzabile – e qui l’attenzione si è concentrata su l’attenzione si è concentrata su concetti metallici che differiscono in modo significativo dai precedenti sistemi ablativi (NASA LaRC, 2004).
Il cosiddetto Sistema di protezione termica metallica (METTPS) consisteva in strutture a sandwich multistrato con strati di copertura metallici resistenti all’ossidazione tipicamente in Inconel o leghe di titanio, su un nucleo termicamente isolante (ad es.(una struttura a nido d’ape in acciaio inossidabile o Ti). Questi sistemi offrono diversi vantaggi: possono essere integrati strutturalmente, hanno un’elevata resistenza meccanica, sono resistenti agli urti e – a differenza di molte soluzioni ceramiche – possono essere riparati segmento per segmento se danneggiati.
Tuttavia, le prestazioni di questi sistemi dipendono in larga misura dalle dalle proprietà termofisiche dei materiali utilizzati. utilizzati. È necessaria una conoscenza precisa della conduttività termica e della diffusività termica. è necessaria per modellare correttamente le distribuzioni di temperatura all’interno del TPS, prevedere il comportamento termomeccanico ed evitare punti caldi locali.
Il programma ha infine identificato diverse varianti a base di MMC con una capacità di carico termico sufficientemente elevata, una bassa tendenza alla delaminazione e una buona riutilizzabilità. Questi sistemi combinavano i vantaggi dei metalli che sostengono la struttura con una conduzione termica controllata, rendendoli ideali per l’uso ripetuto in veicoli spaziali suborbitali o orbitali. Anche i concetti successivi, come il sistema TPS del Dream Chaser o i rivestimenti metallici per gli scudi termici del progetto Starship, si sono ispirati a questa filosofia di materiali e test.
Conclusioni e prospettive: LFA come chiave per lo sviluppo di materiali spaziali riutilizzabili
Lo sviluppo di sistemi di protezione termica (TPS) riutilizzabili è una sfida chiave nella moderna tecnologia aerospaziale. L’attenzione si concentra sui materiali che possiedono sia un’elevata resistenza termomeccanica che un’integrabilità strutturale – proprietà che i compositi rinforzati con matrice metallica (MMC) soddisfano in modo particolare. La loro struttura ibrida, composta da una matrice metallica e da un rinforzo ceramico, consente di armonizzare in modo mirato la conducibilità termica, la forza e la resistenza alla temperatura in un ampio intervallo. Tuttavia, la selezione dei sistemi MMC adatti dipende in modo cruciale dalla caratterizzazione affidabile delle loro proprietà termofisiche, soprattutto in condizioni realistiche di alta temperatura.
L ‘analisi laser flash (LFA) si è affermata come un metodo indispensabile in questo contesto. Non solo permette di misurare con precisione la diffusività termica in ampi intervalli di temperatura, ma offre anche la possibilità di analizzare materiali anisotropi o dalla struttura complessa. La capacità dell’LFA di rilevare il comportamento della conduttività termica in funzione della direzione, soprattutto nei moderni MMC graduati o prodotti in modo additivo, è molto importante.
Un potenziale particolare deriva dalla combinazione di analisi termica precisa e simulazione numerica I valori misurati dall’LFA possono essere trasferiti direttamente in modelli a elementi finiti per prevedere i campi di temperatura, le sollecitazioni termiche e il comportamento strutturale in condizioni operative reali. Inoltre, il metodo è adatto anche al monitoraggio della qualità e all’analisi dell’invecchiamento dei componenti TPS riutilizzabili, un aspetto che sta acquisendo sempre più importanza in vista del crescente utilizzo ciclico di sistemi spaziali come Starship, Dream Chaser o Space Rider.
Gli sviluppi futuri potrebbero ampliare ulteriormente il ruolo delle LFA. Ad esempio, ci sono prospettive per caratterizzazione in linea di MMC fabbricati in modo additivo nei processi industriali, ad esempio attraverso sistemi LFA miniaturizzati con generazione di impulsi ottici e rilevamento IR nello spazio di installazione. L’accoppiamento con termogravimetria (TGA) , dilatometro (DIL) e la calorimetria a scansione differenziale (DSC) per la determinazione simultanea dei valori di cp e densità promette una maggiore precisione nella derivazione della conduttività termica.
Nel contesto dello sviluppo digitale dei materiali – ad esempio attraverso l’uso di gemelli digitali o di modelli di materiali supportati dall’intelligenza artificiale – i dati LFA rappresentano una base essenziale per la selezione e l’ottimizzazione basata sui dati dei futuri materiali TPS. Il metodo, quindi, non solo contribuisce alla validazione sperimentale dei progetti esistenti, ma consente anche lo sviluppo mirato di nuovi concetti di materiali nello spazio virtuale.
La combinazione di materiali innovativi come gli MMC, la caratterizzazione precisa tramite LFA e la progettazione di simulazioni intelligenti promette quindi un progresso sostenibile nello sviluppo di sistemi spaziali riutilizzabili, con benefici diretti per le prestazioni, i costi e la sicurezza delle missioni future.
Elenco delle fonti
Oluseyi P. Oladijo et al. (2021). Proprietà ad alta temperatura dei compositi a matrice metallica . In: Enciclopedia dei Materiali: Compositi. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819724-0.00096-3
Sezione Materiali di Protezione Termica della NASA. (2023). Test e fabbricazione di materiali TPS: uso della Laser Flash Analysis (LFA). Sito web della NASA. https://www.nasa.gov/thermal-protection-materials-branch-testing-and-fabrication/?utm_source=chatgpt.com
