Spis treści
Wprowadzenie: Ponowne wejście jako ekstremalny scenariusz termiczny
Powrót statku kosmicznego do ziemskiej atmosfery jest jednym z najbardziej wymagających termicznie etapów misji. Podczas ponownego wejścia w atmosferę na zewnątrz pojazdu występują temperatury przekraczające 1500°C. °C, spowodowane falami uderzeniowymi, ciepłem tarcia i efektami plazmowymi w wysokiej atmosferze. Jednocześnie na konstrukcję działają silne naprężenia mechaniczne. Osłona termiczna (system ochrony termicznej, TPS) ma za zadanie chronić statek kosmiczny i jego wewnętrzne komponenty przed tymi ekstremalnymi warunkami – najlepiej wielokrotnie. Wymóg wielokrotnego użytku jest coraz częściej przedmiotem zainteresowania obecnych programów kosmicznych, zarówno przez agencje rządowe, takie jak NASA i ESA, jak i przez prywatnych sponsorów.
Podczas gdy wcześniejsze systemy opierały się na materiałach ablacyjnych lub ceramicznych, coraz częściej pojawia się klasa materiałów, które łączą w sobie następujące dwie właściwości: wysoką wytrzymałość mechaniczną i dobrą przewodność cieplną – kompozyty wzmocnione metalową matrycą, w skrócie MMC. Materiały te składają się z metalicznej matrycy (np. B. aluminium, tytan lub nikiel) z osadzonymi cząstkami ceramicznymi lub włóknami (np.B. SiC lub Al₂O₃), które nadają materiałowi szczególnie pożądane właściwości. Ich potencjał tkwi w szczególności w strukturalnej integracji funkcji ochrony termicznej, co może znacznie zmniejszyć wagę, złożoność i koszty (Oluseyi i in., 2021).
Jednak decyzja o tym, czy taki materiał może wytrzymać ekstremalne wymagania związane z ponownym wejściem, nie opiera się wyłącznie na teoretycznych założeniach modelowania lub klasycznych testach materiałowych. W tym przypadku Dokładna znajomość właściwości termofizycznych w realistycznych warunkach ma kluczowe znaczenie – w szczególności dyfuzyjność cieplna, przewodność i pojemność cieplna w szerokim zakresie temperatur. W tym miejscu do gry wkracza metoda, która ugruntowała swoją pozycję w charakterystyce materiałów do zastosowań wysokotemperaturowych: Laserowa analiza błysku (LFA) .
Laserowy analizator błysku sprawdził się jako precyzyjna, bezkontaktowa metoda pomiaru dyfuzyjności cieplnej i stanowi podstawę do określania przewodności cieplnej złożonych materiałów, takich jak MMC. Metoda ta jest szczególnie przydatna w przypadku próbek anizotropowych lub porowatych – takich jak te występujące w rzeczywistych konfiguracjach TPS. Umożliwia ona miarodajną ocenę przewodności cieplnej w kierunku osiowym i promieniowym i może być stosowana w dużych zakresach temperatur, co jest niezbędne do oceny materiałów TPS.
W niniejszym artykule zbadano zatem, w jaki sposób można ocenić MMC w systemach ochrony termicznej za pomocą analizy błysku lasera. Wykorzystano bieżące prace badawcze, w tym rozwój przez NASA koncepcji metalowych TPS wielokrotnego użytku (NASA LaRC, 2004) oraz ostatnie badania materiałoznawcze dotyczące wysokotemperaturowej charakterystyki MMC (Oluseyi i in., 2021). Nacisk kładziony jest nie tylko na same właściwości materiału, ale także na wymagania metrologiczne i interpretację danych LFA w kontekście rzeczywistych scenariuszy zastosowań.
Celem jest zapewnienie ugruntowanego wglądu w termofizyczną ocenę metalicznych materiałów kompozytowych do zastosowań kosmicznych oraz zademonstrowanie wkładu nowoczesnych metod analitycznych w rozwój osłon termicznych wielokrotnego użytku.
Podstawy technologii materiałowej: kompozyty o osnowie metalowej jako materiały TPS nowej generacji
Wybór odpowiednich materiałów jest kluczowym kryterium dla systemów ochrony termicznej (TPS), które muszą być wielokrotnego użytku, a jednocześnie pozostać niezawodne w ekstremalnych warunkach. W przemyśle lotniczym od dziesięcioleci dominuje napięcie między efektem izolacji termicznej, integralnością mechaniczną i oszczędnością masy. Pod tym względem kompozyty na osnowie metalowej (MMC) stanowią atrakcyjną alternatywę dla tradycyjnych materiałów TPS, takich jak ceramika lub ablacyjne kompozyty polimerowe.
MMC składają się z metalicznej matrycy – często aluminiowej, tytanowej lub niklowej – do której wprowadzana jest faza wzmacniająca w postaci cząstek ceramicznych (np. np. węglik krzemu, tlenek glinu) lub krótkie włókna. Ukierunkowane połączenie obu faz pozwala zoptymalizować właściwości, takie jak przewodność cieplna, stabilność utleniania, wytrzymałość w wysokich temperaturach i odporność na szoki termiczne na poziomie systemu (Oluseyi i in., 2021).
Kluczowym argumentem przemawiającym za wykorzystaniem MMC w komponentach TPS jest możliwość strukturalnej integracji funkcji termicznych. Podczas gdy konwencjonalne warstwy TPS często muszą być dodatkowo nakładane na konstrukcję nośną – na przykład jako płytki lub panele – MMC mogą służyć jako system nośny, przewodzący ciepło i tłumiący ciepło w tym samym czasie. Nie tylko zmniejsza to całkowitą wagę, ale także zwiększa możliwość ponownego użycia poprzez zmniejszenie tendencji do rozwarstwiania lub pękania po wielokrotnych cyklach termicznych.
W praktyce jednak właściwości MMC są w dużym stopniu zależne od odpowiedniego systemu materiałowego, drogi produkcji i mikrostruktury. Kompozyty aluminium-SiC, na przykład, charakteryzują się wysoką przewodnością cieplną i niską gęstością, ale mają ograniczoną stabilność utleniania powyżej 600 stopni Celsjusza. °C. Z drugiej strony, MMC na bazie tytanu oferują doskonałą stabilność w wysokich temperaturach do ponad 1000 °C. °C, ale stanowią większe wyzwanie w zakresie przetwarzania i łączenia włókien z matrycą.
Dogłębne zrozumienie właściwości termofizycznych – w szczególności zależnej od temperatury dyfuzyjności cieplnej i przewodności cieplnej – jest zatem niezbędne do zakwalifikowania tych materiałów specjalnie do zastosowań TPS.
Inną cechą nowoczesnych MMC jest ich rosnąca zdolność produkcyjna dzięki wytwarzaniu addytywnemu, w szczególności dzięki procesom takim jak laserowa fuzja złoża proszku (LPBF) lub ukierunkowane osadzanie energii (DED). Umożliwiają one ukierunkowane dostrajanie lokalnej mikrostruktury i integrację stopniowanych przejść materiałowych, które mogą lepiej kompensować naprężenia termomechaniczne. W połączeniu z metodami takimi jak analiza błysku laserowego, te systemy materiałowe mogą być nie tylko opracowywane, ale także precyzyjnie testowane i oceniane.
Kolejna sekcja wprowadza zatem metodologię metrologiczną laserowej analizy błyskowej (LFA) i wyjaśnia, w jaki sposób można ją wykorzystać do precyzyjnego określenia decydujących właściwości termofizycznych MMC w zakresie wysokich temperatur.
Technologia pomiarowa: Laserowa analiza błyskowa jako klucz do charakterystyki termicznej MMC
Wydajność cieplna materiału w warunkach wysokiej temperatury zależy w dużej mierze od trzech parametrów przewodności cieplnej ( λ ) w dyfuzyjność cieplna ( α ) i pojemność cieplna właściwa (cp) . W przypadku kompozytów wzmacnianych osnową metalową (MMC), które są stosowane w temperaturach powyżej 1000 °C mają funkcjonować jako systemy ochrony termicznej (TPS), precyzyjne i specyficzne dla materiału określenie tych właściwości jest niezbędne. Laserowa analiza błyskowa (LFA) stała się standardową metodą określania dyfuzyjności cieplnej i jest szczególnie odpowiednia do zastosowań wysokotemperaturowych.
LFA opiera się na przejściowej, bezdotykowej zasadzie pomiaru Płaska płytka próbki jest bombardowana z tyłu krótkim impulsem lasera o wysokiej energii. Wynikający z tego wzrost temperatury po przeciwnej stronie jest mierzony za pomocą czujnika podczerwieni. Dyfuzyjność termiczna może być określona na podstawie reakcji temperatury w czasie. α bezpośrednio. Przewodność cieplna λ wynika z zależności:
\(
\lambda = \alpha \cdot \rho \cdot c_p
\quad \text{mit} \quad
\begin{cases}
\lambda : \text{przewodność cieplna (W/m-K)} \\
\alpha : \text{dyfuzyjność termiczna (m$^2$/s)} \\
\rho : \text{gęstość (kg/m$^3$)} \\
c_p : \text{pojemność cieplna właściwa (J/kg-K)}
\end{cases}
\)
Przy czym ρ to gęstość, a cp to pojemność cieplna właściwa materiału. Te dwie wartości można zwykle określić osobno lub wykorzystać wartości literaturowe lub dodatkowe metody pomiarowe, takie jak DSC (różnicowa kalorymetria skaningowa).
Kluczową zaletą LFA jest to, że metoda ta może być również stosowana do złożonych, niejednorodnych lub anizotropowych materiałów. jak ma to zwykle miejsce w przypadku MMC. Ukierunkowany wybór grubości próbki, energii lasera i czasu detekcji umożliwia analizę zarówno materiałów o wysokiej, jak i bardzo niskiej przewodności cieplnej. Jest to szczególnie istotne w przypadku elementów TPS o strukturze warstwowej lub mikrostrukturze kierunkowej, gdzie propagacja ciepła może być wysoce zależna od kierunku.
Ponadto pomiary LFA mogą być przeprowadzane w szerokim zakresie temperatur – możliwe są temperatury do 2800 °C, w zależności od materiału próbki i technologii czujnika. Umożliwia to ciągłą analizę zachowania temperatury materiałów TPS podczas różnych faz ponownego wejścia, od ogrzewania przez tarcie do chłodzenia w końcowej fazie lotu.
Oprócz klasycznego pomiaru indywidualnego, LFA może być również używany do krzywych zależnych od czasu i temperatury obciążenia cykliczne i ukierunkowane testy starzenia. Jest to szczególnie cenne w kontekście możliwości ponownego wykorzystania komponentów lotniczych: uszkodzenia termiczne, takie jak powstawanie mikropęknięć, rozwarstwianie lub ataki utleniania, często objawiają się mierzalnymi zmianami dyfuzyjności cieplnej – na długo przed wykryciem uszkodzeń w testach mechanicznych.
W praktycznym zastosowaniu rozwoju TPS, LFA jest zatem wykorzystywana nie tylko do oceny materiałów, ale coraz częściej także do walidacji modeli numerycznych (z.FEM lub CFD), do kontroli procesu podczas produkcji (np.np. po produkcji addytywnej) oraz do seryjnego uwalniania wysoce obciążonych komponentów.
Studium przypadku: NASA-X-33 i rozwój metalicznego TPS z MMC
W ramach rozwoju systemów kosmicznych wielokrotnego użytku, pod koniec lat 90-tych NASA wystrzeliła demonstrator technologii demonstrator technologii X-33 nowe standardy. Bezzałogowy pojazd testowy był częścią większego projektu Program rakiet nośnych wielokrotnego użytku (RLV) i miał na celu przetestowanie technologii, które umożliwiłyby ekonomiczny, w pełni wielokrotny dostęp do przestrzeni kosmicznej. Jednym z największych wyzwań w tym projekcie było opracowanie solidnego, lekkiego statku kosmicznego wielokrotnego użytku. system ochrony termicznej (TPS) – i tutaj skupiono się na skupiono się na koncepcjach metalicznych które znacznie różniły się od wcześniejszych systemów ablacyjnych (NASA LaRC, 2004).
Tak zwany Metalowy System Ochrony Termicznej (METTPS) składał się z wielowarstwowych struktur warstwowych z odpornymi na utlenianie metalicznymi warstwami wierzchnimi zazwyczaj wykonanymi z Inconelu lub stopów tytanu, na izolującym termicznie rdzeniu (np.np. struktura plastra miodu wykonana ze stali nierdzewnej lub Ti). Takie systemy oferują kilka zalet: mogą być zintegrowane strukturalnie, mają wysoką nośność mechaniczną, są odporne na uderzenia i – w przeciwieństwie do wielu rozwiązań ceramicznych – mogą być naprawiane segment po segmencie w przypadku uszkodzenia.
Jednak wydajność tych systemów zależy w dużej mierze od właściwości termofizycznych użytych materiałów. od właściwości termofizycznych zastosowanych materiałów. z. Dokładna wiedza na temat przewodność cieplna i dyfuzyjność cieplna jest niezbędne do prawidłowego modelowania rozkładu temperatury w TPS, przewidywania zachowania termomechanicznego i unikania lokalnych gorących punktów.
Program ostatecznie zidentyfikował kilka wariantów opartych na MMC o wystarczająco wysokiej obciążalności termicznej, niskiej tendencji do rozwarstwiania i dobrej przydatności do ponownego użycia. Systemy te łączyły zalety metali wspierających strukturę z kontrolowanym przewodnictwem cieplnym, dzięki czemu idealnie nadawały się do wielokrotnego użytku w suborbitalnych lub orbitalnych statkach kosmicznych. Późniejsze koncepcje – takie jak system TPS w statku Dream Chaser lub metalowe panele powierzchniowe do osłon termicznych w projekcie Starship – również opierały się na tym materiale i filozofii testowania.
Wnioski i perspektywy: LFA jako klucz do rozwoju materiałów kosmicznych wielokrotnego użytku
Rozwój systemów ochrony termicznej (TPS) wielokrotnego użytku jest kluczowym wyzwaniem w nowoczesnej technologii lotniczej. Skupiamy się tutaj na materiałach, które mają zarówno wysoką wytrzymałość termomechaniczną, jak i integralność strukturalną – właściwości, które spełniają w szczególności kompozyty wzmocnione matrycą metalową (MMC). Ich hybrydowa struktura składająca się z metalicznej matrycy i ceramicznego wzmocnienia pozwala na ukierunkowaną harmonizację przewodności cieplnej, wytrzymałości i odporności na temperaturę w szerokim zakresie. Wybór odpowiednich systemów MMC zależy jednak przede wszystkim od wiarygodnej charakterystyki ich właściwości termofizycznych – zwłaszcza w realistycznych warunkach wysokotemperaturowych.
Laserowa analiza błyskowa (LFA ) stała się niezbędną metodą w tym kontekście. Pozwala ona nie tylko na precyzyjny pomiar dyfuzyjności cieplnej w szerokim zakresie temperatur, ale także oferuje możliwość analizy materiałów anizotropowych lub o złożonej strukturze. Zdolność LFA do wykrywania zachowania przewodności cieplnej zależnej od kierunku, szczególnie w nowoczesnych, stopniowanych lub wytwarzanych addytywnie MMC, jest bardzo istotna.
Szczególny potencjał wynika z połączenia precyzyjnej analizy termicznej i symulacji numerycznej Wartości pomiarowe LFA mogą być przenoszone bezpośrednio do modeli elementów skończonych w celu przewidywania pól temperatury, naprężeń termicznych i zachowania strukturalnego w rzeczywistych warunkach pracy. Ponadto metoda ta nadaje się również do monitorowania jakości i analizy starzenia się komponentów TPS wielokrotnego użytku – aspekt, który staje się coraz ważniejszy ze względu na rosnące cykliczne wykorzystanie systemów kosmicznych, takich jak Starship, Dream Chaser czy Space Rider.
Przyszły rozwój może jeszcze bardziej rozszerzyć rolę LFA. Otwiera to perspektywy dla Charakterystyka inline MMC produkowanych addytywnie w procesach przemysłowych, na przykład poprzez zminiaturyzowane systemy LFA z generowaniem impulsów optycznych i wykrywaniem podczerwieni w przestrzeni instalacyjnej. Sprzężenie z Termograwimetria (TGA) , dylatometr (DIL) i różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) do jednoczesnego określania wartości cp i gęstości obiecuje większą dokładność w wyprowadzaniu przewodności cieplnej.
W kontekście cyfrowego rozwoju materiałów – na przykład poprzez wykorzystanie cyfrowych bliźniaków lub modeli materiałowych wspieranych przez sztuczną inteligencję – dane LFA stanowią niezbędną podstawę do opartego na danych wyboru i optymalizacji przyszłych materiałów TPS. Metoda ta przyczynia się zatem nie tylko do eksperymentalnej walidacji istniejących projektów, ale także umożliwia ukierunkowany rozwój nowych koncepcji materiałowych w przestrzeni wirtualnej.
Połączenie innowacyjnych materiałów, takich jak MMC, precyzyjnej charakterystyki za pomocą LFA i inteligentnego projektowania symulacyjnego obiecuje zatem trwały postęp w rozwoju systemów kosmicznych wielokrotnego użytku – z bezpośrednimi korzyściami dla wydajności, kosztów i bezpieczeństwa przyszłych misji.
Lista źródeł
Oluseyi P. Oladijo et al. (2021). Właściwości wysokotemperaturowe kompozytów na osnowie metalowej. W: Encyklopedia materiałów: Kompozyty. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819724-0.00096-3
Oddział materiałów ochrony termicznej NASA. (2023). Testowanie i wytwarzanie materiałów TPS: wykorzystanie laserowej analizy błysku (LFA). Strona internetowa NASA. https://www.nasa.gov/thermal-protection-materials-branch-testing-and-fabrication/?utm_source=chatgpt.com
