Índice
Introdução: A reentrada como um cenário térmico extremo
O regresso de uma nave espacial à atmosfera terrestre é uma das fases mais exigentes do ponto de vista térmico de uma missão. Durante a reentrada na atmosfera, ocorrem temperaturas superiores a 1500°C no exterior do veículo. °C, causados por ondas de choque, calor de fricção e efeitos de plasma na alta atmosfera. Ao mesmo tempo, fortes tensões mecânicas actuam sobre a estrutura. O escudo de proteção térmica (sistema de proteção térmica, TPS) tem a tarefa de proteger a nave espacial e os seus componentes internos destas condições extremas – idealmente várias vezes. A exigência de reutilização é cada vez mais o foco dos actuais programas espaciais, tanto de agências governamentais como a NASA e a ESA como de patrocinadores privados.
Enquanto os sistemas anteriores se baseavam em materiais ablativos ou cerâmicos, está a surgir cada vez mais uma classe de materiais que combina as duas propriedades seguintes: elevada resistência mecânica e boa condutividade térmica – compósitos reforçados com matriz metálica, ou abreviadamente MMCs. Estes materiais são constituídos por uma matriz metálica (por exemplo B. alumínio, titânio ou níquel) com partículas ou fibras cerâmicas incorporadas (por exemploB. SiC ou Al₂O₃), que conferem ao material propriedades especificamente desejadas. O seu potencial reside, em particular, na integração estrutural de funções de proteção térmica, que podem reduzir significativamente o peso, a complexidade e os custos (Oluseyi et al., 2021).
No entanto, a decisão sobre se um tal material pode suportar as exigências extremas da reentrada não se baseia apenas em pressupostos teóricos de modelação ou em ensaios clássicos de materiais. O Conhecimento exato das propriedades termofísicas em condições realistas é crucial – em particular a difusividade térmica, a condutividade e a capacidade térmica numa vasta gama de temperaturas. É aqui que entra em ação um método que se estabeleceu na caraterização de materiais para aplicações a altas temperaturas: Análise de flash laser (LFA) .
O Laser Flash Analyser provou ser um método preciso e sem contacto para a medição da difusividade térmica e constitui a base para a determinação da condutividade térmica de materiais complexos, tais como MMCs. O método é particularmente útil para amostras anisotrópicas ou porosas – como as encontradas em configurações reais de TPS. Permite uma avaliação significativa da condutividade térmica na direção axial e radial e pode ser utilizado em grandes intervalos de temperatura, o que é essencial para a avaliação de materiais TPS.
Este artigo examina, portanto, como as MMCs para sistemas de proteção térmica podem ser avaliadas utilizando a análise de flash laser. São utilizados trabalhos de investigação actuais, incluindo o desenvolvimento pela NASA de conceitos de TPS metálicos reutilizáveis (NASA LaRC, 2004) e estudos recentes de ciência dos materiais sobre a caraterização de MMCs a altas temperaturas (Oluseyi et al., 2021). A tónica é colocada não só nas propriedades dos materiais em si, mas também nos requisitos metrológicos e na interpretação dos dados do LFA no contexto de cenários de aplicação reais.
O objetivo é fornecer uma visão bem fundamentada da avaliação termofísica de materiais compósitos metálicos para aplicações espaciais e demonstrar a contribuição dos métodos analíticos modernos para o desenvolvimento de escudos térmicos reutilizáveis.
Base da tecnologia de materiais: compósitos de matriz metálica como materiais TPS da próxima geração
A seleção de materiais adequados é um critério fundamental para os sistemas de proteção térmica (TPS) que têm de ser reutilizáveis e, ao mesmo tempo, permanecer fiáveis em condições extremas. Na indústria aeroespacial, a tensão entre o efeito de isolamento térmico, a integridade mecânica e a poupança de massa tem dominado durante décadas. A este respeito, os compósitos de matriz metálica (MMCs) oferecem uma alternativa atractiva aos materiais TPS tradicionais, como a cerâmica ou os compósitos de polímeros ablativos.
Os MMCs são constituídos por uma matriz metálica – frequentemente de alumínio, titânio ou níquel – na qual é introduzida uma fase de reforço de partículas cerâmicas (por exemplo (por exemplo, carboneto de silício, óxido de alumínio) ou fibras curtas. A combinação orientada de ambas as fases permite otimizar, a nível do sistema, propriedades como a condutividade térmica, a estabilidade à oxidação, a resistência a altas temperaturas e a resistência a choques térmicos (Oluseyi et al., 2021).
Um argumento fundamental a favor da utilização de MMCs em componentes de TPS é a possibilidade de integrar estruturalmente funções térmicas. Enquanto as camadas de TPS convencionais têm muitas vezes de ser aplicadas adicionalmente a uma estrutura de suporte de carga – por exemplo, como ladrilhos ou painéis – as MMCs podem servir como sistema de suporte de carga, condutor de calor e amortecedor térmico ao mesmo tempo. Isto não só reduz o peso total, como também aumenta a possibilidade de reutilização, reduzindo a tendência para a delaminação ou fissuração após ciclos térmicos repetidos.
Na prática, porém, as propriedades das MMCs dependem muito do respetivo sistema de materiais, da via de fabrico e da microestrutura. Os compósitos de alumínio-SiC, por exemplo, caracterizam-se por uma elevada condutividade térmica e baixa densidade, mas têm apenas uma estabilidade limitada à oxidação acima de 600 °C. Os MMCs à base de titânio, por outro lado, oferecem uma excelente estabilidade a altas temperaturas, até mais de 1000 °C. °C, mas apresenta maiores desafios em termos de processamento e de ligação fibra-matriz.
Uma compreensão aprofundada das propriedades termofísicas – em particular a difusividade térmica dependente da temperatura e a condutividade térmica – é, por conseguinte, essencial para qualificar estes materiais especificamente para aplicações TPS.
Outra caraterística dos MMCs modernos é a sua crescente capacidade de fabrico através do fabrico aditivo, em especial através de processos como a fusão em leito de pó a laser (LPBF) ou a deposição de energia dirigida (DED). Estes processos permitem uma afinação direcionada da microestrutura local e a integração de transições graduadas de materiais que podem compensar melhor as tensões termomecânicas. Em combinação com métodos como a análise de flash laser, estes sistemas de materiais podem não só ser desenvolvidos, mas também testados e avaliados com precisão.
A próxima secção apresenta a metodologia metrológica da análise de flash a laser (LFA) e explica como pode ser utilizada para determinar com precisão as caraterísticas termofísicas decisivas dos MMCs para a gama de altas temperaturas.
Tecnologia de medição: A análise flash a laser como chave para a caraterização térmica de MMCs
O desempenho térmico de um material em condições de alta temperatura depende em grande medida de três parâmetros: a condutividade térmica ( λ ) o difusividade térmica ( α ) e a capacidade térmica específica (cp) . Para compósitos reforçados com matriz metálica (MMCs) que são utilizados a temperaturas superiores a 1000 Para que os sistemas de proteção térmica (TPS) funcionem como tal, é essencial uma determinação precisa e específica do material destas propriedades. A análise de flash laser (LFA) estabeleceu-se como o método padrão para determinar a difusividade térmica e é particularmente adequada para aplicações de alta temperatura.
O LFA baseia-se num princípio de medição transitório e sem contacto Uma placa de amostra plana é bombardeada no seu lado posterior com um impulso laser curto e de alta energia. O aumento de temperatura resultante no lado oposto é medido com um sensor de infravermelhos. A difusividade térmica pode ser determinada a partir da resposta da temperatura ao longo do tempo. α diretamente. A condutividade térmica λ resulta da relação:
\(
\lambda = \alpha \cdot \rho \cdot c_p
\quad \text{mit} \quad
\begin{cases}
\lambda : \text{condutividade térmica (W/m-K)} \\
\alpha : \text{difusividade térmica (m$^2$/s)} \\
\rho : \text{densidade (kg/m$^3$)} \\
c_p : \text{Capacidade térmica específica (J/kg-K)}
\end{cases}
\)
Em que ρ é a densidade e cp é a capacidade térmica específica do material. Estes dois valores podem normalmente ser determinados separadamente ou utilizados a partir de valores da literatura ou de métodos de medição suplementares, como a DSC (Calorimetria Exploratória Diferencial).
Uma das principais vantagens do LFA é que o método também pode ser utilizado para materiais complexos, não homogéneos ou anisotrópicos. como é tipicamente o caso dos MMCs. A seleção específica da espessura da amostra, da energia do laser e do tempo de deteção permite a análise de materiais com condutividade térmica elevada e muito baixa. Isto é particularmente relevante para componentes TPS com uma estrutura em camadas ou microestrutura direcionada, onde a propagação do calor pode ser fortemente dependente da direção.
Além disso, as medições LFA podem ser efectuadas numa vasta gama de temperaturas – são possíveis temperaturas até 2800 °C, dependendo do material da amostra e da tecnologia do sensor. Isto permite uma análise contínua do comportamento da temperatura dos materiais TPS durante as diferentes fases de uma reentrada, desde o aquecimento por fricção até ao arrefecimento na fase final do voo.
Para além da medição individual clássica, o LFA também pode ser utilizado para curvas dependentes do tempo e da temperatura cargas cíclicas e ensaios de envelhecimento orientados. Isto é particularmente valioso no contexto da reutilização de componentes aeroespaciais: os danos térmicos, como a formação de microfissuras, a delaminação ou os ataques de oxidação, manifestam-se frequentemente em alterações mensuráveis na difusividade térmica – muito antes de os ensaios mecânicos detectarem as falhas.
Na aplicação prática dos desenvolvimentos TPS, o LFA é, por conseguinte, utilizado não só para a avaliação de materiais, mas também, cada vez mais, para validação de modelos numéricos (z.FEM ou CFD), para controlo do processo durante a produção (por exemplopor exemplo, após o fabrico aditivo) e para a libertação em série de componentes sujeitos a grandes tensões.
Estudo de caso: NASA-X-33 e o desenvolvimento de TPS metálico com MMCs
Como parte do desenvolvimento de sistemas espaciais reutilizáveis, no final da década de 1990, a NASA lançou o demonstrador de tecnologia X-33 novos padrões. O veículo de teste não tripulado fazia parte de um projeto maior Programa Veículo de Lançamento Reutilizável (RLV) e tinha como objetivo testar tecnologias que permitissem um acesso económico e totalmente reutilizável ao espaço. Um dos maiores desafios deste projeto foi o desenvolvimento de uma nave espacial robusta, leve e reutilizável. sistema de proteção térmica (TPS) – e aqui o foco estava em O sistema de proteção térmica (TPS) foi concebido com base em conceitos metálicos que diferiam significativamente dos sistemas ablativos anteriores (NASA LaRC, 2004).
O chamado Sistema de Proteção Térmica Metálica (METTPS) consistia em estruturas em sanduíche de várias camadas com camadas metálicas de cobertura resistentes à oxidação normalmente feitas de Inconel ou ligas de titânio, sobre um núcleo termicamente isolante (por exemploPor exemplo, uma estrutura alveolar feita de aço inoxidável ou Ti). Estes sistemas oferecem várias vantagens: podem ser integrados estruturalmente, têm uma elevada capacidade de carga mecânica, são resistentes ao impacto e – ao contrário de muitas soluções cerâmicas – podem ser reparados segmento a segmento se estiverem danificados.
No entanto, o desempenho destes sistemas depende em grande medida das das propriedades termofísicas dos materiais utilizados. de. O conhecimento exato do condutividade térmica e difusividade térmica é necessário para modelar corretamente as distribuições de temperatura dentro do TPS, prever o comportamento termomecânico e evitar pontos quentes locais.
O programa acabou por identificar diversas variantes baseadas em MMC com resistência térmica suficientemente elevada, baixa tendência para a delaminação e boa reutilização. Estes sistemas combinavam as vantagens dos metais de suporte da estrutura com uma condução térmica controlada, tornando-os ideais para uma utilização repetida em naves espaciais suborbitais ou orbitais. Conceitos posteriores – como o sistema TPS do Dream Chaser ou o revestimento de superfícies metálicas para escudos térmicos no projeto Starship – também se basearam nesta filosofia de materiais e ensaios.
Conclusão e perspectivas: O LFA como chave para o desenvolvimento de materiais espaciais reutilizáveis
O desenvolvimento de sistemas de proteção térmica (TPS) reutilizáveis é um desafio fundamental na tecnologia aeroespacial moderna. Neste caso, a atenção centra-se em materiais com elevada resistência termomecânica e integrabilidade estrutural – propriedades que os compósitos reforçados com matriz metálica (MMCs) cumprem em particular. A sua estrutura híbrida, constituída por uma matriz metálica e um reforço cerâmico, permite a harmonização direcionada da condutividade térmica, da força e da resistência à temperatura numa vasta gama. No entanto, a seleção de sistemas MMC adequados depende crucialmente da caraterização fiável das suas propriedades termofísicas – especialmente em condições realistas de alta temperatura.
A análise de flash laser (LFA) estabeleceu-se como um método indispensável neste contexto. Não só permite a medição precisa da difusividade térmica em grandes intervalos de temperatura, como também oferece a possibilidade de analisar materiais anisotrópicos ou de estrutura complexa. A capacidade do LFA para detetar o comportamento da condutividade térmica dependente da direção, especialmente em MMCs modernos, graduados ou fabricados aditivamente, é altamente relevante.
Um potencial particular surge da combinação de análise térmica precisa e simulação numérica Os valores das medições LFA podem ser transferidos diretamente para modelos de elementos finitos, a fim de prever campos de temperatura, tensões térmicas e comportamento estrutural em condições reais de funcionamento. Além disso, o método também é adequado para a monitorização da qualidade e a análise do envelhecimento de componentes TPS reutilizáveis – um aspeto que se está a tornar cada vez mais importante tendo em conta a crescente utilização cíclica de sistemas espaciais como o Starship, o Dream Chaser ou o Space Rider.
A evolução futura poderá alargar ainda mais o papel da ZD. Isto abre perspectivas para a Caracterização em linha Acoplamento de MMCs fabricadas aditivamente em processos industriais, por exemplo, através de sistemas LFA miniaturizados com geração de impulsos ópticos e deteção de IR no espaço de instalação. Acoplamento com Termogravimetria (TGA) , dilatómetro (DIL) e a calorimetria diferencial de varrimento (DSC) para a determinação simultânea dos valores de cp e densidade prometem uma maior precisão na derivação da condutividade térmica.
No contexto do desenvolvimento digital de materiais – por exemplo, através da utilização de gémeos digitais ou de modelos de materiais apoiados por IA – os dados LFA representam uma base essencial para a seleção e otimização baseadas em dados de futuros materiais TPS. Por conseguinte, o método não só contribui para a validação experimental de projectos existentes, como também permite o desenvolvimento orientado de novos conceitos de materiais no espaço virtual.
A combinação de materiais inovadores como as MMC, a caraterização precisa por LFA e a conceção inteligente de simulações promete assim um progresso sustentável no desenvolvimento de sistemas espaciais reutilizáveis – com benefícios diretos para o desempenho, os custos e a segurança de futuras missões.
Lista de fontes
Oluseyi P. Oladijo et al. (2021). Propriedades de alta temperatura de compósitos de matriz metálica. In: Encyclopedia of Materials: Composites. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819724-0.00096-3
Secção de Materiais de Proteção Térmica da NASA. (2023).
