İçindekiler
Giriş: Aşırı termal bir senaryo olarak yeniden giriş
Bir uzay aracının Dünya atmosferine geri dönüşü, bir görevin termal açıdan en zorlu aşamalarından biridir. Atmosferik yeniden giriş sırasında aracın dışında 1500°C’nin üzerinde sıcaklıklar meydana gelir. C, şok dalgaları, sürtünme ısısı ve yüksek atmosferdeki plazma etkilerinden kaynaklanır. Aynı zamanda, yapı üzerinde güçlü mekanik gerilimler de etkili olur. Termal koruma kalkanı (termal koruma sistemi, TPS) uzay aracını ve iç bileşenlerini bu aşırı koşullardan – ideal olarak birden fazla kez – koruma görevine sahiptir. Yeniden kullanılabilirlik gereksinimi, hem NASA ve ESA gibi devlet kurumları hem de özel sponsorlar tarafından mevcut uzay programlarının giderek daha fazla odak noktası haline gelmektedir.
Daha önceki sistemler ablatif veya seramik malzemelere dayanırken, aşağıdaki iki özelliği birleştiren bir malzeme sınıfı giderek daha fazla odak noktası haline gelmektedir: yüksek mekanik mukavemet ve iyi termal iletkenlik – metal matris takviyeli kompozitler veya kısaca MMC’ler. Bu malzemeler metalik bir matristen oluşur (örn. B. alüminyum, titanyum veya nikel) ile gömülü seramik parçacıklar veya lifler (örn.B. Malzemeye özellikle istenen özellikleri kazandıran SiC veya Al₂O₃). Potansiyelleri, özellikle ağırlığı, karmaşıklığı ve maliyetleri önemli ölçüde azaltabilen termal koruma işlevlerinin yapısal entegrasyonunda yatmaktadır (Oluseyi vd., 2021).
Ancak, böyle bir malzemenin yeniden girişin aşırı taleplerine dayanıp dayanamayacağına ilişkin karar yalnızca teorik modelleme varsayımlarına veya klasik malzeme testlerine dayanmamaktadır. Bu nedenle Termofiziksel özellikler hakkında kesin bilgi Gerçekçi koşullar altında, özellikle de geniş bir sıcaklık aralığında termal difüzivite, iletkenlik ve ısı kapasitesi çok önemlidir. İşte bu noktada, yüksek sıcaklık uygulamaları için malzeme karakterizasyonunda kendini kanıtlamış bir yöntem devreye giriyor: Lazer Flaş Analizi (LFA).
Lazer Flaş Analizörü, termal difüziviteyi ölçmek için hassas, temassız bir yöntem olarak kendini kanıtlamıştır ve termal iletkenlik MMC’ler gibi karmaşık malzemelerin. Yöntem, gerçek TPS konfigürasyonlarında bulunanlar gibi anizotropik veya gözenekli numuneler için özellikle yararlıdır. Eksenel ve radyal yönde termal iletkenliğin anlamlı bir şekilde değerlendirilmesini sağlar ve TPS malzemelerinin değerlendirilmesi için gerekli olan geniş sıcaklık aralıklarında kullanılabilir.
Bu nedenle bu makale, termal koruma sistemleri için MMC’lerin lazer flaş analizi kullanılarak nasıl değerlendirilebileceğini incelemektedir. NASA’nın yeniden kullanılabilir metalik TPS konseptlerini geliştirmesi (NASA LaRC, 2004) ve MMC’lerin yüksek sıcaklık karakterizasyonu üzerine yapılan son malzeme bilimi çalışmaları (Oluseyi vd., 2021) dahil olmak üzere mevcut araştırma çalışmaları kullanılmaktadır. Odak noktası sadece malzeme özelliklerinin kendisi değil, aynı zamanda metrolojik gereksinimler ve LFA verilerinin gerçek uygulama senaryoları bağlamında yorumlanmasıdır.
Amaç, uzay uygulamaları için metalik kompozit malzemelerin termofiziksel değerlendirmesine ilişkin sağlam temelli bir bakış açısı sağlamak ve modern analitik yöntemlerin yeniden kullanılabilir ısı kalkanlarının geliştirilmesine katkısını göstermektir.
Malzeme teknolojisi temeli: yeni nesil TPS malzemeleri olarak metal matrisli kompozitler
Uygun malzemelerin seçimi, yeniden kullanılabilir olması ve aynı zamanda aşırı koşullar altında güvenilir kalması gereken termal koruma sistemleri (TPS) için önemli bir kriterdir. Havacılık ve uzay endüstrisinde, termal yalıtım etkisi, mekanik bütünlük ve kütle tasarrufu arasındaki gerilim onlarca yıldır hakimdir. Bu bağlamda, metal matrisli kompozitler (MMC’ler) seramik veya ablatif polimer kompozitler gibi geleneksel TPS malzemelerine cazip bir alternatif sunmaktadır.
MMC’ler metalik bir matristen (genellikle alüminyum, titanyum veya nikel) oluşur ve bu matrisin içine seramik parçacıklardan oluşan bir takviye fazı (örn. örneğin silisyum karbür, alüminyum oksit) veya kısa lifler. Her iki fazın hedeflenen kombinasyonu, termal iletkenlik, oksidasyon kararlılığı, yüksek sıcaklıklarda mukavemet ve termal şoklara karşı direnç gibi özelliklerin sistem düzeyinde optimize edilmesini sağlar (Oluseyi vd., 2021).
MMC’lerin TPS bileşenlerinde kullanılması lehine önemli bir argüman, termal işlevleri yapısal olarak entegre etme olasılığıdır. Geleneksel TPS katmanlarının genellikle yük taşıyan bir yapıya – örneğin fayans veya panel olarak – ek olarak uygulanması gerekirken, MMC’ler aynı anda yük taşıyan, ısı ileten ve termal olarak sönümleyen bir sistem olarak hizmet edebilir. Bu sadece toplam ağırlığı azaltmakla kalmaz, aynı zamanda tekrarlanan termal döngüden sonra delaminasyon veya çatlama eğilimini azaltarak yeniden kullanılabilirliği de artırır.
Ancak pratikte MMC’lerin özellikleri büyük ölçüde ilgili malzeme sistemine, üretim yoluna ve mikro yapıya bağlıdır. Örneğin alüminyum-SiC kompozitler yüksek termal iletkenlik ve düşük yoğunluk ile karakterize edilir, ancak 600°C’nin üzerinde sadece sınırlı oksidasyon kararlılığına sahiptir. °C. Titanyum bazlı MMC’ler ise 1000 °C’nin üzerine kadar mükemmel yüksek sıcaklık kararlılığı sunar. C’ye kadar çıkabilir, ancak işleme ve elyaf-matris yapıştırma açısından daha büyük zorluklar ortaya çıkarır.
Bu nedenle, termofiziksel özelliklerin – özellikle sıcaklığa bağlı termal difüzivite ve termal iletkenlik – derinlemesine anlaşılması, bu malzemelerin özellikle TPS uygulamaları için kalifiye edilmesi için gereklidir.
Modern MMC’lerin bir başka özelliği de, özellikle lazer toz yatağı füzyonu (LPBF) veya yönlendirilmiş enerji biriktirme (DED) gibi süreçler yoluyla, eklemeli üretim yoluyla artan üretilebilirlikleridir. Bunlar, yerel mikro yapının hedeflenen şekilde ayarlanmasını ve termomekanik gerilimleri daha iyi telafi edebilen dereceli malzeme geçişlerinin entegrasyonunu sağlar. Lazer flaş analizi gibi yöntemlerle birlikte, bu malzeme sistemleri sadece geliştirilmekle kalmaz, aynı zamanda hassas bir şekilde test edilebilir ve değerlendirilebilir.
Bu nedenle bir sonraki bölümde lazer flaş analizinin (LFA) metrolojik metodolojisi tanıtılmakta ve yüksek sıcaklık aralığı için MMC’lerin belirleyici termofiziksel özelliklerini hassas bir şekilde belirlemek için nasıl kullanılabileceği açıklanmaktadır.
Ölçüm teknolojisi: MMC'lerin termal karakterizasyonunun anahtarı olarak lazer flaş analizi
Bir malzemenin yüksek sıcaklık koşulları altındaki termal performansı büyük ölçüde üç parametreye bağlıdır termal iletkenlik (λ)ve termal difüzivite (α) ve özgül ısı kapasitesi (cp). 1000’in üzerindeki sıcaklıklarda kullanılan metal matris takviyeli kompozitler (MMC’ler) için C’lerin termal koruma sistemleri (TPS) olarak işlev görmesi için bu özelliklerin hassas ve malzemeye özgü bir şekilde belirlenmesi şarttır. Lazer flaş analizi (LFA), termal difüziviteyi belirlemek için standart yöntem olarak kendini kanıtlamıştır ve özellikle yüksek sıcaklık uygulamaları için uygundur.
LFA’nın temelinde bir geçici, temassız ölçüm prensibiDüz bir numune plakası arka tarafından kısa, yüksek enerjili bir lazer darbesi ile bombardımana tutulur. Karşı tarafta ortaya çıkan sıcaklık artışı bir kızılötesi sensör ile ölçülür. Termal difüzivite, zaman içindeki sıcaklık tepkisinden belirlenebilir. α doğrudan. Termal iletkenlik λ ilişkiden kaynaklanmaktadır:
\(
\lambda = \alpha \cdot \rho \cdot c_p
\quad \text{mit} \quad
\begin{cases}
\lambda : \text{termal iletkenlik (W/m-K)} \\
\alpha : \metin{termal difüzivite (m$^2$/s)} \\
\rho : \text{yoğunluk (kg/m$^3$)} \\
c_p : \text{Özgül ısı kapasitesi (J/kg-K)}
\end{cases}
\)
Bu sayede ρ yoğunluk ve cp malzemenin özgül ısı kapasitesidir. Bu iki değer genellikle ayrı ayrı belirlenebilir veya literatür değerlerinden veya DSC (Diferansiyel Tarama Kalorimetrisi) gibi tamamlayıcı ölçüm yöntemlerinden kullanılabilir.
LFA’nın önemli bir avantajı, yöntemin aşağıdakiler için de kullanılabilmesidir karmaşık, homojen olmayan veya anizotropik malzemeler. MMC’lerde tipik olarak olduğu gibi. Örnek kalınlığı, lazer enerjisi ve algılama süresinin hedefe yönelik seçimi, hem yüksek hem de çok düşük termal iletkenliğe sahip malzemelerin analiz edilmesini sağlar. Bu, özellikle ısı yayılımının güçlü bir şekilde yöne bağlı olabileceği katmanlı bir yapıya veya yönlendirilmiş mikro yapıya sahip TPS bileşenleri için geçerlidir.
Buna ek olarak, LFA ölçümleri geniş bir sıcaklık aralığında gerçekleştirilebilir – numune malzemesine ve sensör teknolojisine bağlı olarak 2800 °C’ye kadar sıcaklıklar mümkündür. Bu da sürtünmeyle ısınmadan son uçuş aşamasındaki soğumaya kadar yeniden girişin farklı aşamalarında TPS malzemelerinin sıcaklık davranışının sürekli olarak analiz edilmesini sağlar.
Klasik bireysel ölçüme ek olarak, LFA aşağıdakiler için de kullanılabilir zaman ve sıcaklığa bağlı eğrilerdöngüsel yükler ve hedeflenen yaşlandırma testleri. Bu özellikle havacılık ve uzay bileşenlerinin yeniden kullanılabilirliği bağlamında değerlidir: mikro çatlama, delaminasyon veya oksidasyon atakları gibi termal hasarlar genellikle mekanik testler arızaları tespit etmeden çok önce termal difüzivitede ölçülebilir değişikliklerle kendini gösterir.
TPS gelişmelerinin pratik uygulamasında, LFA bu nedenle sadece malzeme değerlendirmesi için değil, aynı zamanda giderek artan bir şekilde aşağıdakiler için de kullanılmaktadır sayısal modellerin doğrulanması (z.FEM veya CFD), üretim sırasında süreç kontrolü için (örn.örneğin eklemeli üretimden sonra) ve yüksek gerilimli bileşenlerin seri olarak piyasaya sürülmesi için.
Vaka çalışması: NASA-X-33 ve MMC'lerle metalik TPS'nin geliştirilmesi
Yeniden kullanılabilir uzay sistemlerinin geliştirilmesinin bir parçası olarak, 1990’ların sonunda NASA X-33 teknoloji göstericisi yeni standartlar. İnsansız test aracı, daha büyük bir projenin parçasıydı. Yeniden Kullanılabilir Fırlatma Aracı (RLV) programı ve uzaya ekonomik, tamamen yeniden kullanılabilir erişimi mümkün kılacak teknolojileri test etmeyi amaçlıyordu. Bu projedeki en büyük zorluklardan biri sağlam, hafif ve yeniden kullanılabilir bir uzay aracının geliştirilmesiydi. termal koruma sistemi (TPS) – ve burada odak noktası metalik kavramlara odaklanıldıBu da daha önceki ablatif sistemlerden önemli ölçüde farklıydı (NASA LaRC, 2004).
Sözde Metalik Termal Koruma Sistemi (METTPS) ile çok katmanlı sandviç yapılardan oluşuyordu. oksidasyona dayanıklı metalik kaplama katmanlarıtipik olarak Inconel veya titanyum alaşımlarından yapılmış, termal olarak yalıtkan bir çekirdek (örn.örneğin paslanmaz çelikten veya Ti’den yapılmış bir bal peteği yapısı). Bu tür sistemler çeşitli avantajlar sunar: yapısal olarak entegre edilebilirler, yüksek mekanik yük taşıma kapasitesine sahiptirler, darbeye dayanıklıdırlar ve – birçok seramik çözümün aksine – hasar gördüklerinde parça parça onarılabilirler.
Bununla birlikte, bu sistemlerin performansı büyük ölçüde kullanılan malzemelerin termofiziksel özelliklerine bağlıdır. itibaren. Kesin bilgi termal iletkenlik ve termal difüzivite TPS içindeki sıcaklık dağılımlarını doğru bir şekilde modellemek, termomekanik davranışı tahmin etmek ve yerel sıcak noktalardan kaçınmak için gereklidir.
Program sonunda, yeterince yüksek termal dirence, düşük delaminasyon eğilimine ve iyi yeniden kullanılabilirliğe sahip birkaç MMC tabanlı varyant belirlendi. Bu sistemler yapıyı destekleyen metallerin avantajlarını kontrollü termal iletim ile birleştirerek yörünge altı veya yörünge uzay araçlarında tekrar tekrar kullanım için ideal hale getirmiştir. Dream Chaser’ın TPS sistemi veya Starship projesindeki ısı kalkanları için metalik yüzey kaplamaları gibi daha sonraki konseptler de bu malzeme ve test felsefesinden yararlanmıştır.
Sonuç ve genel bakış: Yeniden kullanılabilir uzay malzemelerinin geliştirilmesinde anahtar olarak LFA
Yeniden kullanılabilir termal koruma sistemlerinin (TPS) geliştirilmesi, modern havacılık ve uzay teknolojisinde önemli bir zorluktur. Burada odak noktası, hem yüksek termomekanik mukavemete hem de yapısal bütünleşebilirliğe sahip malzemelerdir – metal matris takviyeli kompozitlerin (MMC’ler) özellikle yerine getirdiği özellikler. Metalik matris ve seramik takviyeden oluşan hibrit yapıları, termal iletkenlik, mukavemet ve sıcaklık direncinin geniş bir aralıkta hedeflenen uyumuna izin verir. Bununla birlikte, uygun MMC sistemlerinin seçimi, özellikle gerçekçi yüksek sıcaklık koşulları altında termofiziksel özelliklerinin güvenilir bir şekilde karakterize edilmesine bağlıdır.
Lazer flaş analizi (LFA) bu bağlamda vazgeçilmez bir yöntem olarak kendini kanıtlamıştır. Sadece geniş sıcaklık aralıklarında termal difüzivitenin hassas ölçümüne izin vermekle kalmaz, aynı zamanda anizotropik veya karmaşık yapılı malzemeleri analiz etme imkanı da sunar. LFA‘nın özellikle modern, dereceli veya katkılı olarak üretilen MMC’lerde yöne bağlı termal iletkenlik davranışını tespit etme yeteneği son derece önemlidir.
Belirli bir potansiyel, aşağıdakilerin kombinasyonundan kaynaklanmaktadır hassas termal analiz ve sayısal simülasyonLFA ölçüm değerleri, gerçek çalışma koşulları altında sıcaklık alanlarını, termal gerilmeleri ve yapısal davranışı tahmin etmek için doğrudan sonlu eleman modellerine aktarılabilir. Ayrıca bu yöntem, Starship, Dream Chaser veya Space Rider gibi uzay sistemlerinin artan döngüsel kullanımı göz önüne alındığında giderek önem kazanan bir husus olan yeniden kullanılabilir TPS bileşenlerinin kalite izleme ve yaşlanma analizi için de uygundur.
Gelecekteki gelişmeler LFA’nın rolünü daha da genişletebilir. Bu, aşağıdakiler için umutlar yaratmaktadır Satır içi karakterizasyon Endüstriyel süreçlerde katkılı olarak üretilen MMC’ler, örneğin kurulum alanında optik darbe üretimi ve IR algılamalı minyatürleştirilmiş LFA sistemleri aracılığıyla. İle bağlantı Termogravimetri (TGA), dilatometre (DIL) cp ve yoğunluk değerlerinin eş zamanlı olarak belirlenmesi içindiferansiyel taramalı kalorimetre (DSC ), termal iletkenliğin türetilmesinde daha fazla doğruluk vaat etmektedir.
Dijital malzeme geliştirme bağlamında – örneğin dijital ikizlerin veya yapay zeka destekli malzeme modellerinin kullanımı yoluyla – LFA verileri, gelecekteki TPS malzemelerinin veri tabanlı seçimi ve optimizasyonu için temel bir temeli temsil eder. Bu nedenle yöntem yalnızca mevcut tasarımların deneysel olarak doğrulanmasına katkıda bulunmakla kalmaz, aynı zamanda sanal alanda yeni malzeme konseptlerinin hedefli bir şekilde geliştirilmesini de sağlar.
MMC’ler gibi yenilikçi malzemeler, LFA ile hassas karakterizasyon ve akıllı simülasyon tasarımının birleşimi, yeniden kullanılabilir uzay sistemlerinin geliştirilmesinde sürdürülebilir ilerleme vaat ediyor – gelecekteki görevlerin performansı, maliyetleri ve güvenliği için doğrudan faydalar sağlıyor.
Kaynakların listesi
Oluseyi P. Oladijo ve diğerleri. (2021). Metal Matrisli Kompozitlerin Yüksek Sıcaklık Özellikleri. İçinde: Malzeme Ansiklopedisi: Kompozitler. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819724-0.00096-3
NASA Termal Koruma Malzemeleri Şubesi. (2023).
