escudo térmico

Debido a la gran cantidad de calor que emiten los motores de combustión interna, ^{[ 5 ]} se utilizan protectores térmicos en la mayoría de los motores para proteger los componentes y la carrocería de los daños causados ​​por el calor. Además de la protección, los protectores térmicos eficaces pueden mejorar el rendimiento al reducir las temperaturas del compartimento del motor, disminuyendo así la temperatura del aire que entra en él. ^{[ 6 ]} Los protectores térmicos varían mucho en precio, pero la mayoría son fáciles de instalar, generalmente mediante clips de acero inoxidable, cinta de alta temperatura o bridas metálicas especialmente diseñadas. Existen tres tipos principales de protectores térmicos para automóviles:

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  Hasta hace poco, los escudos térmicos rígidos se fabricaban comúnmente de acero macizo, ^{[ 7 ]} pero ahora se fabrican a menudo de aluminio. Algunos escudos térmicos rígidos de alta gama están hechos de aluminio, oro o materiales compuestos, y la mayoría incluye un recubrimiento cerámico para proporcionar una barrera térmica que mejora el aislamiento térmico.
• Los escudos térmicos flexibles suelen estar hechos de láminas delgadas de aluminio u oro, y se venden generalmente planos o en rollo. Estos escudos térmicos a menudo son doblados a mano por el instalador. Los escudos térmicos flexibles de alto rendimiento a veces incluyen extras, como aislamiento cerámico aplicado mediante proyección de plasma . Otra táctica común en los escudos térmicos flexibles es el uso de materiales compuestos exóticos para mejorar el aislamiento térmico y reducir el peso. Estos productos de última generación son habituales en competiciones de automovilismo de alto nivel, como la Fórmula 1 .

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  Los protectores térmicos textiles (también conocidos como envolturas térmicas) se utilizan para aislar diversos componentes del sistema de escape, atrapando el calor emitido por este dentro del tubo de escape, en lugar de permitir que el intenso calor de estos componentes se irradie al compartimento del motor. Estas envolturas son más comunes en los tubos de escape de las motocicletas.

Los protectores térmicos suelen ser instalados tanto por aficionados como por profesionales durante la fase de optimización de la puesta a punto del motor . También se utilizan para enfriar las rejillas de ventilación de los soportes del motor. Cuando un vehículo circula a alta velocidad, el flujo de aire dinámico es suficiente para enfriar el compartimento del motor bajo el capó, pero cuando circula a baja velocidad o sube una pendiente, es necesario aislar el calor del motor para que se transfiera a otras partes circundantes, como los soportes del motor. Mediante un análisis térmico adecuado y el uso de protectores térmicos, las rejillas de ventilación de los soportes del motor pueden optimizarse para obtener el mejor rendimiento. ^{[ 8 ]}

Algunas aeronaves de alta velocidad, como el Concorde y el SR-71 Blackbird , deben diseñarse considerando un sobrecalentamiento similar, aunque menor, al que se produce en las naves espaciales. En el caso del Concorde, el morro de aluminio puede alcanzar una temperatura máxima de funcionamiento de 127  °C (180  °C superior a la temperatura ambiente exterior, que está por debajo de cero); las consecuencias metalúrgicas asociadas a esta temperatura máxima fueron un factor determinante para establecer la velocidad máxima de la aeronave. ^{[ 9 ]}

Recientemente se han desarrollado nuevos materiales que podrían ser superiores al RCC. El prototipo SHARP (Slender Hypervelocity Aerothermodynamic Research Probe) se basa en cerámicas de ultra alta temperatura como el diboruro de circonio (ZrB₂ ₎ y el diboruro de hafnio (HfB₂ ₎ . ^{[ 10 ]} El sistema de protección térmica basado en estos materiales permitiría alcanzar una velocidad de Mach 7 a nivel del mar, Mach 11 a 35000 metros y mejoras significativas para vehículos diseñados para velocidad hipersónica . Los materiales utilizados tienen características de protección térmica en un rango de temperatura de 0  °C a +2000  °C, con un punto de fusión superior a 3500  °C. También son estructuralmente más resistentes que el RCC, por lo que no requieren refuerzos adicionales, y son muy eficientes en la reirradiación del calor absorbido. ^{[ 11 ]} La NASA financió (y posteriormente suspendió) un programa de investigación y desarrollo en 2001 para probar este sistema de protección a través de la Universidad de Montana. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

La Comisión Europea financió un proyecto de investigación, C3HARME, en el marco de la convocatoria NMP-19-2015 de los Programas Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico en 2016 (aún en curso) para el diseño, desarrollo, producción y ensayo de una nueva clase de compuestos de matriz cerámica ultrarrefractarios reforzados con fibras de carburo de silicio y fibras de carbono adecuados para aplicaciones en entornos aeroespaciales severos. ^{[ 14 ]}

Las naves espaciales que aterrizan en un planeta con atmósfera , como la Tierra , Marte y Venus , actualmente lo hacen entrando en la atmósfera a altas velocidades, dependiendo de la resistencia del aire en lugar de la potencia de los cohetes para frenarlas. Un efecto secundario de este método de reentrada atmosférica es el calentamiento aerodinámico , que puede ser altamente destructivo para la estructura de una nave espacial desprotegida o defectuosa. ^{[ 15 ]} Un escudo térmico aerodinámico consiste en una capa protectora de materiales especiales para disipar el calor. Se han utilizado dos tipos básicos de escudos térmicos aerodinámicos:

• Un escudo térmico ablativo consiste en una capa de resina plástica, cuya superficie exterior se calienta hasta convertirse en gas, el cual disipa el calor por convección . Estos escudos se utilizaron en las naves espaciales Vostok , Voskhod , Mercury , Gemini y Apollo , y actualmente se utilizan en las naves espaciales SpaceX Dragon 2 , Orion y Soyuz .
  • La Vostok 1 soviética , la primera nave espacial tripulada, utilizó un escudo térmico ablativo hecho de tela de asbesto en resina. ^{[ 16 ]} Las misiones subsiguientes Mercury y Gemini utilizaron fibra de vidrio en la resina, mientras que la nave espacial Apollo utilizó una resina reforzada con fibra de cuarzo. ^{[ 17 ]} El primer uso de un ablador superligero (SLA) para fines espaciales fue para los módulos de aterrizaje Viking en 1976. ^{[ 17 ]} El SLA también se utilizaría para la misión Pathfinder . ^{[ 17 ]} Los abladores de carbono impregnados de fenol (PICA) se utilizaron para la misión Stardust lanzada en 1999. ^{[ 17 ]}
• Un escudo térmico de absorción térmica utiliza un material aislante para absorber y irradiar el calor lejos de la estructura de la nave espacial. Este tipo se utilizó en el transbordador espacial , con la intención de que el escudo se reutilizara con una mínima renovación entre lanzamientos. ^{[ 18 ]} El escudo térmico del transbordador espacial consistía en baldosas de cerámica o compuestas sobre la mayor parte de la superficie del vehículo, con material de carbono-carbono reforzado en los puntos de mayor carga térmica (la nariz y los bordes de ataque de las alas). ^{[ 19 ]} Esto protegía al orbitador cuando alcanzaba una temperatura de 1648 grados Celsius durante la reentrada. ^{[ 20 ]} El avión espacial soviético, conocido como Buran , también utilizaba baldosas TPS similares a las de los transbordadores estadounidenses. El Buran también utilizaba baldosas de cerámica en la parte inferior del orbitador y carbono-carbono en el cono de la nariz. ^{[ 21 ]}
  • Surgieron muchos problemas con las losetas utilizadas en el transbordador espacial, mientras que los daños menores en el escudo térmico eran bastante comunes. Los daños graves en el escudo térmico casi provocaron la destrucción del transbordador espacial Atlantis en 1988 y causaron la pérdida del Columbia en 2003. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

Con posibles escudos térmicos inflables , como los desarrollados por EE. UU. (Low Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator - LOFTID) ^{[ 25 ]} y China, ^{[ 26 ]} se considera la posibilidad de adaptar cohetes de un solo uso como el Space Launch System con dichos escudos térmicos para salvar los costosos motores, lo que podría reducir significativamente los costos de los lanzamientos. ^{[ 27 ]} El 10 de noviembre de 2022, el LOFTID fue lanzado con un cohete Atlas V y, posteriormente, se separó para reingresar a la atmósfera. ^{[ 28 ]} La capa exterior del escudo térmico consistía en una cerámica de carburo de silicio. ^{[ 29 ]} El LOFTID recuperado presentaba daños mínimos. ^{[ 28 ]}

Los protectores pasivos refrigerados se utilizan para proteger las naves espaciales durante la reentrada atmosférica , absorbiendo los picos de calor y disipándolos posteriormente a la atmósfera. Las primeras versiones incluían una cantidad considerable de metales como titanio , berilio y cobre , lo que incrementaba enormemente la masa del vehículo. Por ello, se prefirieron los sistemas de absorción y ablación de calor.

En los vehículos modernos, la refrigeración pasiva se puede encontrar como material de carbono-carbono reforzado en lugar de metal. Este material constituye el sistema de protección térmica de la nariz y los bordes delanteros del transbordador espacial y fue propuesto para el vehículo X-33 . El carbono es el material más refractario conocido con una temperatura de sublimación (para el grafito ) de 3825  °C. Estas características lo hacen un material particularmente adecuado para la refrigeración pasiva , pero con la desventaja de ser muy caro y frágil. Algunas naves espaciales también utilizan un escudo térmico (en el sentido automotriz convencional) para proteger los tanques de combustible y el equipo del calor producido por un gran motor de cohete . Dichos escudos se utilizaron en el Módulo de Servicio Apolo y la etapa de descenso del Módulo Lunar . La sonda solar Parker , diseñada para entrar en la corona del Sol, experimenta una temperatura superficial de 2500 °F. ^{[ 30 ]} Para soportar esta temperatura sin dañar su cuerpo o instrumentos, la nave espacial utiliza un escudo térmico que utiliza una cerámica de carbono-carbono con una capa de espuma de carbono en el medio. ^{[ 31 ]} La sonda fue lanzada al espacio el 18 de agosto de 2018. ^{[ 32 ]}

Los protectores térmicos se suelen acoplar a rifles y escopetas semiautomáticas o automáticas , a modo de cubiertas para el cañón, con el fin de proteger las manos del usuario del calor generado al disparar en rápida sucesión. También se han utilizado con frecuencia en escopetas de corredera, permitiendo al soldado sujetar el cañón mientras usa la bayoneta.

Los escudos térmicos se utilizan en la industria metalúrgica para proteger el acero estructural del edificio u otros equipos de la alta temperatura del metal líquido cercano. ^{[ 33 ]}