Escudo térmico

En ingeniería, un escudo térmico es un componente diseñado para proteger un objeto o un operador humano de quemaduras o sobrecalentamiento al disipar, reflejar y/o absorber calor. El término se usa con mayor frecuencia en referencia a la gestión del calor de escape y a los sistemas para disipar el calor por fricción. Los escudos térmicos se utilizan con mayor frecuencia en la industria automotriz y aeroespacial.

Principios de funcionamiento

Los escudos térmicos protegen las estructuras de temperaturas extremas y gradientes térmicos mediante dos mecanismos principales. El aislamiento térmico y el enfriamiento radiativo, respectivamente, aíslan la estructura subyacente de las altas temperaturas de la superficie externa, mientras emiten calor hacia el exterior a través de la radiación térmica. Para lograr una buena funcionalidad, los tres atributos requeridos de un escudo térmico son baja conductividad térmica (alta resistencia térmica), alta emisividad y buena estabilidad térmica (refractariedad). Las cerámicas porosas con recubrimientos de alta emisividad (HEC, por sus siglas en inglés) a menudo se emplean para abordar estas tres características, debido a la buena estabilidad térmica de las cerámicas, el aislamiento térmico de los materiales porosos y los buenos efectos de enfriamiento por radiación que ofrecen los HEC.

Usos

Automoción

Debido a las grandes cantidades de calor que emiten los motores de combustión interna, en la mayoría de los motores se utilizan escudos térmicos para proteger los componentes y la carrocería del daño por calor. Además de la protección, los escudos térmicos efectivos pueden brindar un beneficio de rendimiento al reducir las temperaturas debajo del capó y, por lo tanto, reducir la temperatura de admisión. Los escudos térmicos varían mucho en precio, pero la mayoría son fáciles de colocar, generalmente con clips de acero inoxidable o cinta para altas temperaturas. Hay dos tipos principales de escudo térmico automotriz:

• El escudo de calor rígido se ha hecho hasta hace poco de acero sólido, pero ahora está hecho a menudo de aluminio. Algunos escudos de calor rígidos de alta gama están hechos de chapa de aluminio u otros compuestos, con un revestimiento de barrera térmica cerámica para mejorar el aislamiento térmico.
• El escudo de calor flexible se fabrica normalmente en chapa de aluminio fina, se vende ya sea plana o en un rollo, y está doblado a mano, por el adaptador. Los escudos de calor flexibles de alto rendimiento a veces incluyen extras, como el aislamiento cerámico aplicado mediante rociado de plasma. Estos últimos productos son comunes en los puertos de alta gama como la Fórmula 1.
• Escudos de calor textiles utilizados para varios componentes como el escape, turbo, DPF u otros componentes de escape.

Como resultado, tanto el personal amateur como el profesional suelen instalar un escudo térmico durante una fase de ajuste del motor.

Los escudos térmicos también se utilizan para enfriar las rejillas de ventilación del montaje del motor. Cuando un vehículo va a mayor velocidad, hay suficiente aire ram para enfriar el compartimiento del motor debajo del capó, pero cuando el vehículo se mueve a velocidades más bajas o sube una pendiente, es necesario aislar el calor del motor para que se transfiera a otras partes alrededor. eso, por ej. Soportes del motor. Con la ayuda de un análisis térmico adecuado y el uso de escudos térmicos, las rejillas de ventilación del soporte del motor se pueden optimizar para obtener el mejor rendimiento.

Aviones

Algunos aviones a alta velocidad, como el Concorde y el SR-71 Blackbird, deben diseñarse considerando un sobrecalentamiento similar, pero menor, al que ocurre en las naves espaciales. En el caso del Concorde, el morro de aluminio puede alcanzar una temperatura máxima de funcionamiento de 127 °C (que es 180 °C más que el aire ambiente exterior que está bajo cero); las consecuencias metalúrgicas asociadas con la temperatura máxima fueron un factor importante para determinar la velocidad máxima de la aeronave.

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). El sistema de protección térmica basado en estos materiales permitiría alcanzar una velocidad de Mach número 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 punto de fusión superior a 3500 °C. Además son estructuralmente más resistentes que los RCC, por lo que no requieren refuerzos adicionales, y son muy eficientes a la hora de reirradiar el calor absorbido. 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.

La Comisión Europea financió un proyecto de investigación, C3HARME, dentro de la convocatoria NMP-19-2015 de Programas Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico en 2016 (todavía en curso) para el diseño, desarrollo, producción y prueba de una nueva clase de ultra -compuestos de matriz cerámica refractaria reforzados con fibras de carburo de silicio y fibras de carbono aptos para aplicaciones en entornos aeroespaciales severos.

Nave espacial

El escudo de calor ablativo de la cápsula Apolo 12 (después del uso) en la pantalla en el centro aéreo y espacial Virginia

Escudo térmico de calor aerodinámico empapado utilizado en el transbordador espacial.

Las naves espaciales que aterrizan en un planeta con atmósfera, como la Tierra, Marte y Venus, actualmente lo hacen ingresando a la atmósfera a altas velocidades, dependiendo de la resistencia del aire en lugar de la potencia del cohete para reducir la velocidad. Un efecto secundario de este método de reingreso a la atmósfera es el calentamiento aerodinámico, que puede ser muy destructivo para la estructura de una nave espacial desprotegida o defectuosa. Un escudo térmico aerodinámico consiste en una capa protectora de materiales especiales para disipar el calor. Se han utilizado dos tipos básicos de escudo térmico aerodinámico:

• Un escudo de calor ablativo consiste en una capa de resina plástica, cuya superficie exterior se calienta a un gas, que luego transporta el calor por convección. Estos escudos se utilizaron en la nave espacial Mercury, Gemini y Apollo, y actualmente son utilizados por la nave espacial SpaceX Dragon 2 y la nave espacial Orion.
• Un escudo térmico de calor soak utiliza un material aislante para absorber y irradiar el calor lejos de la estructura de la nave espacial. Este tipo fue utilizado en el transbordador espacial, que consta de baldosas cerámicas o compuestas sobre la mayor parte de la superficie del vehículo, con material reforzado de carbono-carbono en los puntos de carga de calor más altos (los bordes principales de la nariz y el ala). El daño a este material en un ala causó el desastre del transbordador espacial Columbia en 2003.

Con posibles escudos térmicos inflables, como los desarrollados por EE. UU. (desacelerador inflable de prueba de vuelo en órbita terrestre baja - LOFTID) y China, se considera que los cohetes de un solo uso, como el Space Launch System, se pueden adaptar con dichos escudos térmicos para salvar el costoso motores, posiblemente reduciendo significativamente los costos de los lanzamientos.

Refrigeración pasiva

Los protectores enfriados pasivos se utilizan para proteger las naves espaciales durante la entrada a la atmósfera para absorber los picos de calor y, posteriormente, irradiar calor a la atmósfera. Las primeras versiones incluían una cantidad sustancial de metales como titanio, berilio y cobre. Esto aumentó considerablemente la masa del vehículo. Los sistemas de absorción de calor y ablativos se volvieron preferibles.

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 del morro 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 convierten en un material especialmente indicado para la refrigeración pasiva, pero con el inconveniente de ser muy caro y frágil. Algunas naves espaciales también usan 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 la etapa de descenso del módulo de servicio Apolo y del módulo lunar.

Militar

Los escudos térmicos a menudo se colocan en escopetas y rifles semiautomáticos o automáticos como cubiertas de cañón para proteger las manos del usuario del calor causado por disparos en rápida sucesión. También se han colocado a menudo en escopetas de combate de acción de bombeo, lo que permite al soldado agarrar el cañón mientras usa una bayoneta.

Industria

Los escudos térmicos se utilizan en la industria metalúrgica para proteger el acero estructural del edificio u otros equipos de las altas temperaturas del metal líquido cercano.