Scudo termico -Heat shield
In ingegneria, uno scudo termico è un componente progettato per proteggere un oggetto o un operatore umano dall'ustione o dal surriscaldamento dissipando, riflettendo o assorbendo il calore. Il termine è più spesso usato in riferimento alla gestione del calore di scarico e ai sistemi per dissipare il calore per attrito.
Principi di funzionamento
Gli scudi termici proteggono le strutture da temperature estreme e gradienti termici mediante due meccanismi primari. Isolamento termico e raffrescamento radiativo , isolano rispettivamente la struttura sottostante dalle elevate temperature superficiali esterne, mentre emettono calore verso l'esterno per irraggiamento termico . Per ottenere una buona funzionalità, i tre attributi richiesti a uno scudo termico sono bassa conducibilità termica (elevata resistenza termica ), elevata emissività e buona stabilità termica (refrattarietà). Le ceramiche porose con rivestimenti ad alta emissività (HEC) sono spesso impiegate per soddisfare queste tre caratteristiche, grazie alla buona stabilità termica della ceramica, all'isolamento termico dei materiali porosi e ai buoni effetti di raffreddamento radiativo offerti dagli HEC.
Usi
Settore automobilistico
A causa delle grandi quantità di calore emesse dai motori a combustione interna, sulla maggior parte dei motori vengono utilizzati scudi termici per proteggere i componenti e la carrozzeria dai danni causati dal calore. Oltre alla protezione, efficaci scudi termici possono dare un vantaggio in termini di prestazioni riducendo le temperature sotto il cofano, riducendo quindi la temperatura di aspirazione. Gli scudi termici variano notevolmente nel prezzo, ma la maggior parte sono facili da montare, solitamente mediante clip in acciaio inossidabile o nastro per alte temperature. Esistono due tipi principali di scudi termici per autoveicoli:
- Lo scudo termico rigido è stato, fino a poco tempo fa, realizzato in solido acciaio, ma ora è spesso realizzato in alluminio. Alcuni scudi termici rigidi di fascia alta sono realizzati in lamiera di alluminio o altri compositi, con un rivestimento di barriera termica in ceramica per migliorare l'isolamento termico.
- Lo scudo termico flessibile è normalmente costituito da sottili lamine di alluminio, vendute stese o in rotolo, e viene piegato a mano dall'installatore. Gli scudi termici flessibili ad alte prestazioni a volte includono extra, come l'isolamento in ceramica applicato tramite spruzzatura al plasma . Questi ultimi prodotti sono all'ordine del giorno negli sport motoristici di fascia alta come la Formula 1 .
- Scudi termici in tessuto utilizzati per vari componenti come scarico, turbo, DPF o altri componenti di scarico.
Di conseguenza, uno scudo termico viene spesso montato da personale sia amatoriale che professionale durante una fase di messa a punto del motore .
Gli scudi termici vengono utilizzati anche per raffreddare le prese d'aria del supporto del motore. Quando un veicolo è a velocità più elevata, c'è abbastanza aria di ariete per raffreddare il vano motore sotto il cofano, ma quando il veicolo si muove a velocità inferiori o sale una pendenza, è necessario isolare il calore del motore per trasferirlo ad altre parti intorno it, ad esempio i supporti del motore. Con l'aiuto di un'adeguata analisi termica e l'uso di scudi termici, le prese d'aria del supporto motore possono essere ottimizzate per le migliori prestazioni.
Aerei
Alcuni velivoli ad alta velocità, come il Concorde e l' SR-71 Blackbird , devono essere progettati considerando un surriscaldamento simile, ma inferiore, a quello che avviene nei veicoli spaziali. Nel caso del Concorde il musetto in alluminio può raggiungere una temperatura massima di esercizio di 127 °C (che è di 180 °C superiore a quella dell'aria ambiente esterna che è sotto lo zero); le conseguenze metallurgiche associate alla temperatura di picco sono state un fattore significativo nel determinare la velocità massima dell'aeromobile.
Recentemente sono stati sviluppati nuovi materiali che potrebbero essere superiori all'RCC . Il prototipo SHARP ( S lender H ypervelocity A erothermodynamic Research P robe) si basa su ceramiche ad altissima temperatura come il diboruro di zirconio (ZrB 2 ) e il diboruro di afnio (HfB 2 ). Il sistema di protezione termica basato su questi materiali permetterebbe di raggiungere una velocità di Mach numero 7 a livello del mare, Mach 11 a 35000 metri e notevoli miglioramenti per i veicoli progettati per la velocità ipersonica . I materiali utilizzati hanno caratteristiche di protezione termica in un range di temperatura da 0 °C a + 2000 °C, con punto di fusione oltre 3500 °C. Inoltre sono strutturalmente più resistenti degli RCC, quindi non necessitano di rinforzi aggiuntivi, e sono molto efficienti nel reirradiare il calore assorbito. La NASA ha finanziato (e successivamente interrotto) un programma di ricerca e sviluppo nel 2001 per testare questo sistema di protezione attraverso l'Università del Montana.
La Commissione Europea ha finanziato un progetto di ricerca, C3HARME, nell'ambito del bando NMP-19-2015 dei Programmi Quadro di Ricerca e Sviluppo Tecnologico nel 2016 (ancora in corso) per la progettazione, lo sviluppo, la produzione e la sperimentazione di una nuova classe di ceramiche ultrarefrattarie compositi a matrice rinforzati con fibre di carburo di silicio e fibre di carbonio adatti per applicazioni in ambienti aerospaziali severi.
Navicella spaziale
I veicoli spaziali che atterrano su un pianeta con un'atmosfera , come la Terra , Marte e Venere , attualmente lo fanno entrando nell'atmosfera ad alta velocità, a seconda della resistenza dell'aria piuttosto che della potenza dei razzi per rallentarli. Un effetto collaterale di questo metodo di rientro atmosferico è il riscaldamento aerodinamico , che può essere altamente distruttivo per la struttura di un veicolo spaziale non protetto o difettoso. Uno scudo termico aerodinamico è costituito da uno strato protettivo di materiali speciali per dissipare il calore. Sono stati utilizzati due tipi fondamentali di scudo termico aerodinamico:
- Uno scudo termico ablativo è costituito da uno strato di resina plastica, la cui superficie esterna viene riscaldata a gas, che poi porta via il calore per convezione . Tali scudi sono stati utilizzati sulle navicelle Mercury , Gemini e Apollo e sono attualmente utilizzati dalla navicella SpaceX Dragon 2 e dalla navicella Orion .
- Uno scudo termico a immersione termica utilizza un materiale isolante per assorbire e irradiare il calore lontano dalla struttura del veicolo spaziale. Questo tipo è stato utilizzato sullo Space Shuttle , costituito da piastrelle ceramiche o composite su gran parte della superficie del veicolo, con materiale carbonio-carbonio rinforzato sui punti di carico termico più elevati (il muso e i bordi d'attacco dell'ala). Il danno a questo materiale su un'ala ha causato il disastro dello Space Shuttle Columbia del 2003 .
Con possibili scudi termici gonfiabili , sviluppati dagli Stati Uniti (Low Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator - LOFTID) e dalla Cina, i razzi monouso come lo Space Launch System sono considerati adattati con tali scudi termici per salvare i costosi motori, possibilmente riducendo significativamente i costi dei lanci.
Raffreddamento passivo
I protettori a raffreddamento passivo vengono utilizzati per proteggere le astronavi durante l'ingresso nell'atmosfera per assorbire i picchi di calore e successivamente irradiare il calore passivo nell'atmosfera. Le prime versioni includevano una notevole quantità di metalli come il titanio , il berillio e il rame . Ciò ha notevolmente aumentato la massa del veicolo. L'assorbimento di calore e i sistemi ablativi divennero preferibili.
Nei veicoli moderni, il raffreddamento passivo può essere trovato come materiale rinforzato in carbonio-carbonio invece che in metallo. Questo materiale costituisce il sistema di protezione termica del muso e dei bordi anteriori dello Space Shuttle ed è stato proposto per il veicolo X-33 . Il carbonio è il materiale più refrattario conosciuto con una temperatura di sublimazione (per la grafite ) di 3825 °C. Queste caratteristiche lo rendono un materiale particolarmente adatto al raffreddamento passivo , ma con lo svantaggio di essere molto costoso e fragile. Alcuni veicoli spaziali utilizzano anche uno scudo termico (nel senso automobilistico convenzionale) per proteggere i serbatoi di carburante e le apparecchiature dal calore prodotto da un grande motore a razzo . Tali scudi sono stati utilizzati nella fase di discesa del modulo di servizio Apollo e del modulo lunare .
Militare
Gli scudi termici sono spesso apposti su fucili e fucili semiautomatici o automatici come protezioni per la canna per proteggere le mani dell'utente dal calore causato dai colpi sparati in rapida successione. Inoltre sono stati spesso apposti su fucili da combattimento a pompa, consentendo al soldato di afferrare la canna mentre usa una baionetta.
Industria
Gli scudi termici sono utilizzati nell'industria metallurgica per proteggere la struttura in acciaio dell'edificio o altre apparecchiature dall'alta temperatura del vicino metallo liquido