Introduzione

Le sonde spaziali profonde sono i messaggeri più ambiziosi dell'umanità, viaggiano milioni o addirittura miliardi di chilometri per studiare pianeti, lune e stelle distanti. Eppure gli ambienti che incontrano sono tra i più punitivi del sistema solare.

La Fisica di Calore Estrema nello Spazio

Il calore viene da diverse fonti. Il più evidente è la radiazione solare diretta. A una distanza di 1 AU (la distanza Terra-Sun), il flusso solare è di circa 1,361 W/m2. Ma per una sonda come il Parker Solar Probe, che vola entro 6,2 milioni di chilometri della superficie del Sole, che il flusso si estende a oltre 650.000 W/m2.

Tipi di scudi di calore utilizzati nelle missioni spaziali

Scudo ablativo

Gli scudi termici ablativi sono il tipo più antico e più frequentemente usato per l'ingresso atmosferico. Essi sono costituiti da un materiale che carbonizza, si scioglie e vaporizza sotto il calore alto, portando via l'energia termica nel processo. Il materiale è progettato per essere un conduttore povero in modo che l'interno rimanga fresco.

Scudo isolante

Anche conosciuto come isolamento superficiale riutilizzabile (RSI), gli scudi isolanti sono utilizzati su veicolo spaziale che reentre più volte l'atmosfera, come gli orbitanti Space Shuttle. Questi scudi sono fatti da materiali come fibre di silice o di alumina ] che intrappolano l'aria in una matrice a bassa densità, creando un isolante molto efficace.

Sistemi di raffreddamento attivi

Alcune missioni richiedono scudi termici che rimuoveno attivamente il calore usando un refrigerante circolante. Il raffreddamento attivo viene utilizzato quando i metodi passivi non possono tenere il passo - per esempio, nelle camere di combustione dei motori a razzo o in veicolo spaziale nucleare. Per sonde di spazio profondo, il raffreddamento attivo può essere impiegato in strumenti che operano a temperature criogeniche.

Scudo radiativo

Gli scudi di calore radiali funzionano riflettendo quanto più possibile le radiazioni in entrata. Sono spesso utilizzati per la protezione solare-facciale dove non esiste atmosfera. Questi scudi sono solitamente metalli altamente lucidati o coperte isolanti multistrato (MLI). Il oro-coated[Fmiss: 1] Kapton o alluminio strati utilizzati su molti satelliti e il telescopio spaziale Hubble sono esempi.

Le pietre miliari storiche nello sviluppo dello scudo termico

I primi scudi di calore pratici sono stati sviluppati negli anni '50 per testate missilistiche intercontinentali. L'approccio di forza bruta di dissipatori di calore di rame pesante ha dato il via a materiali ablativi, che ha offerto prestazioni molto migliori per peso unitario.

Case study: Sistema di protezione termica di Parker Solar Probe

Il più estremo esempio di ingegneria dello scudo termico è il Sistema di protezione termica (TPS)] a bordo della NASA Parker Solar Probe (PSP). Lanciato nel 2018, PSP è progettato per volare nella corona solare — meno di 10 raggi solari dalla superficie del Sole.

Sfide di progettazione: peso, spessore e produzione

I progettisti devono scegliere materiali che sono entrambi efficaci isolatori termici e meccanicamente robusti. Per l'ingresso atmosferico, lo scudo deve sopravvivere ad alte pressioni dinamiche e forze aerodinamiche mentre ablating non uniformemente. I profili di variazione] sono spesso ottimizzati utilizzando fluidi di calcolo attacchi per prevedere i tassi di espansione a diversi punti.

Innovazioni nella scienza dei materiali

[FLT] I materiali di produzione di calore [FLT:] sono più facili da usare, ma i materiali di trasporto sono più bassi, e la capacità di resistere alle temperature superiori a 2.000 °C.

Testare gli scudi di calore sulla Terra

I sistemi di protezione solare [FLT] sono in grado di produrre un flusso di energia solare ad alta temperatura, con un flusso di aria o di azoto.

Direzioni future: Scudo di calore di prossima generazione

[LTT] I reattori di calore possono essere utilizzati per la loro esplorazione, ma possono essere utilizzati per la loro esplorazione, come i reattori di calore [FLT:] [FLT:]

Per ulteriori informazioni, vedere la panoramica della NASA dello scudo termico di Parker Solar Probe a NASA Parker Solar Probe TPS]. Ulteriori dettagli sui materiali ablativi possono essere trovati nel NASA Technical Reports Server su PICA]. L'Agenzia spaziale europea fornisce anche risorse di archivio sugli schermi di calore della sonda di ingresso a PICA[F

Conclusioni

Gli scudi di calore sono molto più che gli strati passivi di isolamento; sono sistemi attentamente progettati che bilanciano la massa, la conducibilità termica, la cinetica ablazione e l'integrità strutturale. Dai primi giorni di reinserimento di missili balistici alle schiume di carbonio all'avanguardia della Sonda Solare Parker, ogni generazione di scudi di calore ha ampliato la busta di condizioni sopravvissabili.