I sistemi di adattamento dei materiali di schermatura e di adattamento dei materiali di schermatura, che si adattano alle loro caratteristiche, possono essere utilizzati in modo più efficiente, e non possono essere utilizzati in modo da soddisfare le loro proprietà, come l'ambiente termico cambia nel corso di un'architettura di adattamento di tipo tradizionale.

Cosa sono i materiali intelligenti?

I materiali intelligenti sono definiti dalla loro capacità di alterare reversibilmente una o più delle loro proprietà in modo controllato quando esposti ad uno stimolo esterno – sia esso campi di temperatura, pressione, elettrico o magnetico, pH o luce. A differenza dei materiali convenzionali che si comportano passivamente, i materiali intelligenti funzionano come trasduttori distribuiti, convertendo un input ambientale in un'uscita meccanica, ottica, termica o elettrica.

Nel contesto della protezione termica, gli stimoli più rilevanti sono la temperatura e lo stress meccanico. Le risposte di interesse includono cambiamenti di fase (solido a trasformazione della struttura liquida o cristallina), il recupero della forma (come nelle leghe di memoria di forma), la generazione di carica elettrica (piezoelettrica), o l'alterazione delle proprietà di superficie radiativa (termocromo) che spesso sono classificate come monolitiche (me monofase o ceramiche con comportamento intelligente intritico) o con e compositi.

Tipi di materiali intelligenti per applicazioni per lo scudo di calore

Una vasta gamma di materiali intelligenti è ora in fase di indagine per la protezione termica adattativa.

Forma Leghe di Memoria (SMA) e Polimeri di Memoria di Forma (SMP)

Leghe di memoria di forma di LLT, come il nichel-titanium (Nitinol) e leghe a base di rame, subiscono una trasformazione di fase reversibile senza diffusione tra un austenite ad alta temperatura e una martensite a bassa temperatura.

I polimeri di memoria a forma (SMP) offrono un vantaggio complementare: possono essere programmati per recuperare una forma ad una temperatura di attivazione molto più bassa rispetto agli SMA, che è utile per le missioni in cui l'energia termica disponibile per l'azione è limitata. Tuttavia, i SMP hanno tipicamente una minore pressione di recupero e rigidità, limitando il loro utilizzo a temperature leggere e secondarie.

Materiali piezoelettrici

I materiali piezoelettrici generano una carica elettrica quando si estendono meccanicamente (effetto diretto) e si deformano quando vengono sottoposti a un campo elettrico (effetto converso).

Materiali di cambiamento di fase (PCM)

I materiali di cambiamento di fase sfruttano il calore latente di fusione (o sublimazione) per assorbire grandi quantità di energia termica a temperatura quasi costante. Quando integrato in uno scudo termico, uno strato strutturale PCM può agire come condensatore termico, assorbendo il flusso di calore di picco e rilasciando quell'energia più tardi quando il riscaldamento esterno subside.

Materiali termocromatici

I materiali termocromatici cambiano colore e, soprattutto, le proprietà radiative termiche, in risposta alla temperatura. Nel contesto dei rivestimenti termici, un rivestimento termocromatico potrebbe passare da uno stato ad alta emissività (radiante calore lontano efficientemente) ad alte temperature ad uno stato di emissività bassa (riduzione del trasferimento di calore radiante) a temperature inferiori, regolando passivamente l'equilibrio termico del veicolo.

Materiali di auto-riscaldamento

I materiali auto-riparanti possono riparare le crepe o i delammi in modo autonomo, ripristinando alcune frazioni di proprietà meccaniche e termiche originali. Esistono due approcci principali: sistemi basati su microcapsule (agenti curativi integrati che vengono rilasciati quando si propagano le fessure) e sistemi intrinseci (costi chimici reversibili che si riformino a temperature elevate, come in alcuni polimeri di Diels-Alder).

Principi di progettazione dello scudo termico adattivo

L'integrazione di materiali intelligenti in un sistema coerente richiede la ripensamento dell'architettura di uno scudo termico convenzionale. Invece di uno strato monolitico, mono-purpose, un design adattativo impiega uno stack multilayer[ dove ogni lamina può avere diverse funzioni intelligenti.

  • Uno strato esterno con rivestimento termocromatico per il controllo della proprietà radiativa, combinato con sensori piezoelettrici incorporati per monitorare la tensione superficiale e la temperatura.
  • Una regione centrale che contiene fili in lega di memoria forma o fogli che possono regolare la distanza di stallo di pannelli dispiegabili o la curvatura della superficie dello scudo di calore, cambiando così l'angolo locale di attacco e trasferimento di calore convettivo.
  • Una regione interna riempita con materiale di cambiamento di fase incapsulato in una matrice di schiuma di carbonio, serve come condensatore termico per appiattire le punte di temperatura.
  • Una faccia posteriore strutturale in composito di un polimero di memoria di forma che si irrigidisce quando riscaldata durante l'ingresso, diventa poi conforme per la stowage.

L'architettura permette allo scudo di calore di adattare l'interazione del campo di flusso, la capacità termica e la rigidità strutturale come si evolve la traiettoria di entrata. Ad esempio, prima di rientrare quando l'atmosfera è sottile, lo scudo può adottare una forma ad alto livello di membrana, ad alta potenza (attraverso l'azione SMA) per massimizzare il cross-range; come aumenta la densità atmosferica e picchi del flusso di calore, può assorbire in una configurazione di stato di uno stato di atterraggio ad alta

Vantaggi e prestazioni comparate

Rispetto agli scudi di calore passivi convenzionali (piastrelle ceramiche ablative o riutilizzabili), gli impianti intelligenti adattativi offrono diversi vantaggi misurabili:

  • Riduzione del materiale:[] Gestire attivamente il flusso di calore e la resistenza all'ottimizzazione, gli scudi adattativi possono essere più sottili e leggeri.
  • Aumento della riutilizzabilità:[] I materiali intelligenti auto-riparabili e reversibili riducono la necessità di un risanamento. Un attuatore in lega di memoria a forma può ciclizzare migliaia di volte senza fatica, consentendo molteplici voci.
  • Involucro di prestazione potenziato:[ La capacità di morfificare la forma consente ad un singolo scudo di calore di operare attraverso una più ampia gamma di velocità di entrata e densità atmosferiche, riducendo la necessità di disegni specifici per la traiettoria.
  • Monitoraggio della salute a tempo pieno:[ I sensori piezoelettrici incorporati combinati con la telemetria possono fornire al computer di volo del veicolo dati sull'erosione, la crepatura o la delaminazione, consentendo strategie di aborti o mitigazione.
  • Migliore margine di carico utile:[ La massa liberata dal sistema di protezione termica può essere assegnata agli strumenti scientifici, al supporto vitale o al propellante, aumentando direttamente la capacità di missione.

I trade di progettazione delle missioni mostrano che per le voci ad alta velocità (come il ritorno dei campioni da Marte), un sistema adattivo con attuazione PCM e SMA può ridurre il flusso di calore di picco del 15-20% rispetto ad un solo ablatore sottile, mantenendo temperature strutturali inferiori a 150 °C. Per la bassa velocità, la sostituibilità dei voli (ad esempio, capsule equipaggiate di prossima generazione), l'accento si sposta alla durata; qui i materiali intelligenti promettono decine di voli di volo di volo.

Sfide e ricerca in corso

Durata in condizioni estreme

Il test più grave per qualsiasi materiale intelligente è la sopravvivenza nell’ambiente ipersonico e ad alta entalpia dell’ingresso atmosferico. Le temperature possono superare i 2000 °C sul punto di stagnazione, con reazioni chimiche dall’ossigeno atomico e dall’azoto. La maggior parte dei materiali intelligenti, in particolare polimeri e alcuni piezocerami, si degrada rapidamente oltre i 400-600 °C.

Controlli e tempi di risposta

I sistemi di assorbimento si basano sul tempo di risposta del materiale intelligente che è abbastanza veloce da seguire il flusso di calore in evoluzione. Le trasformazioni di fase in SMA possono verificarsi in millisecondi, ma il trasferimento di calore alla SMA può richiedere secondi, introducendo un lag di controllo. Gli attuatori piezoelettrici sono estremamente veloci (risposte microseconda) ma producono solo piccoli spostamenti; sono più adatti per la modulazione su scala.

Produzione e integrazione

La produzione di uno schermo termico multistrato, classificato in modo funzionale con materiali intelligenti incorporati a un costo ragionevole è una sfida significativa. I metodi attuali si basano sulla produzione additiva (ad esempio, fusione del letto a polvere laser per i componenti SMA) e sul posizionamento automatico della fibra per i compositi polimeri.

Costo e complessità

Leghe di memoria di forma, per esempio, possono costare 10–50 volte più dell'alluminio equivalente-peso. Inoltre, l'elettronica di controllo supplementare, il cablaggio e la prova di qualificazione aggiungono il costo di livello di sistema. Il vantaggio deve essere giustificato da un netto miglioramento delle prestazioni di missione o del costo-per-kilogramma di payload consegnato.

Le direzioni future

In vista di un futuro, la convergenza dei materiali intelligenti, la modellazione digitale dei gemelli e la produzione additiva promette una nuova generazione di sistemi di protezione termica multifunzionale[]. Un unico strato di materiale potrebbe combinare l’effetto della forma-memoria, il rilevamento e l’auto-guarigione in un processo di fabbricazione.

L’intelligenza artificiale svolge un ruolo cruciale nel controllo del sistema. Gli algoritmi di ottimizzazione in tempo reale, elaborati su simulazioni ad alta fedeltà di aerothermodinamica e comportamento materiale, possono determinare le impostazioni di forma, emissività e capacità termica ottimali per ogni istante in una traiettoria, anche in presenza di condizioni di progettazione off-‐come perturbazioni di densità atmosferica.

Infine, l'obiettivo finale à ̈ quello di estendere questi sistemi alle destinazioni piÃ1 impegnative: un lavanda Venere deve sopravvivere a 460 °C, 90 atm di CO2, e nubi di acido solforico; una sonda Titan opera in un'atmosfera densa di azoto-metano a −180 °C; un precursore interstellare deve sopportare decenni di impatti micrometeoidi e ciclo termico.

Il viaggio da campioni di materiale intelligente su scala di laboratorio a scudi di calore adattativi integrati, qualificati al volo è lungo, ma ogni dimostrazione di successo—una cerniera in lega di memoria forma, un test di rivestimento termocromatico in un getto d'arco, un coupon auto-guarigione che sopravvive a cinque cicli di calore—costituisce la fiducia.