Ontwerpen van thermische schilden voor terugkeervoertuigen: Berekeningen, Normen en Voorbeelden

Thermische schilden zijn essentiële onderdelen van terugkeervoertuigen, die hen beschermen tegen extreme warmte die wordt gegenereerd tijdens atmosferische terugkeer. Een goed ontwerp omvat complexe berekeningen, naleving van normen en praktische voorbeelden om veiligheid en effectiviteit te garanderen.

Berekeningen voor ontwerp van een thermisch schild

Het ontwerpproces begint met warmtebelasting berekeningen, die de maximale temperatuur van het schild moet weerstaan. Deze berekeningen rekening houdend met terugkeersnelheid, atmosferische omstandigheden, en voertuiggeometrie. De warmteflux wordt vaak gemodelleerd met behulp van de Chapman .Kolmogorov vergelijkingen of empirische gegevens.

Thermische geleidbaarheid, specifieke warmte, en ablatiesnelheden zijn belangrijke parameters in materiaalselectie. De warmteoverdracht wordt geanalyseerd door middel van geleiding, convectie en straling, zodat het schild structurele integriteit behoudt onder extreme omstandigheden.

Normen en materialen

De ontwerpen moeten voldoen aan internationale normen zoals de richtlijnen van het warmtebeschermingssysteem van NASA (Thermal Protection System - TPS) en ASTM-normen. De gebruikte materialen zijn onder meer ablatief composieten, keramische tegels en versterkt koolstof-koolstof. Deze materialen worden gekozen voor hun hoge smeltpunten, lage thermische geleidbaarheid en vermogen om warmte te absorberen door ablatie.

Het materiaal testen omvat thermische vacuümkamers, boog-jet testen, en ablatie tests om terugkeer omstandigheden te simuleren. Certificering zorgt ervoor dat het schild tijdens de werkelijke missies betrouwbaar presteert.

Voorbeelden van ontwerp van een Thermisch Schild

Een voorbeeld is de Apollo Command Module, die een ablatief hitteschild van fenolhars en glasvezel gebruikte. Het schild werd ontworpen om temperaturen tot 2500°C te weerstaan tijdens het terugkeren. Het ablatieproces dissipatief warmte en beschermde het ruimtevaartuig.

Een ander voorbeeld is de Space Shuttle tegels, gemaakt van silica keramiek. Deze tegels verstrekten thermische isolatie en konden worden vervangen als ze beschadigd waren. Hun ontwerp was gebaseerd op gedetailleerde warmteflux berekeningen en uitgebreide testen.