Scudo termico

AutomotiveEdit

A causa delle grandi quantità di calore emesse dai motori a combustione interna, gli scudi termici sono utilizzati sulla maggior parte dei motori per proteggere i componenti e la carrozzeria dai danni da calore. Oltre alla protezione, gli scudi termici efficaci possono dare un beneficio in termini di prestazioni riducendo le temperature sotto il cofano, quindi riducendo la temperatura di aspirazione. Gli scudi termici variano ampiamente in termini di prezzo, ma la maggior parte sono facili da montare, di solito tramite clip in acciaio inossidabile o nastro per alte temperature. Ci sono due tipi principali di scudo termico automobilistico:

• Lo scudo termico rigido è stato, fino a poco tempo fa, realizzato in acciaio solido, ma ora è spesso realizzato in alluminio. Alcuni scudi termici rigidi di fascia alta sono fatti di fogli di alluminio o altri materiali compositi, con un rivestimento ceramico a barriera termica per migliorare l’isolamento termico.
• Lo scudo termico flessibile è normalmente fatto da sottili fogli di alluminio, venduti piatti o in rotolo, e viene piegato a mano dal montatore. Gli scudi termici flessibili ad alte prestazioni a volte includono degli extra, come l’isolamento in ceramica applicato tramite spruzzatura al plasma. Questi ultimi prodotti sono comuni negli sport motoristici di fascia alta come la Formula 1.
• Schermi termici in tessuto utilizzati per vari componenti come lo scarico, il turbo, il DPF o altri componenti di scarico.

Come risultato, uno scudo termico è spesso montato sia da personale amatoriale che professionale durante una fase di messa a punto del motore.

Gli scudi termici sono anche utilizzati per raffreddare gli sfiati del supporto motore. Quando un veicolo è a velocità più elevate c’è abbastanza aria per raffreddare il vano motore sotto il cofano, ma quando il veicolo si muove a velocità più basse o sale una pendenza c’è bisogno di isolare il calore del motore per ottenere trasferito ad altre parti intorno ad esso, ad esempio i supporti motore. Con l’aiuto di un’adeguata analisi termica e l’uso di schermi termici, le prese d’aria dei supporti motore possono essere ottimizzate per le migliori prestazioni.

AircraftEdit

Alcuni aerei 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 muso in alluminio può raggiungere una temperatura operativa massima di 127 °C (che è 180 °C più alta dell’aria ambiente esterna che è sotto zero); le conseguenze metallurgiche associate alla temperatura di picco erano un fattore significativo nel determinare la velocità massima dell’aereo.

Di recente sono stati sviluppati nuovi materiali che potrebbero essere superiori all’RCC. Il prototipo SHARP (Slender Hypervelocity Aerothermodynamic Research Probe) è basato su ceramiche ad altissima temperatura come il diboruro di zirconio (ZrB2) e il diboruro di afnio (HfB2). 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 miglioramenti significativi per i veicoli progettati per la velocità ipersonica. I materiali utilizzati hanno caratteristiche di protezione termica in un intervallo di temperatura da 0 °C a + 2000 °C, con punto di fusione a oltre 3500 °C. Sono anche strutturalmente più resistenti del RCC, quindi non richiedono rinforzi aggiuntivi, e sono molto efficienti nel re-irradiare 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 compositi a matrice ceramica ultra-refrattari rinforzati con fibre di carburo di silicio e fibre di carbonio adatti per applicazioni in ambienti aerospaziali severi.

SpacecraftEdit

Scudo termico ablativo della capsula Apollo 12 (dopo l’uso) in mostra al Virginia Air and Space Center

Scudo termico aerodinamico da ammollo usato sullo Space Shuttle.

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, dipendendo dalla resistenza dell’aria piuttosto che dalla potenza del razzo 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 consiste in uno strato protettivo di materiali speciali per dissipare il calore. Sono stati usati due tipi base di scudo termico aerodinamico:

• Uno scudo termico ablativo consiste in uno strato di resina plastica, la cui superficie esterna è riscaldata a gas, che poi porta via il calore per convezione. Tali scudi sono stati utilizzati sulle navicelle Mercury, Gemini, Apollo e Orion e sono utilizzati dalla SpaceX Dragon 2.
• Uno scudo termico a immersione utilizza un materiale isolante per assorbire e irradiare il calore dalla struttura della navicella. Questo tipo è stato usato sullo Space Shuttle, consistente in piastrelle di ceramica o composito sulla maggior parte della superficie del veicolo, con materiale rinforzato in carbonio-carbonio sui punti di maggior carico termico (il naso e i bordi d’attacco delle ali). Il danneggiamento di questo materiale su un’ala ha causato il disastro dello Space Shuttle Columbia del 2003.

Con possibili scudi termici gonfiabili, come sviluppati dagli Stati Uniti (Low Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator – LOFTID) e dalla Cina, razzi monouso come lo Space Launch System sono considerati per essere retrofittati con tali scudi termici per salvare i costosi motori, riducendo eventualmente i costi dei lanci in modo significativo.

Raffreddamento passivoModifica

Le protezioni a raffreddamento passivo sono utilizzate per proteggere le astronavi durante l’ingresso in atmosfera per assorbire i picchi di calore e successivamente irradiare il calore immagazzinato nell’atmosfera. Le prime versioni includevano una notevole quantità di metalli come il titanio, il berillio e il rame. Questo aumentava notevolmente la massa del veicolo. L’assorbimento del calore e i sistemi ablativi divennero preferibili.

Il progetto della capsula Mercury (mostrato con la torre) prevedeva originariamente l’uso di un sistema di protezione termica raffreddato passivamente, ma fu poi convertito in uno scudo ablativo

Nei veicoli moderni, invece, si possono trovare, ma al posto del metallo viene usato materiale rinforzato in carbonio-carbonio. 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 usano anche uno scudo termico (nel senso convenzionale dell’automobile) per proteggere i serbatoi di carburante e le attrezzature dal calore prodotto da un grande motore a razzo. Tali scudi sono stati utilizzati sul modulo di servizio Apollo e sullo stadio di discesa del modulo lunare.

IndustryEdit

Gli scudi termici sono spesso applicati ai fucili semiautomatici o automatici e ai fucili da caccia come rivestimenti della canna, al fine di proteggere le mani dell’utente dal calore causato dallo sparare colpi in rapida successione. Sono stati anche spesso applicati ai fucili da combattimento a pompa, permettendo al soldato di afferrare la canna mentre usa la baionetta.