Lämpösuoja

AutomotiveEdit

Polttomoottoreiden luovuttaman suuren lämpömäärän vuoksi useimmissa moottoreissa käytetään lämpösuojia suojaamaan komponentteja ja koria lämpövahingoilta. Suojauksen lisäksi tehokkaat lämpösuojat voivat antaa suorituskykyä parantavia hyötyjä alentamalla konepellin alla vallitsevia lämpötiloja ja siten alentamalla imuilman lämpötilaa. Lämpösuojien hinnat vaihtelevat suuresti, mutta useimmat niistä on helppo asentaa, yleensä ruostumattomasta teräksestä valmistettujen kiinnikkeiden tai korkean lämpötilan teipin avulla. Autojen lämpösuojia on kahta päätyyppiä:

• Jäykkä lämpösuoja on viime aikoihin asti valmistettu umpiteräksestä, mutta nykyään se tehdään usein alumiinista. Jotkin huippuluokan jäykät lämpösuojat on valmistettu alumiinilevystä tai muista komposiiteista, joissa on keraaminen lämpösulkupinnoite lämmöneristyksen parantamiseksi.
• Taipuisa lämpösuoja on tavallisesti valmistettu ohuesta alumiinilevystä, jota myydään joko litteänä tai rullina, ja asentaja taivuttaa sen käsin. Korkean suorituskyvyn joustavat lämpösuojat sisältävät joskus lisävarusteita, kuten plasmaruiskulla levitetyn keraamisen eristyksen. Nämä viimeisimmät tuotteet ovat yleisiä huippumoottoriurheilussa, kuten Formula 1:ssä.
• Tekstiilisiä lämpösuojia käytetään erilaisissa komponenteissa, kuten pakoputkessa, turbossa, hiukkassuodattimessa tai muussa pakokaasukomponentissa.

Lämpösuojia asentavat usein niin harrastajat kuin ammattilaisetkin moottorin virittämisvaiheessa.

Lämpösuojia käytetään myös jäähdyttämään moottorin kiinnitystelineiden tuuletusaukkoja. Kun ajoneuvo on suuremmalla nopeudella, on riittävästi ram-ilmaa jäähdyttämään konepellin alla olevaa moottoritilaa, mutta kun ajoneuvo liikkuu pienemmällä nopeudella tai nousee kaltevuuteen, on tarpeen eristää moottorin lämpöä, jotta se siirtyisi muihin osiin sen ympärillä, esim. moottorin kiinnikkeisiin. Asianmukaisen lämpöanalyysin ja lämpösuojien käytön avulla moottorin kiinnikkeiden tuuletusaukot voidaan optimoida parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi.

AircraftEdit

Joidenkin suurilla nopeuksilla lentävien lentokoneiden, kuten Concorde ja SR-71 Blackbird, suunnittelussa on otettava huomioon samanlainen, mutta vähäisempi ylikuumeneminen kuin avaruusaluksissa. Concorden tapauksessa alumiininen nokka voi saavuttaa 127 °C:n maksimikäyttölämpötilan (joka on 180 °C korkeampi kuin ulkoilman lämpötila, joka on nollan alapuolella); huippulämpötilaan liittyvät metallurgiset seuraukset olivat merkittävä tekijä lentokoneen enimmäisnopeuden määrittelyssä.

Viime aikoina on kehitetty uusia materiaaleja, jotka voivat olla RCC:tä parempia. SHARP-prototyyppi (Slender Hypervelocity Aerothermodynamic Research Probe) perustuu ultrakorkean lämpötilan keraameihin, kuten zirkoniumdiboridiin (ZrB2) ja hafniumdiboridiin (HfB2). Näihin materiaaleihin perustuva lämpösuojajärjestelmä mahdollistaisi Machin nopeuden 7 merenpinnan tasolla ja Machin 11 nopeuden 35000 metrin korkeudessa, ja se parantaisi merkittävästi hypersoniseen nopeuteen suunniteltuja ajoneuvoja. Käytetyillä materiaaleilla on lämpösuojaominaisuudet lämpötila-alueella 0 °C:sta + 2000 °C:een, ja niiden sulamispiste on yli 3500 °C:ssa. Ne ovat myös rakenteellisesti kestävämpiä kuin RCC, joten ne eivät vaadi lisävahvistuksia, ja ne ovat erittäin tehokkaita absorboituneen lämmön uudelleen säteilyttämisessä. NASA rahoitti (ja sittemmin lopetti) vuonna 2001 tutkimus- ja kehitysohjelman tämän suojausjärjestelmän testaamiseksi Montanan yliopiston kautta.

Euroopan komissio rahoitti vuonna 2016 tutkimuksen ja teknologisen kehittämisen puiteohjelman NMP-19-2015 ehdotuspyynnön puitteissa C3HARME-tutkimushanketta (joka on edelleen käynnissä), jonka tarkoituksena oli suunnitella, kehittää, valmistaa ja testata uutta luokkaa erittäin tulenkestäviä keraamisia matriisikomposiitteja, jotka on vahvistettu piikarbidikuiduilla ja hiilikuiduilla ja jotka soveltuvat sovelluksiin vaativissa ilmailu- ja avaruusteknisissä ympäristöissä.

AvaruuslentokoneetTiedostot muokkaa

Apollo 12 -kapselin ablatiivinen lämpösuoja (käytön jälkeen) näytteillä Virginian ilmailu- ja avaruuskeskuksessa

Avaruussukkulan käyttämä terminen liotusaurinkoaerodynaaminen lämpösuoja.

Avaruusalukset, jotka laskeutuvat ilmakehän omaavalle planeetalle, kuten Maahan, Marsiin ja Venukseen, laskeutuvat nykyisin siten, että ne astuvat ilmakehään suurella nopeudella ja ovat riippuvaisia pikemminkin ilmanvastuksesta kuin rakettivoimasta, joka hidastaa niitä. Tämän ilmakehään paluumenetelmän sivuvaikutuksena on aerodynaaminen kuumeneminen, joka voi olla erittäin tuhoisaa suojaamattoman tai viallisen avaruusaluksen rakenteille. Aerodynaaminen lämpösuoja koostuu erityismateriaaleista koostuvasta suojakerroksesta, joka johtaa lämpöä pois. Aerodynaamisessa lämpösuojassa on käytetty kahta perustyyppiä:

• Ablatiivinen lämpösuoja koostuu muovihartsikerroksesta, jonka ulkopinta kuumennetaan kaasuksi, joka sitten kuljettaa lämmön pois konvektiolla. Tällaisia suojia käytettiin Mercury-, Gemini-, Apollo- ja Orion-avaruusaluksissa, ja niitä käytetään SpaceX Dragon 2 -aluksessa.
• Lämpösuojakilvessä käytetään eristävää materiaalia, joka absorboi ja säteilee lämmön pois avaruusaluksen rakenteesta. Tätä tyyppiä käytettiin avaruussukkulassa, ja se koostui keraamisista tai komposiittilaatoista suurimmalla osalla avaruusaluksen pintaa, ja suurimmissa lämpökuormituskohdissa (nokka- ja siipien etureunoissa) käytettiin vahvistettua hiilihiilimateriaalia. Tämän materiaalin vaurioituminen siivessä aiheutti vuoden 2003 Avaruussukkula Columbian katastrofin.

Mahdollisilla puhallettavilla lämpösuojilla, joita Yhdysvallat (Low Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator – LOFTID) ja Kiina ovat kehittäneet, harkitaan Space Launch Systemin kaltaisten kertakäyttöisten rakettien jälkiasentamista tällaisilla lämpösuojilla kalliiden moottoreiden pelastamiseksi, mikä voisi mahdollisesti alentaa laukaisukustannuksia merkittävästi.

Passiivinen jäähdytysEdit

Passiivisia jäähdytyssuojia käytetään suojaamaan avaruusaluksia ilmakehään tulon aikana vaimentamaan lämpöpiikkejä ja myöhemmin säteilemään varastoitua lämpöä ilmakehään. Varhaiset versiot sisälsivät huomattavan määrän metalleja, kuten titaania, berylliumia ja kuparia. Tämä lisäsi huomattavasti ajoneuvon massaa. Lämpöä absorboivista ja ablatiivisista järjestelmistä tuli parempia.

Mercury-kapselin mallissa (kuvassa torni) oli alun perin tarkoitus käyttää passiivisesti jäähdytettyä lämpösuojajärjestelmää, mutta se muutettiin myöhemmin ablatiiviseksi kilveksi

Nykyaikaisista aluksista ne kuitenkin löytyvät, mutta metallin sijasta käytetään lujitettua hiili-hiilimateriaalia. Tämä materiaali muodostaa avaruussukkulan nokan ja etureunojen lämpösuojajärjestelmän, ja sitä ehdotettiin X-33-ajoneuvoon. Hiili on tulenkestävin tunnettu materiaali, jonka sublimoitumislämpötila (grafiitin osalta) on 3825 °C. Näiden ominaisuuksiensa ansiosta se soveltuu erityisen hyvin passiiviseen jäähdytykseen, mutta sen haittapuolena on se, että se on erittäin kallis ja hauras.Joissakin avaruusaluksissa käytetään myös lämpösuojia (perinteisessä autoteollisuuden merkityksessä) suojaamaan polttoainesäiliöitä ja laitteita suuren rakettimoottorin tuottamalta kuumuudelta. Tällaisia suojia käytettiin Apollon huoltomoduulissa ja Kuumoduulin laskeutumisvaiheessa.

IndustryEdit

Lämpösuojia kiinnitetään usein puoliautomaatti- tai automaattikivääreihin ja haulikkoihin piipunsuojuksina suojaamaan käyttäjän käsiä kuumuudelta, joka aiheutuu laukausten ampumisesta nopeasti peräkkäin. Niitä on myös usein kiinnitetty pumpputoimisiin taisteluhaulikoihin, jotta sotilas voi tarttua piippuun samalla kun hän käyttää bajonettia.