Scudi termici e necessità di gestione della temperatura in sistemi aerospaziali

Quando serve uno scudo termico?

Alcuni sistemi aerospaziali devono lavorare ad elevatissime velocità, situazioni in cui l’attrito tra atmosfera e veicolo non sono più trascurabili, e altri invece devono svolgere compiti nello spazio dovendo far fronte alla radiazione. Nasce così la necessità di controllare la temperatura del sistema per non danneggiare il payload, che può essere di natura umana o strumentale.

Ambiti di utilizzo

Aerei come il noto Lockheed SR-71 Blackbird hanno per esempio bisogno di uno scudo termico. L’SR-71 è un’aereo spia americano degli anni ’60 che operò durante la Guerra Fredda e fino al 1989. Raggiungeva una altitudine di 26 000 m circa e velocità in quota superiori a Mach 3 (tre volte la velocità del suono a quella quota). La rapida compressione dell’aria dovuta alla velocità sonica dava origine a temperature superiori ai 300 °C. I piloti erano abituati a scaldare il cibo appoggiando i tubicini (tipo dentifricio) di cui erano fatte le razioni ai finestrini.
L’aereo aveva un rivestimento in titanio, materiale più resistente meccanicamente ad alte temperatura rispetto all’alluminio.

Le capsule di rientro in atmosfera. Lo scudo sarà dimensionato in base alla velocità di rientro prevista dalla missione. Frenare nello spazio è infatti molto dispendioso in termini di consumo di propellente. I serbatoi sono limitati quindi non è possibile scegliere a piacere una velocità di trasferimento da un corpo celeste all’altro.
Questo tipo di applicazione si basa principalmente su scudi passivi a base di materiali ablativi, che hanno un’ottima capacità di dissipare energia consumandosi gradualmente e alterando lo strato termico attorno alla superficie interessata. Paradossalmente lavorano peggio a temperature inferiori quando non si innesca il processo di ablazione.
Lo Shuttle invece aveva uno scudo riutilizzabile (quindi non del tutto ablativo) di mattonelle che si incastravano tra loro, fatte di diversi materiali a seconda della parte del veicolo da proteggere, che lo rendevano leggero ma allo stesso tempo fragile. Dopo il rientro c’erano delle particolari procedure che dovevano essere attuate per liberare l’energia immagazzinata dallo scudo e permettere così una miglior preservazione in vista di un riuso.
In futuro per le missioni su Marte grazie all’atmosfera molto rarefatta è previsto l’utilizzo di un nuovo scudo parzialmente gonfiabile attualmente in fase di studio alla NASA.

I satelliti e le sonde spaziali sono sistemi che lavorano in un ambiente particolarmente ostile per via della radiazione, principalmente solare. In prima istanza per i circuiti elettrici che devono essere adeguatamente schermati. Allo stesso tempo non bisogna trascurare che il funzionamento ottimale del satellite/sonda avviene in generale in un certo intervallo di temperature. Ci sono dei sistemi attivi e passivi per dissipare energia in eccesso, ma è meglio per quanto possibile risolvere il problema a monte schermando il satellite/sonda, soprattutto quando i tempi di esposizione alla radiazione sono prolungati.

Considerazioni finali

Lo sviluppo degli scudi termici andrà di pari passo con l’abilità dell’uomo di viaggiare nello spazio e di costruire velivoli atmosferici sempre più veloci. Schermature di tipo attivo in cui la gestitione del calore viene affidata a refrigeranti (fin’ora fallimentari) e rimodellazione delle superfici di impatto con l’atmosfera attraverso strutture gonfiabili potranno migliorare di molto le prestazione di questo sistema.


 

Credici “foto in evidenza” >> NASA

 

 

 

 

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