los materiales cerámicos para la protección térmica de transbordadores espaciales ya son una...

8/19/2019 Los Materiales Cerámicos Para La Protección Térmica de Transbordadores Espaciales Ya Son Una Realidad de Uso …

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Los materiales cerámicos para la protección térmica de transbordadores espaciales ya

son una realidad de uso común. Lo mismo que actualmente se transportan pasajeros y

mercancías entre ciudades y naciones de la Tierra de una manera rutinaria, ya va

siendo cada vez más frecuente el transporte espacial de satélites, laboratorios y

personas que vienen realizando diversas tareas eperimentales y procesado de

materiales que !asta a!ora no eran posibles en la Tierra. "sta aventura espacial nosólo interesa a las dos potencias espaciales# ""$$ y %usia, sino que otras naciones

como &apón, '!ina y la (ndia están realizando ya eperiencias para desarrollar su

propio )T". *e !ec!o, se sabe ya +-, que los japoneses vienen realizando intensas

investiaciones para desarrollar un mini/ transbordador espacial.

'uando el Transbordador "spacial +o 0)pace Transportation )ystem0, )T) en silas inlesasen este artículo- !a terminado sus tareas en el espacio +después de varias semanas de intensotrabajo- el momento más crítico de la misión es el del rereso a las capas bajas de laatmósfera, en el que el )istema de 1rotección Térmica +)1T- se somete a una dura prueba.'on un denominado ánulo de ataque de 234 , que varía de unas a otras misiones, la navesufre un fuerte calentamiento en su cubierta eterior desde los 5 min. !asta los 65 min. deiniciado el rereso. )e interrumpen las comunicaciones y la nave tiene que disipar su eneríadesde una velocidad de más de 7.333 8m9! a los ::5 8m9! que alcanza en el aterrizaje.

"n el rereso es preciso disipar la enería sobrante por varios métodos +:-#a- %adiación del calor al vacíob- "vaporación o sublimación de la superficie del ve!ículoc- Transferencia de calor a la atmósfera +es decir, al aire situado junto al ve!ículo, dejando unaestela de aire caliente-.

La proa de la nave, que es donde la velocidad del aire arrastrado es mayor es la que alcanzamayores temperaturas en la entrada atmosférica +62754 ' - +2-. (ncluso la densidad del airellea a ser en el morro de la nave !asta seis veces superior a la ambiente, afectando el calorque puede desprenderse por radiación. $n fenómeno semejante ocurre en la caída demeteoritos a la Tierra. Las zonas posteriores del ve!ículo están a menor temperatura pues lascorrientes de circulación supersónica no se adaptan fácilmente a su contorno. Lastemperaturas que soportan los motores de la nave en el lanzamiento son lieramente mayoresque en la entrada en la atmósfera.

Las condiciones que deben reunir los materiales del )istema de 1rotección Térmica +)1T- delT" son#

64- ;ctuar como protección térmica# soportando la temperatura límite de entrada en laatmósfera, ser resistentes a la entrada de ases calientes y poder ser terminados con unasuperficie suave +para evitar calentamientos locales y transición del aire arrastrado de flujo


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laminar a turbulento-.4- 1oseer una baja masa, pero que soporte la cara, sea resistente al aleteo, compatible conlas tensiones y el doblado de la estructura primaria que es de aluminio y ser resistente a laretención de aua.:4- 1ermitir un tiempo corto de montaje desmantelamiento para con una fácil inspección, fáciletracción e instalación y fácil mantenimiento, permitiendo a la nave espacial volver cuanto

antes a otra misión y por último,24-


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"n las de menor densidad se lora la unión fibra a fibra con sílice coloidal y en las de másdensidad por sinterización directa fibra a fibra. La mayor parte de las plaquetas son de bajadensidad, pero cuando se requiere mayor resistencia estructural se usan plaquetas de mayordensidad en alunas zonas +B-.

Las plaquetas neras llevan C2)i y son de 65, 65, cm. con 6,:/E,A cm de espesor. F las

blancas son alo mayores de 3,: 3,: cm y de 3,5/ ,5 cm de espesor. 1oseen unaporosidad del A: G con una conductividad térmica muy baja +3,36B/ 3,35 H9m I- por lo queson unos aisladores térmicos ecelentes. 'omo las plaquetas tienen una pureza muy elevada,no es posible que den problemas de desvitrificaciones, evitándose los problemas de dilatacióny contracción que podría tener luar si se formase la fase cristalina# cristobalita.

1ara controlar la resistencia al aua de las plaquetas se imprenan con un silano quereacciona en fase vapor a 6B5 4' en un !orno. *espués de la entrada atmosférica se dispersaun fluorocarbón +D'B:- sobre las plaquetas para probar las que !an ecedido de esatemperatura. 1ara reparar las plaquetas averiadas se pueden seuir dos procedimientos# )i esel recubrimiento el que !a sufrido da=o se 0densifica0 la superficie con una mezcla de barbotinade sílice y sílice coloidal. Las neras se pintan con una mezcla de C2)i y de sílice coloidal. )ison los bordes los que están deteriorados, se usan 0remiendos0 de tipo cerámico# mezclas de

fibras del tipo L(/A33 con un ortosilicato de tetraetilo. "isten además otros materialescerámicos y vítreos que se usan en menor proporción en este tipo de transbordadoresespaciales, tales como los# materiales de relleno, barreras térmicas que se usan en la línea dedivisión de los alerones, en el timón y en las puertas de la bodea de cara +en este caso seusan capas de filamentos vítreos de A mm de diámetro con aspecto de 0piel de mono0-. ;blativos, como los usados en las cápsulas ;polo, se usan en alunos puntos muy críticos.

Las ventanas del Transbordador son como las de los aviones convencionales con un sistemade ventanal triple. )u principal condición es que permitan la visión normal de la tripulación yque soporten 753 4' en la re/ entrada en la atmósfera, aparte de soportar olpes de meteoritosy tensiones debidas a la diferencia de presión +7-.

:. . >aterial de aislamiento compuesto refractario fibroso +;'%D-

*ado que las plaquetas que !asta a!ora se !an venido utilizando resisten !asta los 673 4'durante unas 633 misiones espaciales y !asta unos 625 4' en periodos cortos de eposiciónya que tienen una ecesiva contracción a esta temperatura, la empresa Loc8!eed realizóinvestiaciones que mejoraran las propiedades todas las propiedades que se eien a este tipode plaquetas cerámicasJ a saber# capacidad térmica, resistencia al c!oque térmico,conductividad térmica y estabilidad morfolóica de las plaquetas cerámicas.

'omo consecuencia de estas investiaciones se !a desarrollado un nuevo materialdenominado ;'%D +;islamiento 'ompuesto %efractario Dibroso- +E-. )e trata de un materialcompuesto de dos fibras cerámicas sin aditivos, con sólo ')i para mejorar sus propiedadesópticas a elevada temperatura. Las fibras son de borosilicato de aluminio de 66 mm dediámetro y lonitudes de 3,:6 cm. con una composición de 7 ;l?:. 62 C?:. 2 )i?. La otra

fibra es de sílice con un diámetro de 6/: mm y lonitud variable.

Las fibras de sílice se obtienen a partir de un vidrio de borosilicato, liiviandole !asta llear acontenidos del AA,B G de )i?. Las fibras se acondicionan previamente lavándolas con ácidoclor!ífrico a un pK iual a : durante !oras a través de nitróeno para etraer cualquiercontaminación o material no fibroso. Lueo se calcinan a 63A3 4' durante A3 min. paracristalizar la estructura de las fibras de borosilicato de aluminio con lo que mejoran suspropiedades de dispersión. )e mezclan con ')i +G- y amoniaco en un mezclador en ,prensando a continuación las fibras, con lo que se alinean perpendicularmente a la direccióndel prensado, dando a la plaqueta un carácter anisotrópico. )e secan a 653 4' durante 6E!oras y se sinterizan a 6::3 4' durante A3 min., mecanizándose por último el material a lasformas deseadas.

"l módulo de rotura de estas plaquetas varía con el contenido en fibras de borosilicato dealuminio y su estabilidad morfolóica en función del contenido en cristobalita, eponiendo estos


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materiales a 6:B3 4' durante 2 !oras. %ealizando un estudio de optimización del proceso se!an lorado mejoras en el material, con inclusiones de fibras de !asta un máimo del :3/23 Gde fibras de silicoborato de aluminio +E-.

"s muy importante que la estabilidad térmica de estos materiales sea buena. )e observa queel ;'%D tiene una mejor capacidad térmica que las fibras de sílice. 'omo puede apreciarse enfunción de su contenido en cristobalita después de tratamientos a 625 4' durante 6E !oras seconsidera que la estabilidad no es adecuada si la proporción de esta fase cristalina ecede del3 G.


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:. :. >ateriales de protección del borde de conduccion ó morro de la nave.

Los materiales desarrollados para las zonas que soportan mayores temperaturas +la proa omorro de la nave y el borde delantero de las alas- están constituídos por fibras de ';%C?@?/

';%C?@? sinterizadas que son reutilizables +''%-. "l desarrollo de estos materialescomenzó en 6A5E con los proyectos ;polo. "stán constituídos fundamentalmente por unmaterial compuesto de un tejido de rafito pleado que se imprena con una resina fenólica y,posteriormente, se somete a ciclos sucesivos de pirólisis, densificación y sinterización. "stematerial a elevadas temperaturas puede perder parte de su masa debido a la oidación parcialde su superficie +A-.

2. '?>1?%T;>("@T? *"L ;)% *")1$") *"L 1%(>"% $"L? del 6 abril de 6AE6./

*espués del dic!o vuelo, ya !istórico realizado el a=o 6AE6, aunque alunas plaquetas seperdieron, +la nave llevaba :3.B5B plaquetas-, el comportamiento eneral de todos losmateriales fue ecelente +63-. "n el ;)%CT, las plaquetas blancas, instaladas en la zona de lavaina de los retro/ co!etes, se observó la pérdida o rotura de alunas plaquetas, más bien por

un defecto de colocación, ya que estos defectos las !acen más sensibles a las tensiones vibro/acústicas del lanzamiento. ;simismo, alunas de las plaquetas neras del ;)%CT sufrieronalo de da=o, saltados o ralladuras durante la etapa del lanzamiento. "l análisis de estasrayaduras indica la presencia de 'a? y Mn?, elementos ambos que van como pimento en elcauc!o de silicona, que !an debido reaccionar con el recubrimiento en el borde de lasplaquetas. "ste fenómeno puede aprovec!arse para conocer los diaramas de flujo de aire delve!ículo +63-. (ncluso, se lleó a observar un efecto de cuc!illada o rajado en una compuertadel tren de aterrizaje. "n otras zonas se observaron alunas suciedades debidas a efectos decontracción durante la entrada atmosférica. "l recubrimiento refractario de material ''%respondió también eficazmente.

"l fieltro de aislamiento ó D;T, a pesar de tratarse de nylon +@ome- que aumenta sudeformación con cada tensión aplicada, se portó mejor de lo que se esperaba, así como losmateriales de relleno y de barrenas térmicas. 1or último, en las ventanas de vidrio apareció unliero recubrimiento en la superficie eterior pero sin afectar a la transparencia. 'omo datoanecdótico es interesante saber que este tipo de Transbordadores "spaciales llevan instaladosmás de 67.333 instrumentos de medida# Termopares, radiómetros, sensores de presión, detensión y acústicos, etc y etc...., lo que permite 0a posteriori0 analizar con más precisión elcomportamiento real del )istema de 1rotección Térmica.

5. >('%?")T%$'T$%; *" L?) >;T"%(;L") *" ;)%./

La mejor manera de entender la naturaleza porosa de este tipo de materiales cerámicos es porsu observación a elevados aumentos por >icroscopía "lectrónica de Carrido +silas )"> eninlé-. "s necesario destacar el importante papel que !a desempe=ado la >icroscopía"lectrónica en el desarrollo de los nuevos materiales de ;islamiento Térmico de lostransbordadores espaciales. )e !a empleado esta técnica de estudio microestructural paraayudar a la selección de materiales, ya que el ;nálisis >icroestructural nos facilita informaciónacerca de los mecanismos de deformación y fractura, los mecanismos de transferencia decara y sobre todo sobre las alteraciones microestructurales antes de la rotura final delmaterial. "n función de las características del material a eaminar se !an empleado técnicas depreparación de muestras diferentes. Las técnicas más simples son# en el caso de losmateriales oránicos del D;%, cortar con una cuc!illa y en el caso de las plaquetas cerámicasllevar a cabo su fractura a tracción. 1ero ambas pueden introducir raves alteracionesestructurales en el material. "l método más eneralizado fué# (mprenar el material con unpolímero y posteriormente realizar el corte y pulido de la muestra, seuido por la etracción delmaterial de embutición. 1ara ello se siuieron dos métodos# a- "mbutición enpolimetilmetacrilato +1>>;- ó b- embutición en una resina termoplástica +66-.

a- "n el primer método se imprena la plaqueta con un líquido siruposo al 65 G de 1>>; enun monómero de metilmetacrilato +>>;- con el 3,35 G de peróido de benzoílo para iniciar la


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polimerización. "sta se acelera calentando a :5 4' durante 2 !oras y lueo a 6533 4'durante 2E !oras. *espués se pule la muestra embutida con los métodos !abituales. )ecalienta a 533/753 4' durante 5 minutos para posteriormente, para etraer el 1>>; en el casode muestras que no se alteren con la temperatura. *ebe evitarse en esta operación elquemado del 1>>;, para que no se formen productos de carbón. )e puede también etraer elmaterial de etracción por disolución sumeriendo la muestra embutida en el monómero >>;

líquido y aitando. "ste método es adecuado para los materiales más débiles.

b- )e usa el seundo método también para no alterar la posición de las fibras y rellenar losporos evitando se contaminen con partículas etra=as al material. "ste método es másadecuado para el sistema de D;T que es de tipo oránico. )e imprena el material en vacíocon resina a 653 4' y dejándole enfriar !asta riidez. )e corta un cubo de 3,5 6 cm. y se lavacon acetona por un etremo para eponer al aire las puntas de las fibras. Lueo se embuteesta muestra en un material de resina epoi y se pule posteriormente. )e etrae la resina conacetona sin aitación con varios lavados con lo que se llea a tener finalmente una muestraproteida en todos sus lados con resina y con el etremo superior libre para ser observadotanto por microscopía óptica como electrónica.

"n las plaquetas del transbordador se debe realizar un control de calidad de la uniformidad y

raduación de la capa de sílice coloidal comparando su comportamiento tanto en las plaquetasde baja como en las de alta densidad +L(/A33 y L(/33-. La sílice coloidal penetra de !ec!o!asta una profundidad de 3,E6 mm en el caso de las plaquetas L(/33. "n el caso del material ;'%D las fibras son de mayor diámetro que las de sílice y su enlace es más consistente que eltipo anterior de plaquetas fibrosas !abiéndose observado alo de reblandecimiento y reacciónde las fibras de sílice durante el proceso de sinterización +66-.

emos, pues, que la observación de la microestructura de un material +microcosmos- permiteun mejor control de las propiedades de los materiales que facilitan tanto de una manera directacomo indirectamente la observación e investiación de los objetos del $niverso+macrocosmos-, ambos están íntimamente relacionados, de manera que con el filósofo Teil!ardde '!ardin podemos afirmar para terminar# "...no digas nunca, como hacen algunos: la materiaesta gastada, la materia esta hasta el ultimo instante de los siglos, la materia sera joven y

exuberante, resplandeciente y nueva para el que sepa entenderla". +Teil!ard de '!ardin, 6A76."l Kimno del $niverso-.

los materiales cerámicos para la protección térmica de transbordadores espaciales ya son una...

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