Física y sociedad44 Revista del Colegio Oficial de Físicos

Garbiñe Atxaga Genbeltzu y Begoña Canflanca Garmendiareportaje

Durante la entrada/reentrada en laatmósfera, cualquier vehículo espa-cial está sometido a las más seve-ras fuerzas aerodinámicas y calen-tamiento aerodinámico extremo,así como a cargas de choque yacústicas. Además, al igual que enla fase de lanzamiento/ascenso,durante la fase de reentrada elvehículo también puede encontrar-se con condiciones ambientalesnaturales tales como lluvia, viento,granizo, polvo, etc.

Así, el problema del control térmicoen una sonda o vehículo espacial, yasean tripulados o no, es evidente ysurge de la necesidad de mantenera los diversos equipos, estructuras eintegrantes que lo forman dentrode los márgenes seguros de tempe-ratura. Cada elemento de la navetiene un intervalo de temperaturastanto en modo de operación comoen modo de no funcionamientoque, por motivos de seguridad, nodebe ser superado. Para protegerlosde este calentamiento durante unaentrada/reentrada, los vehículosespaciales requieren de un escudotérmico denominado TPS (ThermalProtection System). A modo deejemplo, en la mayoría de los casosla temperatura máxima de opera-ción de la estructura es inferior a 175ºC, mientras que la temperaturaque se puede alcanzar en la superfi-cie exterior del TPS puede ser de

1.700 ºC en el caso del transborda-dor espacial o incluso superior. Estastemperaturas dependen del tipo devehículo, la localización del TPS den-tro del mismo y misión (trayectoriade reentrada).

Como se ha explicado, el principalobjetivo del sistema de proteccióntérmico es proteger al vehículo ysu contenido frente a las excesivastemperaturas, pero también debeser capaz de soportar las cargasexternas durante la misión com-pleta, proporcionar una formaaerodinámica continua y limitar latemperatura interna del vehículocon una contribución en pesomínima. Los TPS son sistemas demateriales distintos trabajandoconjuntamente para proteger elvehículo. La selección de un sistema deter-minado depende de la misiónespacial completa. Los vehículosconstruidos para misiones de lar-ga duración o misiones estratégi-cas o los vehículos reutilizables otripulados requieren una protec-ción térmica muy diferente a laque pueden requerir los vehículosconstruidos para misiones cortaso los vehículos de un solo uso, losno tripulados, etc.

No es posible hablar del mejorsistema de protección térmico ode un único criterio universal de

valoración de comportamientovalido para todo tipo de vehícu-los. El TPS debe estar compuestode los materiales apropiados,cuya selección está basada enaspectos tales como las necesi-dades de disipación térmica con-cretas, restricciones ambientalesespecíficas, coste y peso. A conti-nuación se detallan los materialesque se utilizan actualmente comoTPS y han sido probados en vuelo.

Materiales ablativosUtilizar la ablación de un materiales un mecanismo muy eficientepara minimizar la energía totalque se conduce al vehículo. Sinembargo, un TPS basado en abla-ción no es reutilizable. El calor seconsume en un cambio de fasedel material de la superficie(fusión, sublimación o degrada-ción térmica) que implica unadescomposición y consumo delmismo. Con este tipo de materia-les es posible utilizar diferentesestrategias. La primera es utilizarmateriales de baja temperaturade ablación que son muy eficien-tes en eliminar el calor. De estetipo son el corcho fenólico utiliza-do en el demonstrador de reen-trada francés ARD (AtmosphericReentry Demonstrator), y losmateriales PICA (Phenolic Impreg-nated Ceramic), SIRCA (SiliconImpregnated Ceramic Ablator) y

Tras la desgracia del transbordador espacial Columbia en febrero de 2003, términos como reen-trada o escudo térmico son más populares. Por lo general, se denomina «entrada» a la transicióndesde el vacío del espacio a la atmósfera de cualquier planeta o cuerpo celeste, y «reentrada», a lavuelta a la atmósfera que se ha dejado previamente.

VOLVER DEL ESPACIOEL DESARROLLO DE MATERIALES PARA LA REENTRADA EN LA ATMÓSFERA

Para protegerlos del calentamiento durante la reentrada, losvehículos espaciales requieren de un escudo térmico

FYS nº18 ret:Revista FYS nº15 OK 7/11/07 19:14 Página 44

45Revista del Colegio Oficial de Físicos

Garbiñe Atxaga Genbeltzu y Begoña Canflanca GarmendiaVolver del espacio. El desarrollo de materiales para la reentrada en la atmósfera

reportaje

Física y sociedadRevista del Colegio Oficial de Físicos

SLA-561 (Silicone Elastomeric Cha-rring Ablator) utilizados en elescudo térmico de la Mars Path-finder. Esta estrategia no sólo seemplea en vehículos no tripula-dos. También se utilizó, por ejem-plo, para proteger el módulo tri-pulado del Apollo. El TPS de estemódulo utilizaba el material abla-tivo Avco 5026-39G (resina epoxi-novolaca reforzada con fibras decuarzo y microesferas fenólicas)que se inyectaba en las celdas deun panel nido de abeja de unaaleación de níquel que a su veziba unido a la estructura de acerodel vehículo.

La segunda estrategia es utilizarmateriales cuya ablación se produ-ce muy lentamente para tempera-turas elevadas. Aunque estos mate-riales (enlace doble carbono-carbo-no) absorben una gran cantidad deenergía en su ablación, ésta se pro-duce a altas temperaturas. Esto, ennumerosas ocasiones, conlleva lanecesidad de utilizar aislamientoadicional para proteger la estructu-ra e integrantes del vehículo. Laprincipal ventaja de estos materia-

les es que, en condiciones extre-mas, mantienen su forma.La selección del tipo de estrate-gia/materiales ablativos a utilizares un compromiso entre la formay tamaño del vehículo, requeri-mientos térmicos y velocidad yprecisión requeridos.

Aislantes reutilizables RSI (Reusable Surface Insulation)Se trata de materiales de baja den-sidad y baja conductividad térmicaque se presentan básicamente enforma de losetas cerámicas rígidaso mantas flexibles. Dependiendodel tipo, pueden llegar a soportarhasta alrededor de 1.260 ºC.

Las mantas flexibles originalmen-te se fabricaban con fieltros deNomex que llevaban un recubri-miento elastomérico a base de sili-cona para conferirles las propieda-des termo-ópticas apropiadas eimpermeabilización. Actualmentese fabrican con fibras de sílice yalúmina de alta pureza, o una com-binación de ambas. Aunque ofre-cen una protección térmica muyefectiva, no pueden utilizarse

como materiales estructurales y amenudo deben ser protegidas delas cargas aerodinámicas. Adicio-nalmente, necesitan ser imperme-abilizadas para minimizar el pesode la carga de lanzamiento al espa-cio. Sin embargo, ofrecen ventajastales como su flexibilidad y la posi-bilidad de ser directamente pega-das a la subestructura del vehículo.

Tipos de mantas de este tipo sonlos AFRSI (Advanced Felt ReusableSurface Insulation), TABI (Tailora-ble, Advanced Blanket Insulation) yDURAFRSI (Durable Advanced Reu-sable Surface Insulation) utilizadasen las diferentes configuracionesdel transbordador espacial.

Las losetas rígidas son similares alas mantas aislantes, ya que tam-bién están fabricadas a partir defibras ligeras de baja conductividadtérmica. Sin embargo, son más rígi-das y más resistentes a las cargasaerodinámicas debido a los dife-rentes tratamientos de procesado yrevestimiento a los que se vensometidas. Son modulares y pue-den ser reemplazadas individual-

La selección de la estrategia y materiales a utilizar es un compromiso entre forma y tamaño del vehículo, requerimientos térmicos y velocidad y precisión requeridos

¬ Escudo térmico de la cápsula ARD antes del lanzamiento, durante la reentrada (en interpretación artística) y tras la reentrada y recuperación. ESA

FYS nº18 ret:Revista FYS nº15 OK 7/11/07 19:14 Página 45

Física y sociedad46 Revista del Colegio Oficial de Físicos

Garbiñe Atxaga Genbeltzu y Begoña Canflanca GarmendiaVolver del espacio. El desarrollo de materiales para la reentrada en la atmósfera

reportaje

Revista del Colegio Oficial de Físicos

mente. Debido a su rigidez y bajocoeficiente de expansión térmica,su uso conlleva la utilización de sis-temas de absorción de deformacio-nes producidas por diferencias enel coeficiente de expansión desubstratos metálicos de mayor coe-ficiente de expansión presentes enla estructura. Su comportamientoes excelente en ambientes con car-gas acústicas extremas y alto cho-que térmico. Al igual que las man-tas térmicas, también deben serimpermeabilizadas. Son de estetipo los LRSI (Low Temperatura Reu-sable Surface Insulation), HRSI (HighTemperatura Reusable Surface Insu-lation) y FRCI (Fibrous RefractoryComposite Insulation) utilizados enlos diferentes transbordadoresespaciales estadounidenses y laslosetas fabricadas con fibra decuarzo TZMK-10 y TZMK-25 del vehí-culo reutilizable ruso Buran.

Como dato curioso, cabe desta-car que la configuración actualdel TPS del transbordador espa-cial cuenta con 24.300 losetas y2.300 mantas.

Estructuras calientesTienen la capacidad de soportar car-gas aerodinámicas a altas tempera-turas. Normalmente van acompa-ñadas de un aislante térmico paraproteger el interior. A continuaciónse describen los materiales utiliza-dos como estructuras calientes enla actualidad:

Composites carbono – carbono:Fibra de carbono en matriz de car-bono. Se trata de un materialexcelente para aplicacionesestructurales a alta temperaturadonde además se requiere buencomportamiento al choque tér-mico y bajo coeficiente de expan-sión. Se utiliza por ejemplo en elborde de ataque de las alas y elcono del morro en el trasbordadorespacial estadounidense. Losprincipales inconvenientes deeste material son su pobre resis-tencia a la oxidación (para mejo-rar este aspecto, se suelen aplicarrecubrimientos) y su baja resis-tencia al impacto.

Composites de matriz cerámica(CMC): En esta categoría seincluye el carburo de silicio refor-zado con carbono (C/SiC) quecombina la alta resistencia y rigi-dez del carbono con una matrizmás resistente a la oxidación.Este tipo de material es capaz desoportar las más altas solicita-ciones termo-mecánicas a tem-peraturas superiores a 1.100 ºC. Eldesarrollo de este tipo de mate-riales en Europa ha sido soporta-do extensivamente durante losúltimos 15 años mediante dife-rentes programas de la AgenciaEspacial Europea a través de loscuales se han diseñado, desarro-llado, fabricado y ensayado diver-sidad de componentes y concep-tos.

Desarrollos actuales y futuros en EuropaEl sistema de protección térmica hasido, es y será un aspecto crítico delos vehículos espaciales. Por tanto,las tecnologías y materiales utiliza-dos están en continuo desarrollo.

Los vehículos de entrada/reentra-da del futuro requerirán nuevosSistemas de Protección Térmicamás avanzados y con mejoresprestaciones que ofrezcan mayo-res garantías (fiabilidad), permitanmisiones de vuelo y condiciones deentrada/reentrada más exigentes(vehículos de exploración lunar ovuelos tripulados a Marte), seanmás robustos y además permitanconseguir el ambicioso objetivo dereducir los costes de lanzamientoal espacio en, al menos, un ordende magnitud. Estos TPS deberántrabajar en mayores límites detemperaturas, pero también debe-rán presentar durabilidad, ligerezay competitividad en costes con lasactuales soluciones.

Los desarrollos que se están lle-vando a cabo en Europa en laactualidad están orientados enlas siguientes líneas dentro delárea de materiales reutilizables:

Cerámicas de Ultra Alta Tempera-tura (UHTC). Los UHTC son mate-riales de la familia de cerámicascon temperaturas de fusión extre-madamente alta (3.025-3.225 ºC),con buena resistencia a la oxida-ción en las condiciones de la reen-trada, y una buena resistencia alchoque térmico para una cerámicamonolítica. Estos materialesmuestran un potencial para usar-los como estructuras calientes enlos bordes «afilados» de los futurosvehículos de reentrada, que ofre-cen ventajas en rendimiento aero-

El sistema de protección térmica es un aspecto crítico de los vehículos espaciales

¬ Localización (flecha azul) de la mantatipo AFSRI en el transbordador Atlantis.NASA

FYS nº18 ret:Revista FYS nº15 OK 7/11/07 19:14 Página 46

47Revista del Colegio Oficial de Físicos

Garbiñe Atxaga Genbeltzu y Begoña Canflanca GarmendiaVolver del espacio. El desarrollo de materiales para la reentrada en la atmósfera

reportaje

Física y sociedadRevista del Colegio Oficial de Físicos

dinámico sobre los actuales bordes«desafilados» y mayor seguridadpara la tripulación. Los materialesque se están investigando inclu-yen compuestos dentro de otrascomposiciones HfB2/SiC y ZrB2/SiC.

Metales: Se está trabajando funda-mentalmente con las siguientesdos categorías de metales: Endure-cidos por Dispersión de Oxidos(ODS, Oxide Dispersed Strengthened)base Ni (PM1000, PM2000) y alumi-nuros de titanio. Los primeros pue-den operar hasta un rango de tem-peraturas cercano a 1.100 ºC, frentea los 850 ºC de los intermetálicos.Sin embargo existe un gran interésen el desarrollo de TPS basados enaluminuros de titanio debido a suligereza, buena resistencia a la oxi-dación y propiedades mecánicas.

Aislantes Flexibles FEI (Flexible Exter-nal insulation): A través de progra-mas como Hermes y ARD se ha pro-bado con éxito esta manta fabricadaa partir de fibras de sílice y muy simi-lar a las AFSRI estadounidenses.

Desarrollos de INASMET-Tecnalia Integrado en la Corporación Tec-nológica TECNALIA, INASMET-Tec-nalia es un centro tecnológico pri-vado y sin ánimo de lucro al servi-cio del tejido productivo e institu-cional. El centro cuenta con unaplantilla de 240 especialistas quedesarrolla sus actividades en lassiguientes áreas de conocimiento:

· Materiales y sus procesos (mate-

riales metálicos y materiales com-puestos de matriz metálica, plás-ticos y materiales compuestos dematriz orgánica, cerámicas y pul-vimetalurgia, tecnologías deunión y de superficies.

· Tecnologías químicas y medioambiente (ej. minimización, reci-claje / recuperación y tratamientode residuos, minimización y trata-miento de efluentes, valoraciónenergética de residuos, caracteri-zación y análisis de residuos yefluentes líquidos y gaseosos).

· Ensayos y caracterización demateriales (incluyendo servi-cios tecnológicos a empresas)

· Ingeniería de producto.

Durante los últimos años, la Uni-dad Aeroespacial de INASMET-Tec-nalia ha llevado a cabo una impor-tante labor de especialización en eldesarrollo de nuevos materialespara aplicaciones a elevadas tem-peraturas a través de diversos pro-yectos financiados por la AgenciaEspacial Europea y programasnacionales. Los principales estu-dios en este ámbito se resumen acontinuación:

· Desarrollo de materiales decambio de fase para el controlde la temperatura en TPS inteli-gentes (SMART TPS)

· Desarrollo de aleaciones ligerasg-TiAl mediante la técnica SHS ycaracterización de diversas alea-ciones de esta familia (IMPRESS,FESTIP, TRP)

· Desarrollo del aluminuro de tita-nio ortorrómbico reforzado confibras de SiC por el método MCF(Matrix Coated Fibre) (TRP).

· Desarrollo de aluminuro detitanio ortorrómbico para TPS(EXPERT, FLPP).

El principal objetivo de la cápsulaEXPERT, primariamente un demos-trador de tecnología, es el «volarproblemas aerotermodinámicoscríticos», es decir, estudiar proble-

mas de aerotermodinámica y vali-dar nuevos conceptos de TPS encondiciones reales de reentrada,dado que todos los sistemas des-arrollados para simular dichas con-diciones en tierra (túneles de vien-to) no consiguen reproducir contotal fiabilidad las condiciones quese dan en el evento de una reentra-da. El lanzamiento de la cápsulaEXPERT se hará desde un submari-no ruso, teniendo lugar el aterriza-je en la península de Kamchatka.

El intermetálico ortorrómbico quese pretende validar en vuelo en elEXPERT (Ti2AlNb) es un materialligero que combina unas excepcio-nales propiedades mecánicas, talescomo la resistencia a la tracción y lafluencia a alta temperatura. Laspropiedades termo-físicas de estematerial son muy prometedoras yes idóneo para aplicaciones dondela conductividad térmica debeestar limitada, o donde la expan-sión térmica puede generar proble-mas de cargas mecánicas, como esel caso de los sistemas de protec-ción térmica y «estructuras calien-tes» de vehículos espaciales.

El experimento de INASMET-Tec-nalia consta de una placa planaque se amarra a la estructura prin-cipal del EXPERT por medio de 4soportes. La loseta se colocaráencima del aislamiento flexibleexterno (Flexible External Insula-tion, FEI) que el EXPERT tiene en subase, asegurando de esta manerala funcionalidad de protección tér-mica. Tanto la loseta como lossoportes y tornillos de uniónsoporte-loseta se fabricarán dematerial intermetálico.

Garbiñe Atxaga, ingeniera industrial, yBegoña Canflanca, química, trabajandesde 1997 en el sector aeroespacial.Actualmente investigan en la UnidadAeroespacial de INASMET en el des-arrollo de materiales para elevadastemperaturas y de altas prestaciones.

¬ Prototipo de TPS metálico desarrollado enEE.UU. con aleaciones base Ni. NASA

FYS nº18 ret:Revista FYS nº15 OK 7/11/07 19:14 Página 47