I sistemi di protezione termica (TPS) sono componenti vitali che proteggono i veicoli spaziali dal calore estremo generato durante il rientro atmosferico.
I TPS sono stati una delle discipline fondamentali dell’esplorazione spaziale fin dagli albori, e decenni di ricerca e sviluppo hanno accumulato una vasta gamma di opzioni per gestire diversi profili di rientro, configurazioni dei veicoli, atmosfere e vincoli di lancio.
Alcuni TPS storici non sono più utilizzabili, ad esempio il carbonio fenolico. Questo composito a matrice fenolica ad alta temperatura è stato utilizzato per la sonda Galileo che è entrata nell’atmosfera superiore di Giove, il caso d’uso del TPS più impegnativo dal punto di vista fisico finora. Tuttavia, a causa della cessazione della produzione di fibre di rayon (un input chiave per il carbonio fenolico), questo scudo termico non è più un’opzione praticabile per le missioni.
Una tecnologia considerata un possibile progresso nel campo dei TPS sono i materiali tessuti 3D, come esplorato nel rapporto di IDTechEx ” Heat Shields & Thermal Protection Systems for Spacecraft 2025-2035: Technologies and Market Outlook” . Questo rapporto di ricerca granulare approfondisce la disciplina dei TPS, esaminando le opzioni attuali, storiche ed emergenti per i TPS, oltre ad analizzare la natura mutevole del settore spaziale e il suo impatto sui requisiti e sullo sviluppo dei materiali.
Cosa sono i TPS tessuti in 3D?
Il TPS tessuto 3D utilizza il posizionamento preciso delle fibre di filato (carbonio o quarzo) in combinazione con lo stampaggio in resina per offrire una maggiore resistenza alla delaminazione, e ablatori che possono avere densità variabile e strati funzionali distinti. Possono anche essere rigidi o flessibili, a seconda dei requisiti di progettazione. Ciò richiede tecniche di produzione tessile avanzate, ma le trame risultanti si sono già dimostrate in grado di affrontare condizioni di rientro difficili.
HEEET (Heatshield for Extreme Entry Environment Technology) è stato un programma dimostrativo tecnologico condotto dalla NASA che ha interconnesso meccanicamente uno strato esterno di tessuto in fibra di carbonio ad alta densità con uno strato isolante interno in filato fenolico misto carbonio-carbonio. Il materiale intrecciato è stato infuso con una resina fenolica, progettata per “ablazione” durante il rientro atmosferico. Grazie a questo esclusivo processo di tessitura, la NASA è stata in grado di ridurre la massa dello scudo termico del 40%, riducendo al minimo la massa al lancio, un parametro essenziale per massimizzare il carico utile.
I cuscinetti di compressione 3D intrecciati vengono utilizzati per la prima volta in volo sull’Orion
Il TPS è spesso un materiale meccanicamente fragile e a bassa densità. Questo è solitamente vantaggioso, poiché una minore densità significa che è possibile caricare più carico utile sul velivolo. Tuttavia, ci sono alcuni punti strutturali chiave in cui il TPS deve essere anche eccezionalmente resistente, ad esempio i pad che fungono da interfaccia tra il modulo equipaggio e il modulo di servizio.
Il TPS utilizzato in questa fase deve sopportare i carichi strutturali generati durante il lancio e il funzionamento, oltre a svolgere la funzione di TPS durante il rientro. La NASA ha scelto di utilizzare un TPS in tessuto 3D per le sue notevoli capacità strutturali e la capacità di resistere a un elevato riscaldamento aerotermico. Il 3D MAT (Multifunctional Ablative Thermal Protection System) è stato costruito e progettato appositamente per Orion, che riporterà gli esseri umani sulla superficie lunare nell’ambito del programma Artemis.
I tessuti 3D presentano sfide di produzione e competono con una varietà di altre opzioni TPS
Sebbene il TPS intrecciato offra una vasta gamma di interessanti vantaggi, la sua produzione è in qualche modo limitata dalle dimensioni del telaio e realizzare scudi termici a grandezza naturale è una sfida che attualmente richiede l’unione di diverse piastrelle, con la progettazione di un riempitivo adeguato che rappresenta un ostacolo fondamentale.
Il rapporto di IDTechEx “ Heat Shields & Thermal Protection Systems for Spacecraft 2025-2035: Technologies and Market Outlook ” copre una varietà di opzioni TPS e illustra la natura mutevole del settore, evidenziando come diversi materiali si adattino a diversi casi d’uso. Il rapporto esamina i tessuti 3D nel contesto dei sistemi ablativi, oltre ad analizzare i sistemi non ablativi basati su piastrelle e altre tecnologie innovative, come gli scudi termici gonfiabili.
Per maggiori informazioni su questo rapporto, comprese le pagine di esempio scaricabili, visitare www.IDTechEx.com/TPSSpacecraft.
