Scudo ibrido ablativo/ceramico per il rientro nell’atmosfera
Per le missioni che riguardano il ritorno di un campione verso la Terra o l’ingresso nell’atmosfera di un pianeta gigante gassoso come Giove, i carichi termici sono di gran lunga superiori a quelli incontrati durante il rientro dall’orbita terrestre bassa. Tali missioni sono generalmente difficili da realizzare e particolarmente dipendenti dalla quantità di peso del veicolo spaziale. I materiali ablativi progettati per bruciare in modo controllato costituiscono una soluzione promettente per i veicoli di rientro nell’atmosfera. Tuttavia, l’Europa ha condotto una ricerca minima su tali materiali a partire dagli anni 1980. Oggi, lo sviluppo è visto come una componente importante al fine di ridurre la dipendenza da altri paesi per la tecnologia spaziale critica. In questo contesto, i ricercatori finanziati dall’UE hanno lanciato il progetto HYDRA (Hybrid ablative development for re-entry in planetary atmospheric thermal protection). L’obiettivo era quello di sviluppare un TPS innovativo basato sulla combinazione di materiali ablativi e riutilizzabili con prestazioni superiori rispetto ai materiali tradizionali in carbonio fenolico. Il nuovo sistema integra uno scudo esterno ablativo con maggiore resistenza al calore grazie a telai leggeri con massa ridotta e prestazioni termo-strutturali in materiale composito a matrice ceramica (CMC). Questo design ibrido promette migliore resistenza alla corrosione e protezione termica, come anche un migliore assorbimento agli urti e una tolleranza ai danni superiore. I ricercatori HYDRA hanno scelto le missioni di rientro nella Terra come punto di partenza per lo sviluppo delle specifiche per l’ibrido TPS. Una matrice con materiali ablativi allo stato dell’arte è stata costruita nel rispetto dei criteri di trade-off selezionati tra le specifiche più rilevanti, con particolare attenzione alle norme ITAR (International Traffic in Arms Regulations) del governo degli Stati Uniti. Il team ha scelto due materiali diversi per lo scudo termico: il primo riguarda il carbonio grafite impregnato con una resina fenolica e il secondo è un materiale composito avanzato a base di sughero. Inoltre sono stati selezionati dei compositi CMC. A seguito di uno screening preliminare di tutti i materiali, i materiali selezionati sono stati ampiamente testati per caratterizzare il loro comportamento in relazione a shock termici, condizioni estreme di ossidazione e vibrazioni. Inoltre, i ricercatori hanno sviluppato modelli teorici in aiuto alla progettazione dello scudo termico per un veicolo di rientro nell’atmosfera avente la forma della navicella Apollo. Ciò si basa non solo sul doppio strato superiore, ma anche su un isolante che disaccoppia a livello termico la sottostruttura dal TPS ibrido. Questo concetto ha dimostrato un guadagno quasi pari al 40 % in termini di massa rispetto al solo sistema tradizionale con materiale ablatore. Il sistema ibrido sviluppato e maturato durante il progetto di HYDRA consentirà un’importante riduzione della massa e un aumento nei limiti di temperatura. Si prevede di affrontare le sfide delle missioni spaziali future alleviando il settore spaziale europeo dalla dipendenza relativa alle tecnologie spaziali di origine estera.
Parole chiave
Rientro nell’atmosfera, sistemi di protezione termica, materiali ablativi, materiali compositi a matrice ceramica, settore spaziale
