Um carbono aberto

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13135 (2023) Citar este artigo

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As missões de exploração espacial dependem de escudos térmicos ablativos para a proteção térmica de espaçonaves durante voos de entrada na atmosfera. Embora seja necessária investigação dedicada para missões futuras, a comunidade científica tem acesso limitado a materiais ablativos normalmente utilizados na indústria aeroespacial. Neste artigo, relatamos o desenvolvimento do HEFDiG Ablation-Research Laboratory Experiment Material (HARLEM), um ablador carbono-fenólico projetado para suprir a necessidade de materiais ablativos em experimentos de laboratório. HARLEM é fabricado utilizando pré-formas de fibra de carbono à base de poliacrilonitrila e uma rota de processamento simplificada para impregnação fenólica. Caracterizamos o desempenho da proteção térmica do HARLEM em experimentos de jato de arco conduzidos no túnel de vento de plasma PWK1 do Instituto de Sistemas Espaciais da Universidade de Stuttgart. Avaliamos o desempenho do novo material medindo a taxa de recessão superficial e a temperatura usando configurações de fotogrametria e termografia durante os experimentos, respectivamente. Nossos resultados mostram que o desempenho da proteção térmica do HARLEM é comparável aos abladores carbono-fenólicos legados que foram validados em diferentes instalações de jato de arco ou em voo, conforme demonstrado pelos cálculos do calor efetivo de ablação e microscopia eletrônica de varredura de amostras produzidas. A fabricação interna de abladores carbono-fenólicos permite a adição de diagnósticos integrados aos abladores, permitindo a aquisição de dados sobre pressão interna e técnicas de análise de pirólise mais sofisticadas.

As espaçonaves que entram em atmosferas planetárias experimentam altas cargas aerotérmicas e requerem sistemas de proteção térmica dedicados1,2. A velocidades de entrada superiores a 11 km/s, os escudos térmicos ablativos são normalmente utilizados para proteção térmica devido aos fluxos de calor extremos que as naves espaciais têm de suportar3. Uma compreensão profunda dos mecanismos combinados sob o termo ablação e de como eles impactam o desempenho dos escudos térmicos é fundamental para otimizar os sistemas de proteção térmica e reduzir os riscos envolvidos nas missões espaciais mais desafiadoras.

Os abladores carbono-fenólicos são os materiais ablativos de última geração e têm sido frequentemente escolhidos para sistemas de proteção térmica em missões de descoberta3. São capazes de dissipar grandes quantidades de calor por ablação e, devido ao seu alto teor de carbono, por reemissão de radiação4,5. Para avaliar o desempenho de materiais ablativos e estudar sua complexa interação com fluxos de alta entalpia, os pesquisadores replicam as condições de entrada atmosférica em túneis de vento de plasma. Os dados gerados nesses experimentos são cruciais para validar modelos numéricos, que são então usados ​​para projetar e otimizar materiais de proteção térmica. No entanto, a obtenção de parâmetros precisos de materiais durante um experimento continua sendo um desafio, especialmente quando se analisam processos internos, exigindo equipamentos de diagnóstico especializados. Para melhorar a qualidade da investigação, são necessários dados materiais mais fundamentais e novas técnicas de diagnóstico que possam medir parâmetros anteriormente inacessíveis.

As técnicas de diagnóstico muitas vezes requerem a produção de materiais e a implementação de instrumentos, o que pode ser difícil de replicar. Além disso, os métodos de processamento utilizados para fabricar abladores convencionais normalmente não são divulgados na literatura aberta, uma vez que são frequentemente proprietários e propriedade de empresas ou agências governamentais. Por exemplo, relatos que descrevem o desenvolvimento do ablador carbono-fenólico PICA6,7,8 não permitem sua reprodução, mesmo que o método tenha sido patenteado9,10. Outros abladores carbono-fenólicos, incluindo ASTERM, AQ61 e ZURAM11, bem como outras variações de abladores, como AVCOAT, Cork P50, MA-25S, MonA, SLA-561 e ACUSIL são materiais proprietários de propriedade de várias organizações, incluindo a NASA Ames Research Center, o Centro Aeroespacial Alemão, Airbus SE, Amorim Cork Composites, Textron Inc., Peraton Inc. e Lockheed Martin Corp. Como resultado, a capacidade da comunidade científica para estudar estes materiais é limitada, o que pode dificultar o desenvolvimento de sistemas avançados de proteção térmica para missões de exploração espacial.