Download Efectos termicos y materiales de uso espacial

Cátedra
Materiales Aeronáuticos
Efectos térmicos/Diseño Térmico
Materiales de uso espacial /
Universidad Nacional de La Plata
Facultad de Ingeniería
Departamento de Aeronáutica
Efectos térmicos
Se los debe tener en cuenta en la selección de un material para un componente que
será expuesto a elevadas o bajas temperaturas, grandes cambios de temperatura, o
gradientes térmicos
Se necesita de un estudio de la respuesta de dicho material ante estas condiciones,
esto se debe a que la gran mayoría de las propiedades mecánicas cambiarán con la
temperatura.
Dentro de las propiedades más utilizadas se encuentran el calor específico, la
expansión térmica, el punto de fusión y la conductividad térmica.
Efectos térmicos: Calor Específico
El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que
hay que suministrar a la unidad de masa de un material para elevar su temperatura en
una unidad.
Incorporación de calor a un sólido
Vibración Térmica (Energía cinética)
Incremento de temperatura
Calor Específico Medio
Efectos térmicos: Coeficiente de Expansión Térmica
Se lo define a la tasa de cambio de la deformación respecto de la temperatura.
Dimensiones físicas de un cristal está
definida por la separación entre átomos
Coeficiente de
expansión térmica lineal
Incremento de la temperatura
Aumento en la energía térmica
Expansión térmica
Coeficiente de expansión
térmica volumétrico
Aumento en las
dimensiones de la pieza
Efectos térmicos: Punto de fusión
Es la temperatura a la cual se encuentra el equilibrio de fases sólido-líquido, la
materia pasa de estado sólido a líquido.
Adición de calor a un sólido
La temperatura a la cual
comienza la fusión depende del
vinculo interatómico del material
Aumento en la energía térmica
Átomos vibran en su posición
de equilibrio
Si se sigue aumentando el calor
Cristales: punto
de fusión definido
Reversible!!
Sólidos amorfos:
Fusión gradual
Irreversible!!
Los átomos son separados
de su posición de equilibro
Efectos térmicos: Conductividad térmica
Es la propiedad de los materiales que mide la capacidad de conducir calor.
Adición de calor a un sólido
Aumento en la energía térmica
Átomos vibran en su posición
de equilibrio (aumento de
energía cinética)
Transferencia de energía
por electrones libres
Se trasladan de zonas
caliente a zonas frías
Intercambio de energía cinética
Efectos térmicos: Conductividad térmica
Transferencia de calor por conductividad térmica:
Kt: Coeficiente de conductividad térmica
A: Área transversal al flujo de calor
(-): El calor fluye en la dirección del
gradiente negativo.
Efectos térmicos: Tensiones Térmicas
Tensiones que aparecen por la restricción de la expansión térmica:
•Dos materiales diferentes conectados entre sí.
•Expansión no uniforme en un cuerpo
Factores determinantes:
•Calor específico (c).
•Conductividad térmica (Kt).
Difusividad Térmica
Kt/ρ.c
Alto calor específico
Alto calentamiento local
Alto gradiente térmico
Altas tensiones térmicas
Alta Conductividad
Alto transporte de calor
Bajo gradiente térmico
Bajas tensiones térmicas
Efectos térmicos: Tensiones Térmicas
Ejemplos:
Se calienta la superficie
de un material frio
Superficie no puede expandirse
Queda con tensiones
de compresión
Material Dúctil
Fluencia
Material Frágil
Falla a 45°
Alivio de tensiones
Se enfría la superficie de
un material caliente
Superficie no puede contraerse
Queda con tensiones
de tracción
Material Ductil
Fluencia
Material Frágil
Falla a 45°
Alivio de tensiones
Efectos térmicos: Tensiones Térmicas
Ejemplos:
Templado de vidrios.
Efectos térmicos: Shock térmico
Es el efecto que se produce a consecuencia de un brusco cambio en la
temperatura de un material
Difusividad Térmica
Kt/ρ.c
Parámetro de Shock Térmico (SCHOTT - WINKELMANN)
FACTOR INDICATIVO!!
α = coeficiente de expansión térmica
E = módulo de elasticidad
σu = resistencia mecánica
ρ = densidad del material
c = calor específico
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Misiones espaciales
Comunicaciones
Perspectiva Gobal
Navegación
Clima
Vigilancia
Atmósfera
Ambientales
Observaciones científicas
en todas las longitudes de onda
Materiales en el espacio
Industrialización espacial
Recursos
abundantes
Exploración de asteroides
Satélites de energía solar
Exploración
espacial
Exploración de la Luna, Marte y otros planetas
Pruebas científicas
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Secuencia típica de una misión
 Definición de requerimientos






Diseño conceptual
Diseño preliminar (PDR)
Diseño de detalle (CDR)
Fabricación de subsistemas
Integración y ensayos
Integración al vehículo de
lanzamiento
 Lanzamiento
 Verificación en órbita
 Operación
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Sub-sistemas que conforman un satélite
 Guiado, navegación y Control
 Comando y manejo de información
 Comunicaciones
 Eléctrico
 Control Térmico
 Estructuras y mecanismos
 Propulsión
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Fenómenos influyentes en el diseño satelital y en la
selección de materiales espaciales
 Cargas estructurales y vibraciones en el despegue
 Temperatura
 Presencia de micro-meteoritos
y basura espacial
 Fenómenos electromagnéticos
 Desgase (TML<1%, CVCM<0,1%)
Outgassing.nasa.gov
16
Objetivos del Control Térmico
“Mantener todos los componentes dentro del rango de
temperaturas admisibles para todos los modos de operación, en
todos los ambientes térmicos durante toda la vida del satélite”.
Otros objetivos:
 Gradientes máximos (dT/dx)
 Estabilidad (dT/dt)
Instrumentos
ópticos,
AFT´s
Componente
T min.
T máx. [ºC]
tanques
de[ºC]
comb.
-30
Electrónica
-5
Baterias
-100
Mecanismoscámaras.
Electrónica,
10
Combustible
50
25
80
40
17
El CT trabaja sobre la transferencia de calor para lograr estos
objetivos.
Radiación
Conducción
Control Térmico Pasivo: Económico y confiable.
Control Térmico Activo: Condiciones más críticas (rango de T
pequeño, necesidad de precisión, necesidad de evacuar altas
potencias).
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Esquema conceptual Control Térmico
Parámetros de misión
Ambientes de lanzamiento y espacial
Modelos matemáticos
Materiales
Órbita
Condiciones de borde
Actitud
Análisis estacionarios
Requerimientos
Análisis transitorios
Potencias disipadas
Casos fríos (EBOL)
Temperaturas
Gradientes de temperatura
Casos calientes (EOL)
Modelos reducidos
Estabilidad de temperatura
Modelos detallados
Control térmico
Pasivo
Activo
Ensayos
Ensayos de desarrollo
Vacío térmico
Ciclado térmico
Balance térmico
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Ambiente espacial
 Flujo Solar
 Albedo terrestre
 IR terrestre
 Partículas cargadas
 Espacio (Tespacio=4K)
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Flujo Solar
 1322 / 1414 W/m2
Órbita elíptica
Ciclo solar
 Constante Solar
SC: 1362 W/m2
 Espectro solar:
7% UV
46% Visible
47% IR
21
Albedo Terrestre
 Variable con la latitud, la superficie terrestre y las condiciones
atmosféricas.
 Factor de albedo promedio: 0,33
Superficie Factor de albedo
Océanos
0,05
Desiertos
0,3
Nubes
0,6
Nieve
0,8
22
IR Terrestre
 Se puede aproximar como la energía de un cuerpo negro a 255K
~ 240 W/m2.
 Función de T local
y presencia de nubes
Valores máximos en regiones
tropicales y desiertos
23
Transferencia por radiación
 Principalmente es el “nexo” entre el satélite y el “sumidero”
(Tespacio=4K).
Simplificación principal en el control térmico:
Visible (solar)
α (Flujo solar y albedo)
IR
ε (Flujo IR terrestre + Qespacio)
 Factor de vista: Fracción de la radiación difusa uniforme emitida
por una superficie isotérmica que incide directamente sobre otra.
 Intercambio entre dos superficies:
qij
GRij
GRij Ti
4
Tj
f Ai ; A j ; Bij ; i ;
4
j
24
Transferencia por conducción
 “Se realiza dentro del satélite, tanto para evacuar el calor hacia
los radiadores como para equilibrar temperaturas”.
Qij
 En un material: Rij
GLij Ti T j
l
Ai k
Ti T j
Rij
k es función de T, pero se considera cte. en
el rango normal de trabajo de los componentes.
k materiales anisotrópicos.
1
 En una interfase entre dos materiales: Rij
Ai hc
hc hc (Pr esión, materiales, material_ int erfase; rugosidad, etc.)
25
Hardware de Control Térmico
Pasivos
Activos
Materiales estructurales
Calefacción con heaters
Materiales de interfase
Heat Pipes
Pegamentos
Sistemas de refrig. con bombas
Sujeciones estructurales
Celdas Peltier
Straps
Louvers
Terminaciones superficiales
(radiadores)
Mantas de MLI
Materiales de cambio de fase
 Requisitos preliminares:
Rango de temperaturas
Desgase
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MLI (Multilayer Insulation)
 Aísla térmicamente al satélite del entorno.
 Protección contra partículas.
 La elección de la capa externa es crítica.
 Desgase,
cond. eléctrica,
tipos de sujeción.
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Terminaciones superficiales
 Empleo dentro (uniform. temperaturas) y fuera del satélite
(radiadores).
 Parámetros de diseño:
absortividad α y emisividad ε
 Restricciones:
Degradación,
conductividad eléctrica
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Terminaciones superficiales
Categoría
Ejemplos
α/ε
Uso
Reflectores solares
Pinturas blancas / Silv. teflon
0,2 / 0,85 Radiadores
Reflectores planos
Pinturas aluminizadas
0,1 / 0,2
Absorbedores planos
Pinturas negras
0,95 / 0,9 Interc. por rad. interna
Absorbedores solares Maxorb / TiNOX
09 / 0,1
Comp. internos sensibles
(tanques de comb.)
Misiones ambientes fríos
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Radiadores
 Función: Expulsar el calor generado por los componentes hacia el
espacio.
Pinturas blancas
ε
α
Espejos de segunda superficie
Teflon plateado
Q
A. . .T 4 rad
 Factores que afectan las
propiedades ópticas:
UV
Partículas cargadas
Desgase
α aumenta durante
la vida del satélite
30
Materiales estructurales
 Parámetros de interés desde el punto de vista térmico:
Conductividad térmica [W/m.K]
Densidad [kg/m3]
Masa [kg]
Calor específico [J/kg.K]
Ci
dTi
dt
GRij T j4 Ti 4
Qi
Material
Al 6061 T6
Masa Térmica [J/K]
j
GLij T j Ti
j
k [W/m.K] ρ [kg/m3] CP [J/kg.K]
Uso
167
2700
896
Estructuras
40 / 2
1800
800
Estructuras
Aleaciones de Titanio
7
4480
550
Sujeciones
Acero inox.
16
7800
500
Sujeciones
Fibra de vidrio / Epoxy (G10)
0,36
1700
1400
Sujeciones
Fibra de Carbono / Epoxy
31
Materiales de interfase / Pegamentos
Rij
hc
1
Ai hc
hc (Pr esión, materiales, material_ int erfase; rugosidad, etc.)
 Contacto seco: hc
W
100
K .m 2
 Mejoradores de contacto (TIM): hc
W
450 / 5000
K .m2
32
Sujeciones estructurales / Straps
 Las sujeciones estructurales representan caminos térmicos de
conducción, a veces útiles y a veces negativos.
RSUJECION _ EQUIVALENTE
33
Heaters
 Así como los radiadores se emplean y dimensionan para la
condición mas caliente (Caso Caliente), los heaters se emplean
para mantener a los componentes por encima de la temperatura
mínima admisible (Operativa y No operativa).
Línea Operativa
Línea No Operativa
 Control
Termostatos mecánicos
Sensores
Remoto desde Tierra
34
Heaters
Densidad de potencia [W/cm2]
 Termostatos
mecánicos:
Rango de operación: Ton / Toff
P consumida Vs. Nº Ciclos
35
Heat Pipes
Se emplean para vincular térmicamente zonas de manera muy
eficiente.
Evacuar calor de componentes a radiadores.
 Ingravidez
Fenómeno de capilaridad
 Ventaja: Altísima transferencia con baja masa
 Desventaja: Difícil de ensayar en Tierra
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Heat Pipes
 Fluido de transporte:
Altos valores de
calor latente
Alta transferencia de energía
con poco fluido
Selección del fluido es función de las temperaturas esperadas
 Tipos de Heat Pipes
Conductancia Constante
Tipo Diodo
Conductancia Variable
37
Heat Pipes
Conductancia
Variable
Diodo
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Louvers (persianas)
 Tienen como función optimizar la potencia disipada al espacio
para distintos estados operativos de los componentes.
 Presentan una cara con alta y otra con baja emisividad
 Variación de potencia disipada en el orden de 6 a 1
 Normalmente se accionan
mediante un resorte torsional
bimetálico.
39
Análisis Térmico
 Primero se realizan cálculos analíticos preliminares considerando
pocos nodos.
dTi
Ci
dt
dTi
Ci
dt
Qi
0
Análisis estacionario
GRij T j4 Ti 4
j
GLij T j Ti
j
40
Análisis Térmico
GMM (Modelo Geométrico Matemático)
Propiedades ópticas
Órbita y parámetros ambientales
Acoples radiantes
Flujos ambientales
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Análisis Térmico
TMM (Modelo Térmico Matemático)
 Red de nodos (conductancias, capacitancias).
 FEM, FDM.
 Ajuste de parámetros de modelo mediante ensayos.
 Análisis de casos (escenarios) dimensionantes:
Casos Fríos (Prop. BOL, flujos amb. mín., potencias OFF)
Casos Calientes (Prop. EOL, flujos amb. máx., potencias ON)
 Los márgenes se reducen a medida que se avanza con el
proyecto.
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Control Térmico. Conclusiones
 Busca mantener los componentes dentro de las AFT´s,
interviniendo los caminos térmicos (conducción y radiación).
 Esto lo logra mediante el uso de hardware pasivo y activo.
 Se asegura las temperaturas buscadas en operación mediante el
dimensionamiento para casos críticos, el empleo de márgenes y la
realización de ensayos para los ajustes de modelos.
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Analogía sistemas eléctricos / mecánicos / térmicos
Variable /
Sistema
elemento
Eléctrico
Térmico
Mecánico
Potencial
V (tensión elect.)
ΔT
ε (deform. esp.)
i (corriente)
Q (flujo de calor)
σ (tensión)
R=V/i
R=ΔT/Q
1/E (E: Mod. elást.)
Capacit. elect.
Inercia térmica
Coef. de viscosidad
C.(dV/dt)=i
C(dT/dt)=Q (C=ρ.V.CP)
Ф.(dε/dt)=σ
Flujo
Resistencia
Capacitancia
Configuración General de un vehículo lanzador
Carga Paga: Satélite o Capsula (Tripulada o no tripulada)
2da Etapa
Interetapa
1er Etapa
Configuración General de un vehículo lanzador: Misión
Configuración General de un vehículo lanzador:
Condiciones de carga – Misión - Despegue
•Cargas de empuje de motores
•Vibración producida por los motores
•Cargas acústica
•Cargas de viento sobre la estructura del vehículo
•Cargas de gravedad
•Cargas térmicas en zonas de motores
Configuración General de un vehículo lanzador:
Condiciones de carga – Misión - Vuelo
•Cargas de empuje de motores
•Cargas aerodinámicas
•Corte y encendido de motores (MECO - SECO)
•Vibración producto de los motores
•Cargas térmicas
•Aceleraciones de vuelo
Configuración General de un vehículo lanzador:
Condiciones de carga – Misión - Vuelo
Configuración General de un vehículo lanzador:
Condiciones de carga – Misión – Separación de 1ra Etapa
Configuración General de un vehículo lanzador:
Condiciones de carga – Transporte y manipulación
•Cargas de gravedad
•Aceleraciones en el montaje
•Aceleraciones en transporte
Configuración General de un vehículo lanzador: Materiales
Utilizados - Metálicos
Configuración General de un vehículo lanzador: Materiales
Utilizados - Metálicos
Configuración General de un vehículo lanzador: Materiales
Utilizados - Compuestos
VENTAJAS
•Excelentes relaciones resistencia/peso
•Resistencia a la fatiga
•Resistencia a la corrosión
•Posibilidad de realizar formas
complejas
•CTE muy bajo
DESVENTAJAS
•Muy costosos
•Degradación de propiedades
mecánicas con temperatura
•Baja absorción de energía e impactos
•Gran influencia en el proceso de
fabricación.
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes - Cofia
Fibra de Carbono
(Pinturas aislantes térmicas)
Técnica utilizada: Infusión
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes - Cofia
Cubierta de material aislante
térmico
Uno de los aluminios más
utilizados es el 2219 T87
(Aleación aluminio- Litio)
por
sus
altas
características mecánicas
Aluminio – En lanzadores de
menores portes
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes - Estructura
Fibra de Carbono
Técnica utilizada:
Filament Winding
¡¡Las uniones necesitan insertos!!
Metálicos, Titanio
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes - Estructura
Aluminio, principalmente
2219 T87
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes - Estructura
Isogrid
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes – Tanques Estructurales
Aluminio, principalmente
2219 T87
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes – Tanques Estructurales – Fabricación
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes – Tanques Estructurales – Aislación
•Mantas
•Espumas
•Honeycomb
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes – Tanques Estructurales - Soldadura
Friction Stir Welding
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes – Tanques Estructurales - Soldadura
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes – Tanques No Estructurales
Aluminio, principalmente 2219 T87 o
Reforzados con Filament Winding
Zona conflictiva
Compatibilidad del compuesto con los combustibles
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes – Motores cohete
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes – Motores cohete
Principalmente Aceros resistentes a altas
temperaturas
Configuración General de un vehículo lanzador:
Componentes – Motores cohete-Aislación
Aislación:
Materiales Ablativos
Pinturas de Circonio