Gli studi sullo scudo termico della capsula Orion
Alcuni
dei più avanzati processi della tecnologia d'avanguardia nella nave spaziale Orion, aiutano a dissipare il calore
dello scudo di protezione di Orion,
vitale per gli esseri umani che un giorno potrebbero andare fino a Marte e ritornare.
La capsula Orion, nuovo veicolo spaziale di esplorazione della NASA, ha prodotto il suo primo test di
volo nel 2014. I fori sulla parte inferiore delle pastiglie di compressione sulla
navicella sono progettati per essere isolanti molto buoni e, strutturalmente anche
molto forti. Rilievi su questi
particolari saranno effettuati sul prossimo volo di prova, su un composito di
quarzo tessuto dalla società Nastro Bally Mills. Quando Orion lascia l'orbita terrestre e viaggia più in profondità nello
spazio, viaggia più veloce. Allo stesso modo, l’eccesso di velocità quando
ritorna, genera un enorme quantità di calore, appena impatta nella nostra
atmosfera e deve rallentare per un atterraggio sicuro. Una qualità questa sullo
scudo termico di Orione che si è
rivelata particolarmente impegnativa per gli ingegneri che lo hanno progettato:
deve essere un grande isolante, ma anche strutturalmente forte. "La
maggior parte dello scudo termico,
-spiega , Jay Feldman, responsabile
tecnico del Thermal Protection System 3D
multifunzione ablativo (3D-MAT)
all’Ames Research Center della NASA- è un materiale a bassa densità,
molto buono per isolare il calore. E’ il suo principale requisito, ma non si
tratta di un materiale molto resistente ". Vi sono punti attraverso la
superficie dello schermo termico che devono collegare la capsula
dell'equipaggio al suo modulo di servizio e, in ultima analisi, anche al razzo.
"In questi punti, -dice Feldman-
è necessario utilizzare un materiale molto forte, particolarmente robusto".
Le pastiglie chiamate di compressione,
sono punti di connessione a forma di disco, fatti di fibre di acciaio e
carbonio composito, utilizzati nel primo volo di prova di Orion a bassa orbita terrestre e, lanciato alla fine del 2014.
Purtroppo, - puntualizza Feldman- le
pastiglie hanno condotto parecchio calore. Si è rivelato solo un particolare
gestibile per quel primo test di volo, ma se la capsula deve andare più lontano
e con un ritorno più veloce produrrà più calore e, potrebbero pompare troppo
calore, all’interno del veicolo. "Per fortuna, Feldman e altri ingegneri di Ames sono già al lavoro con i partner
di società high-tech per la tessitura del nastro
Bally Mills, su materiale di schermatura-calore
di prossima generazione. Insieme, stanno sviluppando una fibra composita di
quarzo tridimensionale, tessuta utilizzando una navetta classica, ma in telai
aggiornati per l'era moderna. Questo materiale potrebbe essere perfetto per
le pastiglie di compressione da utilizzare sull’Orion
, perché a differenza delle pastiglie di compressione
precedenti, realizzati da stratificazione di materiali tessuti insieme bidimensionalmente,
il team di Ames ha registrato vantaggi nell'utilizzo di materiali compositi,
tessuti in modo tridimensionale. Quando le fibre vanno in tutte e tre le
direzioni, - spiega Feldman- il
tessuto è molto, molto forte, potendo anche personalizzare la composizione in
modo che abbia conduttività termica relativamente bassa."
Il
miglioramento tecnologico operato dalla Bally
Mills
Il nastro
Bally Mills, costruito a Bally,
Pennsylvania è partner naturale di questo progetto. Si tratta di un importante
produttore americano di tessuti tridimensionali high-tech e, con una lista di
clienti che comprende l’US Air Force, team di Formula Uno da corsa,
e aziende biomedicali. "Alla NASA,
siamo specializzati in un sacco di cose, - dice Ethiraj Venkatapathy, responsabile del progetto - e abbiamo un
sacco di conoscenze, ma non facciamo tessitura. La tessitura è un'arte
antica tale, e l'industria tessile è stata in questo settore molto più a lungo
di quanto abbia fatto la NASA
". Per mantenere a galla la compagnia e rimanere nel mondo degli affari,
in Pennsylvania, la Bally Mills ha iniziato a fare di più sulla conduzione dei più
piccoli, elementi personalizzati, come il progetto con la NASA. Con la ricerca interna Ames
e sviluppo, la NASA e la società produttrice del nastro Bally Mills hanno iniziato la
costruzione di prototipi di tessuto 3D, per sistemi di protezione termica.
Quando la società e la NASA hanno realizzato
la tecnologia che potrebbe risolvere i problemi di compressione sullo scudo di Orion e non solo, è giunto un finanziamento aggiuntivo con
modifiche del programma di sviluppo.
Schema per
il sistema Space System
Le pastiglie
di compressione sono attaccate dove il modulo
dell'equipaggio, si connette al modulo
di servizio. Il composito tessuto di quarzo 3D progettato da Bally Ribbon Mills e i ricercatori dell’Ames è molto più forte rispetto alle
composizioni 2D stratificati, utilizzati nel primo volo di prova. I tessuti
necessari alla NASA erano più spessi,-
spiega Curt Wilkinson anziano
ingegnere tessile- di quello che il nastro Bally
Mills aveva tessuto prima. Il limite di Bally era stato di disporre solo di uno spessore di due pollici,
per questo progetto ma è diventato necessario modificare e progettare
attrezzature speciali, al fine di raggiungere lo spessore di tre pollici. La
NASA ha voluto lo stesso numero di
fibre che vanno in tutte e tre le direzioni, per migliorare la resistenza alla
compressione. La collaborazione e il materiale risultante hanno generato robuste
convinzioni positive alla NASA .
I benefici
del nastro Bally Mills
Bally Ribbon Mills utilizza una tecnica chiamata tessitura ortogonale 3D, in cui
le fibre vanno in tre orientamenti perpendicolari e sono perfettamente diritte.
"E’ il tipo più forte della tessitura 3D, -dice Feldman-, che è possibile produrre". “I
fili sono fatti di quarzo, che è un ottimo isolante, -aggiunge Wilkinson- inoltre hanno ottime
proprietà dielettriche per la trasmissione di segnali elettrici attraverso di
essa. Il prodotto finale è come un mattone, -spiega infine Wilkinson- molte volte durante lo
sviluppo, non eravamo sicuri se si potessero davvero imballare il volume delle
fibre che stavamo producendo. Una volta che sono stati tessuti, i
blocchi sono inviati a un'altra società per essere infusi con resina che cura
di riempire i pori lasciati dalla tessitura, e poi sono levigati nella forma
finale”.
Il nastro Bally Mills utilizza processi di tessitura, creati migliaia di
anni fa, con alcuni aggiornamenti ad alta tecnologia, per la produzione di
materiali compositi moderni, ad alte prestazioni 3D che aiuteranno la NASA a inviare esseri umani e
ulteriormente, nel prossimo futuro, robot nel sistema solare. "Il
materiale può essere una struttura, - dice Venkatapathy-può
essere un sistema di protezione termica, può essere un ammortizzatore e, può
trasportare carichi. Insomma un ventaglio di disegni che tendono a
concentrarsi su una sola disciplina e che prevedono applicazioni ad ampio
raggio per il materiale e per il processo di progettazione. "Abbiamo
dimostrato che per una regione della capsula molto complicata, si è evoluta una
soluzione semplice a soddisfare il requisito. Siamo in grado di estendere tale
requisito in altri luoghi, verso una spedizione umana su Marte o su altre
missioni umane molto complicate ". I progettisti di Orione sono alla ricerca di altri punti sulla nave spaziale, dove
il materiale 3D-MAT
può essere incorporato. Fuori dalla NASA, agenzie governative, tra cui il Dipartimento della Difesa e
aziende aerospaziali hanno espresso interesse per questi sistemi di protezione
termica. "Sta già iniziando un nuovo fondo di sviluppo con il nastro Bally, -osserva Feldman- come risultato del nostro lavoro alla NASA". Il lavoro per la NASA
ha aumentato la linea di prodotti che l'azienda offre in materiali frequentemente
utilizzati, come la fibra di carbonio,
ai propri clienti di vecchia data, perché la nuova apparecchiatura progettata, consente
intrecci più spessi e più densi. Ad esempio nel mondo della Formula Uno stanno valutando
determinati campioni. Aumenta la dimensione delle parti che possono fare da
trama ortogonale 3D. “Erano stati limitati a uno spessore di due pollici in
passato, adesso invece per lo spessore di tre pollici, - dice Wilkinson- offrono maggiori opportunità
per le diverse posizioni da predisporre in macchina ".
In primo piano particolare dello scudo termico di Orione |
Eppure,
sotto le componenti aggiuntive
high-tech, il cuore del processo è lo stesso tipo di servizio del telaio navetta della società, già
utilizzato per la seta nel 1920. Si tratta di un’evoluzione che ha mantenuto posti
di lavoro nella Pennsylvania centrale, dove la maggior parte degli altri
stabilimenti tessili da tempo hanno cessato l'attività. "Noi incorporiamo
componenti elettronici moderni, e -dice Wilkinson-
abbiamo costruito e integrato i nostri sistemi di adozione, ma il telaio stesso
è estremamente vecchio". Il processo fondamentale è rimasto invariato per
millenni e con l’uso degli stessi passaggi, ormai secolari, di tessitura, ora
si sta producendo un materiale che consente di andare su Marte ".
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