mercoledì 15 febbraio 2017

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
In primo piano particolare dello scudo termico di Orione
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 ".
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 ".



Nessun commento:

Posta un commento