Como é o comportamento dos materiais durante a reentrada? 

Desde março de 2017, todos os satélites da ESA e os estágios maiores dos propulsores que serão eliminados pela reentrada atmosférica, no final da sua vida útil, devem demonstrar que o risco dos fragmentos que não são destruídos na reentrada, e que causam acidentes no solo, deverão ser inferiores a proporção de 1 em 10.000 ( 1 parte em 10.000). O número e as características dos fragmentos (por exemplo, energia cinética e tamanho) indicam aos riscos de acidentes em cada caso particular.

Reentrada descontrolada de um foguete chinês (Tipo Longo de Carga 3B) acima do Havaí em janeiro de 2016 Fotografia de Steve Cullen

Este risco de acidente é calculado por ferramentas de reentrada, simulando o evento de reentrada descontrolada, usando um modelo CAD (Computador auxiliador de Design) da nave espacial. Se o risco de acidente calculado pelo computador, não estiver em conformidade com o requisito mínimo, será necessário forçar uma reentrada controlada da espaçonave, em uma área não povoada (na maioria das vezes no Oceano Pacífico Sul). As incertezas sobre vários parâmetros, como as variáveis aerotermodinâmicas, a modelagem/resistividade estruturais do material, os tipos de materiais e o nível de detalhes da arquitetura das espaçonaves, terão grande impacto, nas simulações do evento de reentrada e, nos cálculos de risco de acidentes associados a estes procedimentos.

Exemplo de um estágio Final renderizado em SCARAB (crédito HTG)

A fim de reduzir a incerteza das propriedades dos materiais (utilizados nas simulações de reentrada), os materiais devem ser testados em laboratórios e analisados ​​em PWT (Túnel de Feixe de Plasma), com condições similares em uma reentrada natural, reproduzindo estas condições em laboratório.  Este foi o escopo dos dois contratos do TRP (Programa de Pesquisa Técnica) (veja mais detalhes abaixo). Como trabalho complementar, pode-se analisar fragmentos de material encontrados no solo e associá-los às condições do evento de reentrada da espaçonave.

COPV encontrado na Espanha após a reentrada descontrolada de um estágio Final de um  propulsor em 2015 (crédito ESA)

Dois contratos de Programa de Pesquisa Tecnológica (TRP em 2014-2016) que visam a caracterização de materiais vindos de lixo espacial, foram financiados através da iniciativa “Espaço Limpo”. Os materiais foram selecionados com base em sua relevância para a nave espacial LEO (Órbitas Baixas da Terra) e os estágios finais do propulsor, divididos em cinco categorias.

Metais

Os materiais metálicos têm sido amplamente utilizados em satélites LEO e Propulsores de estágios Finais por décadas. Materiais metálicos com alta rigidez específica, alta resistência e grande resistência à corrosão/ Alta Tenacidade , são geralmente utilizados em aplicações espaciais.
Os seguintes metais foram testados na estrutura dos TRPs: AA7075, AISI316L, Ti6Al4V e Al Li2099

Ligas De Materiais
Os materiais compostos de Ligas, são amplamente utilizados nas naves espaciais graças às suas propriedades mecânicas específicas (resistência específica e rigidez específica) e estabilidade térmica (baixo Coeficiente de Expansão Térmica).

Materiais com altas ligas, são aplicados principalmente para estruturas de espaçonaves. Duas ligas funfidas de fibras de carbono pré-fabricadas, foram testadas durante a atividade: Resina do composto epóxi CFRP (Polímero Reforçado de Fibra de Carbono), e a resina do composto de éster de cianato CFRP.

Cerâmica
Materiais cerâmicos são usados ​​principalmente para aplicações de aumento da carga útel de materiais óticos e propulsão. Dois tipos de Carbeto de Silício(Carborumdum) foram testados durante em laborátório.

Vidro
As ligas de vidrocerâmica, são usadas ​​principalmente para aumentar a vida útel do sistema ótico.
Os materiais derivados da vidrocerâmica, são usados ​​principalmente para aumento da vida útel so sitema ótico . Zerodur₢ vidrocerâmico foi testado.

 

Liga de Materiais
A liga de materiais, refere-se a amostras de materiais compostos e metálicos. Foram testadas as seguintes amostras: Painel Duplo com película de CFRP e gotículas de alumínio, COPV (Reservatório Pressurizado a Bordo da nave ) com CFRP e forro de titânio, GLARE feito de fibras pré-fabricadas de vidro e alumínio.
Amostras testadas no túnel de feixes de plasma do painel solar
COPV (CFRP + revestimento de titânio) amostras testadas no tunel de feixes de plasma
Diferentes propriedades foram investigadas durante os testes.
⦁ Propriedades termofísicas
As propriedades termofísicas dos materiais são requisitos primários para as ferramentas de reentrada, para determinar a transferência de calor dentro da espaçonave e a possível falha destes materiais.
A capacidade calórica específica, a entalpia de fusão, a expansão térmica, a densidade e a condutividade térmica de AA7075 T7351, AISI316L e TI6AL4V ,foram medidas com DSC (Calorímetro de escaneamento diferencializado), DTA / TG ​​(Analisador Térmico Diferencializado com TermoGravimetria), um dilatômetro, e LFA Flash até ao ponto de fusão das ligas.
A capacidade térmica específica, expansão térmica, densidade e condutividade térmica do SiC foi medida com o DSC , um dilatômetro e LFA.
Mediu-se a capacidade calórica específica, a dilatação térmica( Rumo Direto as fibras e ortogonal às fibras), a densidade, e a condutividade térmica (Rumo direto à fibra e ortogonal à fibra) de um CFRP / Epoxi com DSC, DTA / TG ​,​um dilatómetro e LFA.
⦁ Propriedades da superfície
A emissividade de um material depende da temperatura, e pode variar com a mudança de fase do material. A emissividade será altamente afetada pelo aspecto superficial do material, e pela criação de camadas de óxido( Processo de Oxidação). A medição da Emissividade Espectral e a Total, foram realizadas em quatro materiais AA7075 ,T7351, AISI316L, TI6AL4V e SiC, Abos fora feitos em condições normais e após a exposição no Túnel de Feixes Plasma.
⦁ Propriedades mecânicas
Os ensaios mecânicos, foram realizados em ligas epoxídicas AA7075 T7351, AISI316L, TI6AL4V e CFRP com carga constante e fluxo de calor aumentado até a falha do sistema em teste.
⦁ Teste No Túnel de Feixes Plasma
Os dois consórcios, realizaram simulações de reentrada de várias naves espaciais, para definir as condições do túnel de Feixes de plasma mais representativas,  a serem utilizadas para a caracterização dos materiais. Exemplo de simulação de reentrada (crédito SCARAB-HTG)
 
As amostras foram submetidas ao fluxo plasmático em instalações específicas, DLR (Centro Aeroespacial Alemão), IRS (Institut für Raumfahrt Systeme) e VKI (Instituto Von Karman). O perfil de temperatura da superfície frontal, foi medido utilizando pirômetro espectral ou pirômetro de duas cores. O gradiente de temperatura dentro das amostras foi medido com termopares, sempre que possível; ou pirômetro direcionado para a face posterior da amostra. Os fragmentos desprendidos foram analisados com FTIR (Espetômetro de Conversão Infravermelho Fourier). A duração do teste, foi configurada para cada tipo de material a ser analisado.

Análises após os testes no túnel de plasma

Depois de serem expostos ao fluxo plasmático, amostras de AA7075 T7351, AISI316L, TI6AL4V, SiC e um CFRP epoxi, foram analisadas as amostras; utilizando microscópio eletrônico de varredura (SEM), microscópio ótico e teste de dureza. A espessura das camadas de óxidos depositados, foram medidas, e o impacto do teste de PWT na integridade estrutural das amostras foi avaliado.
Seção microscópica de SLM Ti6AL4V após o teste de PWT (Reagente de Kroll) (Créditos-ESA)

Conclusões gerais

Os metais, são os materiais mais impactantes a serem modelados nas ferramentas de reentrada, já que suas propriedades intrínsecas são bem compreendidas. Incertezas associadas à sua emissividade e catalicidade ainda devem ser estudadas mais adiante.
Titânio, e ligas de aço, apresentaram grande resistência aos testes PWT, mesmo em condições de fluxo de calor de pico (1,2-1,4 MW / m²) e que formaram fortes camadas de óxidos em ambos os materiais. As ligas de alumínio mostraram um melhor comportamento de não ruptura, em condições médias de queda e condições de fluxo de calor de pico. O comportamento de não ruptura, observado para AA7075 onde o zinco é o elemento de liga principal era ligeiramente diferente do que AlLi2099, onde o lítio é o elemento de liga principal. O óxido formado na superfície do AlLi2099, pareceu ser mais frágil do que para o AA7075.
A modelação do CFRP é mais complexa, já que vários parâmetros influenciam suas propriedades termofísicas, como o número de pliegues, o tipo de fibra, a orientação das fibras e suas propriedades intrínsecas. CFRP com modelagem aprovada para o espaço, mostrou grande resistência ao teste do Túnel de Feixes de Plasma.
O SiC; mostrou grande resistência ao teste PWT. A incerteza para este material, está associada a um potencial comportamento frágil , quando são induzidas tensões mecânicas para além das condições de reentrada.
Os resultados das duas atividades do PRT, estão sendo compilados numa base de dados que, será acessível à agência espacial europeia. O relatório final das duas atividades, será também disponibilizado para agência espacial europeia.
Fonte: ESA
Edição: Johnne Oliveira  /  Tradução: Tiago Torres

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