سپر حرارتی

جزء برای محافظت در برابر گرمای بیش از حد

در مهندسی، سپر حرارتی قطعه ای است که برای محافظت از یک جسم یا اپراتور انسانی در برابر سوختن یا گرم شدن بیش از حد توسط اتلاف، انعکاس و/یا جذب گرما طراحی شده است. این اصطلاح اغلب در اشاره به مدیریت گرمای اگزوز و سیستم هایی برای دفع گرمای اصطکاکی استفاده می شود. سپرهای حرارتی بیشتر در خودروسازی و هوافضا استفاده می شوند.

اصول عملیات

سپرهای حرارتی با دو مکانیسم اولیه از سازه ها در برابر دماهای شدید و گرادیان های حرارتی محافظت می کنند. عایق حرارتی و خنک کننده تابشی ، به ترتیب ساختار زیرین را از دمای بالای سطح خارجی جدا می کنند، در حالی که گرما را از طریق تشعشعات حرارتی به بیرون ساطع می کنند . برای دستیابی به عملکرد خوب، سه ویژگی مورد نیاز یک سپر حرارتی عبارتند از رسانایی حرارتی کم ( مقاومت حرارتی بالا )، انتشار بالا و پایداری حرارتی خوب (نسوز). ^[1] سرامیک‌های متخلخل با پوشش‌های گسیل‌پذیر بالا (HECs) اغلب برای پرداختن به این سه ویژگی، به دلیل پایداری حرارتی خوب سرامیک‌ها، عایق حرارتی مواد متخلخل و اثرات خنک‌کننده تابشی خوب ارائه شده توسط HEC‌ها، استفاده می‌شوند.

استفاده می کند

خودرو

با توجه به گرمای زیادی که توسط موتورهای احتراق داخلی منتشر می شود، ^[2] از سپرهای حرارتی در اکثر موتورها برای محافظت از قطعات و بدنه در برابر آسیب حرارتی استفاده می شود. علاوه بر محافظت، سپرهای حرارتی موثر می توانند با کاهش دمای محفظه موتور، مزیت عملکردی داشته باشند، بنابراین دمای هوای ورودی به موتور را کاهش می دهند. ^[3] سپرهای حرارتی از نظر قیمت بسیار متفاوت هستند، اما اغلب آنها به راحتی با گیره های فولادی ضد زنگ، نوار درجه حرارت بالا یا اتصالات کابل فلزی با طراحی خاص، جا می شوند. سه نوع اصلی محافظ حرارتی خودرو وجود دارد:

• 

  نمونه ای از محافظ حرارتی فولادی در موتور سری E BMW

  سپرهای حرارتی سفت و سخت تا همین اواخر معمولاً از فولاد جامد ساخته می شدند، ^[4] اما اکنون اغلب از آلومینیوم ساخته می شوند. برخی از سپرهای حرارتی سفت و سخت با کیفیت بالا از آلومینیوم، طلا یا کامپوزیت ساخته شده‌اند که بیشتر نمونه‌ها شامل پوشش سرامیکی برای ایجاد یک مانع حرارتی است که عایق حرارتی را بهبود می‌بخشد.
• سپر حرارتی انعطاف پذیر معمولاً از ورقه های نازک آلومینیوم یا طلا ساخته می شود که معمولاً به صورت تخت یا رول فروخته می شود. این سپرهای حرارتی اغلب با دست توسط نصاب خم می شوند. سپرهای حرارتی انعطاف پذیر با کارایی بالا گاهی اوقات شامل موارد اضافی مانند عایق سرامیکی است که از طریق اسپری پلاسما استفاده می شود . یکی دیگر از تاکتیک های رایج در سپرهای حرارتی انعطاف پذیر، استفاده از مواد کامپوزیت عجیب و غریب برای بهبود عایق حرارتی و اصلاح وزن است. این جدیدترین محصولات در موتوراسپورت های برتر مانند فرمول 1 رایج هستند .

• 

  نمونه ای از محافظ حرارتی آلومینیومی در تویوتا سلیکا ST205

  سپرهای حرارتی نساجی، (همچنین به عنوان پوشش های حرارتی شناخته می شوند)، برای عایق بندی اجزای مختلف اگزوز با به دام انداختن گرمای ساطع شده از اگزوز در داخل لوله اگزوز، به جای اجازه دادن به گرمای بسیار زیاد این اجزا در داخل محفظه موتور استفاده می شوند. این روکش ها بیشتر در لوله های اگزوز موتور سیکلت دیده می شوند.

سپرهای حرارتی اغلب توسط پرسنل آماتور و حرفه ای در طول مرحله بهینه سازی تنظیم موتور نصب می شوند . سپرهای حرارتی نیز برای خنک کردن دریچه‌های پایه موتور استفاده می‌شوند. وقتی وسیله نقلیه با سرعت بالاتری است، هوای رم کافی برای خنک کردن محفظه موتور زیر کاپوت وجود دارد، اما زمانی که وسیله نقلیه با سرعت پایین تر حرکت می کند یا از شیب بالا می رود، نیاز به عایق حرارتی موتور برای انتقال به سایر قسمت های اطراف است. آن، به عنوان مثال پایه های موتور. با کمک آنالیز حرارتی مناسب و استفاده از سپرهای حرارتی، می توان دریچه های پایه موتور را برای بهترین عملکرد بهینه کرد. ^[5]

هواپیما

برخی از هواپیماهای با سرعت بالا، مانند Concorde و SR-71 Blackbird ، باید با توجه به گرمای بیش از حد مشابه، اما کمتر با آنچه در فضاپیما رخ می دهد، طراحی شوند. در مورد Concorde دماغه آلومینیومی می تواند به حداکثر دمای کاری 127 درجه سانتیگراد برسد (که 180 درجه سانتیگراد بالاتر از هوای محیط بیرون است که زیر صفر است). پیامدهای متالورژیکی مرتبط با دمای اوج عامل مهمی در تعیین حداکثر سرعت هواپیما بود.

اخیراً مواد جدیدی ساخته شده است که می تواند برتر از RCC باشد . نمونه اولیه SHARP ( روپوش تحقیقاتی ارترمودینامیکی R ypervelocity A ) بر پایه سرامیک های با دمای فوق العاده بالا مانند دیبورید زیرکونیوم (ZrB2 ₎ و دیبورید هافنیوم (HfB2 ₎ است . ^[6] سیستم حفاظت حرارتی مبتنی بر این مواد به سرعت 7 ماخ در سطح دریا، 11 ماخ در 35000 متر و پیشرفت های قابل توجهی برای وسایل نقلیه طراحی شده برای سرعت مافوق صوت اجازه می دهد . مواد مورد استفاده دارای ویژگی های حفاظت حرارتی در محدوده دمایی از 0 درجه سانتیگراد تا + 2000 درجه سانتیگراد، با نقطه ذوب در بیش از 3500 درجه سانتیگراد هستند. آنها همچنین از نظر ساختاری مقاومت بیشتری نسبت به RCC دارند، بنابراین نیازی به تقویت اضافی ندارند و در تابش مجدد گرمای جذب شده بسیار کارآمد هستند. ناسا در سال 2001 یک برنامه تحقیق و توسعه را برای آزمایش این سیستم حفاظتی از طریق دانشگاه مونتانا تأمین مالی کرد (و متعاقباً آن را متوقف کرد). ^{[7] [8]}

کمیسیون اروپا یک پروژه تحقیقاتی C3HARME را تحت فراخوان NMP-19-2015 برنامه های چارچوب برای تحقیق و توسعه فناوری در سال 2016 (هنوز در حال انجام) برای طراحی، توسعه، تولید و آزمایش کلاس جدیدی از سرامیک های فوق نسوز تأمین مالی کرد. کامپوزیت های ماتریسی تقویت شده با الیاف کاربید سیلیکون و الیاف کربن مناسب برای کاربرد در محیط های شدید هوافضا. ^[9]

فضاپیما

سپر حرارتی فرسایشی کپسول آپولو 12 (پس از استفاده) در مرکز هوا و فضای ویرجینیا به نمایش گذاشته شد.

سپر حرارتی آیرودینامیکی خیساندن حرارتی مورد استفاده در شاتل فضایی

فضاپیماهایی که بر روی سیاره‌ای با جو فرود می‌آیند ، مانند زمین ، مریخ و زهره ، در حال حاضر این کار را با ورود به جو با سرعت‌های بالا انجام می‌دهند که به مقاومت هوا بستگی دارد نه نیروی موشک برای کاهش سرعت. یکی از عوارض جانبی این روش ورود مجدد به اتمسفر ، گرمایش آیرودینامیکی است که می تواند برای ساختار یک فضاپیمای محافظت نشده یا معیوب بسیار مخرب باشد. ^[10] یک سپر حرارتی آیرودینامیکی از یک لایه محافظ از مواد ویژه برای دفع گرما تشکیل شده است. دو نوع اصلی محافظ حرارتی آیرودینامیکی استفاده شده است:

• سپر حرارتی فرسایشی از یک لایه رزین پلاستیکی تشکیل شده است که سطح بیرونی آن به گاز گرم می شود و سپس گرما را با همرفت منتقل می کند . چنین سپرهایی در فضاپیمای وستوک ، ووسخود ، مرکوری ، جمینی و آپولو استفاده شد و در حال حاضر توسط فضاپیمای اسپیس ایکس دراگون 2 ، اوریون و سایوز استفاده می شود .
  • وستوک 1 شوروی ، اولین فضاپیمای خدمه دار، از محافظ حرارتی فرسایشی ساخته شده از پارچه آزبست در رزین استفاده کرد. ^[11] ماموریت های بعدی مرکوری و جمینی هر دو از فیبر شیشه در رزین استفاده کردند، در حالی که فضاپیمای آپولو از رزین تقویت شده با الیاف کوارتز استفاده کرد. ^[12] اولین استفاده از یک فروکش فوق سبک (SLA) برای اهداف فضاپیما برای فرودگر وایکینگ در سال 1976 بود. ^{[12] SLA همچنین برای} ماموریت Pathfinder مورد استفاده قرار گرفت . ^[12] ابلاتور کربن آغشته به فنول (PICA) برای مأموریت Stardust که در سال 1999 راه اندازی شد، استفاده شد. ^[12]
• سپر حرارتی خیساندن حرارتی از یک ماده عایق برای جذب و تابش گرما از ساختار فضاپیما استفاده می کند. این نوع در شاتل فضایی با هدف استفاده مجدد از سپر با حداقل بازسازی در بین پرتاب ها مورد استفاده قرار گرفت. ^[13] سپر حرارتی در شاتل فضایی از کاشی های سرامیکی یا کامپوزیت بر روی بیشتر سطح وسیله نقلیه، با مواد کربن-کربن تقویت شده در بالاترین نقاط بار حرارتی (دمچه و لبه های جلویی بال) تشکیل شده بود. ^[14] هنگامی که مدارگرد در هنگام ورود مجدد به دمای 1648 درجه سانتیگراد رسید، از آن محافظت کرد. ^[15] هواپیمای فضایی شوروی، معروف به بوران ، همچنین از کاشی‌های TPS مشابه شاتل‌های آمریکایی استفاده کرد. بوران همچنین از کاشی های سرامیکی در پایین مدارگرد و کربن-کربن در مخروط دماغه استفاده می کند. ^[16]
  • مشکلات زیادی با کاشی های مورد استفاده در شاتل فضایی به وجود آمد، در حالی که آسیب جزئی به سپر حرارتی تا حدی عادی بود. آسیب عمده به سپر حرارتی تقریباً باعث نابودی شاتل فضایی آتلانتیس در سال 1988 شد و باعث از دست رفتن کلمبیا در سال 2003 شد. ^{[17] [18] [19]}

با استفاده از سپرهای حرارتی بادی احتمالی، همانطور که توسط ایالات متحده (کاهش‌دهنده بادی تست پرواز مدار پایین زمین - LOFTID) ^[20] و چین، ^[21] راکت‌های یک‌بار مصرف مانند سیستم پرتاب فضایی با چنین سپرهای حرارتی مجهز شده‌اند. موتورهای گران قیمت را نجات دهید و احتمالاً هزینه های پرتاب را به میزان قابل توجهی کاهش دهید. ^{[22] در 10 نوامبر 2022، LOFTID با استفاده از موشک} Atlas V پرتاب شد و سپس برای ورود مجدد به جو جدا شد. ^[23] لایه بیرونی سپر حرارتی از یک سرامیک کاربید سیلیکون تشکیل شده است. ^[24] LOFTID بازیابی شده کمترین آسیب را داشته است. ^[23]

خنک کننده غیرفعال

محافظ های خنک شونده غیرفعال برای محافظت از سفینه های فضایی در هنگام ورود به اتمسفر برای جذب پیک های گرما و متعاقبا تابش گرما به جو استفاده می شود. نسخه های اولیه شامل مقدار قابل توجهی از فلزات مانند تیتانیوم ، بریلیم و مس بود . این امر جرم خودرو را تا حد زیادی افزایش داد. سیستم‌های جذب گرما و فرسایشی ترجیح داده شدند.

در وسایل نقلیه مدرن، خنک کننده غیرفعال را می توان به عنوان مواد کربن-کربن تقویت شده به جای فلز یافت. این ماده سیستم حفاظت حرارتی دماغه و لبه های جلوی شاتل فضایی را تشکیل می دهد و برای وسیله نقلیه X-33 پیشنهاد شده است . کربن نسوزترین ماده شناخته شده با دمای تصعید (برای گرافیت ) 3825 درجه سانتیگراد است. این ویژگی‌ها آن را به ماده‌ای مناسب برای خنک‌سازی غیرفعال تبدیل می‌کند ، اما این عیب بسیار گران و شکننده است. برخی از فضاپیماها همچنین از یک سپر حرارتی (در مفهوم متعارف خودرو) برای محافظت از مخازن سوخت و تجهیزات در برابر گرمای تولید شده توسط یک موتور موشک بزرگ استفاده می کنند . چنین سپرهایی در مرحله فرود ماژول سرویس آپولو و ماژول قمری مورد استفاده قرار گرفتند . کاوشگر خورشیدی پارکر که برای ورود به تاج خورشید طراحی شده است، دمای سطحی 2500 درجه فارنهایت را تجربه می کند. ^[25] فضاپیما برای تحمل این دما بدون آسیب به بدنه یا ابزار خود، از یک سپر حرارتی با استفاده از سرامیک کربن-کربن با لایه ای از فوم کربن در بین آن استفاده می کند. ^[26] کاوشگر در 18 اوت 2018 به فضا پرتاب شد. ^[27]

نظامی

سپرهای حرارتی اغلب به تفنگ های نیمه اتوماتیک یا اتوماتیک و تفنگ های ساچمه ای به عنوان پوشش لوله چسبانده می شوند تا از دست های کاربر در برابر گرمای ناشی از شلیک سریع گلوله ها محافظت کنند. آنها همچنین اغلب به تفنگ های ساچمه ای جنگی پمپی چسبانده شده اند که به سرباز اجازه می دهد تا لوله را در حالی که از سرنیزه استفاده می کند، بگیرد. ^{[ نیازمند منبع ]}

صنعت

سپرهای حرارتی در صنعت متالورژی برای محافظت از فولاد سازه ای ساختمان یا سایر تجهیزات در برابر دمای بالای فلز مایع مجاور استفاده می شود. ^{[ نیازمند منبع ]}

همچنین ببینید

• آئروسل
• ورود مجدد اتمسفر
• AVCOAT
• شعله ور
• استارلایت
• آفتابگیر (JWST)

مراجع

1. شائو، گائوفنگ؛ و همکاران (2019). "مقاومت اکسیداسیون بهبود یافته پوشش های با انتشار بالا روی سرامیک های فیبری برای سیستم های فضایی قابل استفاده مجدد". علم خوردگی . 146 : 233-246. arXiv : 1902.03943 . Bibcode :2019Corro.146..233S. doi :10.1016/j.corsci.2018.11.006. S2CID  118927116. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2021-10-01 . بازیابی شده در 2019-01-11 .
2. کارلی، لری (2017-06-01). "حرارت حرارتی اسب بخار: خنک نگه داشتن شما با لوازم جانبی گرما". مجله موتور ساز . بازیابی شده در 2023-08-26 .
3. diandra, dr (23-04-2012). "کانزاس: دما و اسب بخار". سرعت ساختمان . بازیابی شده در 2023-08-26 .
4. بازاریابی، الملین (23-05-2022). "تکامل عایق حرارتی خودرو". Elmelin Ltd. بازیابی شده در 2023-08-26 .
5. «کپی بایگانی شده» (PDF) . بایگانی شده از نسخه اصلی (PDF) در 2016-09-14 . بازیابی شده 2016-01-13 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
6. فارنهولتز، ویلیام جی؛ ووچینا، اریک جی. لی، ویلیام ای; ژو، یانچون، ویرایش. (2014). "سرامیک های با دمای فوق العاده بالا: مواد برای کاربردهای محیطی شدید". doi :10.1002/9781118700853. شابک 9781118700853.
7. «Copia archiviata» (PDF) . بایگانی شده از نسخه اصلی (PDF) در 15 دسامبر 2005 . بازیابی شده در 9 آوریل 2006 .
8. Wayback Machine بایگانی شد
9. "c³ آسیب". c3harme.eu . بایگانی شده از نسخه اصلی در 06-08-2020 . بازیابی شده در 2018-03-27 .
10. «دینامیک اجاره جوی». بایگانی شده از نسخه اصلی در 2018-07-08 . بازیابی شده در 23-08-2016 .
11. "Bobkov В. Космический корабль "Vostok"". epizodsspace.airbase.ru . بازیابی شده در 2024-03-22 .
12. Venkatapathy، Ethiraj (2019-10-21). "Ablators - از آپولو تا ماموریت های آینده به ماه، مریخ و فراتر از آن". سازمان ملی هوانوردی و فضایی .
13. هیل، وین؛ لین، هلن دبلیو. ایالات متحده، ویرایش. (2010). بال در مدار: میراث علمی و مهندسی شاتل فضایی، 1971-2010. NASA/SP. واشنگتن دی سی: اداره ملی هوانوردی و فضایی. شابک 978-0-16-086846-7. OCLC  698332185.
14. Meechan، CJ; مایلز، اف. لدسوم، سی. فریزر، DO; Whitehouse, D. (1984). "سیستم شاتل فضایی [و بحث]". معاملات فلسفی انجمن سلطنتی لندن. سری الف، علوم ریاضی و فیزیک . 312 (1519): 89-102. doi :10.1098/rsta.1984.0053. ISSN  0080-4614. JSTOR  37389.
15. هیل، وین؛ لین، هلن دبلیو. ایالات متحده، ویرایش. (2010). بال در مدار: میراث علمی و مهندسی شاتل فضایی، 1971-2010. NASA/SP. واشنگتن دی سی: اداره ملی هوانوردی و فضایی. شابک 978-0-16-086846-7. OCLC  698332185.
16. کوندراشوف، EK (2023). "پوشش های معدنی و پلیمری ترموتاکتیک برای هواپیمای فضایی بوران". علم پلیمر، سری D. 16 (2): 396-400. doi :10.1134/S1995421223020120. ISSN  1995-4212.
17. لاینباخ، مایکل دی. وارد، جاناتان اچ. (2020). آوردن کلمبیا به خانه: داستان واقعی ناگفته یک شاتل فضایی گمشده و خدمه اش . نیویورک، نیویورک: انتشارات آرکید. ص 229-234. شابک 9781948924610.
18. لاینباخ، مایکل دی. وارد، جاناتان اچ. (2020). آوردن کلمبیا به خانه: داستان واقعی ناگفته یک شاتل فضایی گمشده و خدمه اش . نیویورک، نیویورک: انتشارات آرکید. ص 229-234. شابک 9781948924610.
19. ایوانز، بن (9 دسامبر 2018). "Dying All Tensed-Up": 30 سال از ماموریت مخفی دشوار STS-27". آمریکا فضا . بایگانی‌شده از نسخه اصلی در ۶ ژانویه ۲۰۲۱.
20. ماردر، جنی (3 ژوئیه 2019). "کاهش‌دهنده بادی در ماهواره JPSS-2 سوار خواهد شد". NOAA ​بایگانی شده از نسخه اصلی در 1 اکتبر 2021 . بازیابی شده در 30 اکتبر 2019 .
21. هیئت تحریریه شین هوا (5 مه 2020). ""胖五"家族迎新 送新一代载人飞船试验船升空——长征五号B运载火箭首运载火箭首文有火箭首文文برجسته از دوشیزه Long March 5B پرواز)". اخبار شین هوا (به زبان چینی). بایگانی‌شده از نسخه اصلی در ۷ اوت ۲۰۲۰ . بازیابی شده در 29 اکتبر 2020 .
22. بیل دزیو (7 مه 2020). "آیا فناوری فضای بادی چین 400 میلیون دلار صرفه جویی در هزینه SLS ناسا دارد؟" Westeastspace.com ​بایگانی شده از نسخه اصلی در 10 مه 2020 . بازیابی شده در 29 اکتبر 2020 .
23. "گرما روشن است! نسخه ی نمایشی سپر حرارتی "بی عیب" ناسا تست را پشت سر گذاشت - ناسا". 17-11-2023 . بازیابی 2024-04-20 .
24. «سپر حرارتی بادی ناسا در انعطاف پذیری قدرت می یابد - ناسا». 2022-10-25 . بازیابی 2024-04-20 .
25. «سپر حرارتی پیشرفته نصب شده بر روی کاوشگر خورشیدی پارکر ناسا - ناسا». 05/07/2018 . بازیابی 2024-04-30 .
26. گروسی، استفانو. "سپر حرارتی کاوشگر خورشیدی پارکر". اولترامت . بازیابی 2024-04-30 .
27. «کاوشگر خورشیدی پارکر - علم ناسا». Science.nasa.gov . بازیابی 2024-04-30 .