Ingeniería de Materiales del Transbordador Espacial: Propiedades y Escudo Térmico

Transbordador Espacial: Requisitos y Materiales Avanzados

Requisitos de Propiedades del Transbordador

Propiedades Térmicas

El material debe cumplir con los siguientes requisitos:

• Soportar temperaturas extremas y grandes cambios de temperatura.
• Mantener una temperatura adecuada dentro de la nave.

Parámetros Térmicos Clave

• Baja conductividad térmica.
• Altos puntos de fusión.
• Resistencia al choque térmico.
• Bajo coeficiente de dilatación.
• Baja capacidad calorífica.

Propiedades Mecánicas

• Debe soportar la presión del aire durante el despegue y el aterrizaje.
• Soportar el gradiente de presión entre el vacío y la presión atmosférica.
• Resistencia a las vibraciones.

Parámetros Mecánicos Clave

• Módulo elástico bajo.
• Resistencia a la fractura.
• Gran dureza y tenacidad.
• Resistencia al impacto.
• Resistencia a la fatiga.

Otras Propiedades Requeridas

• Ligereza (baja densidad).
• Aerodinámica óptima.
• Buena adherencia de la pantalla térmica a la estructura.
• Durabilidad.

Clasificación de Materiales Utilizados

Los materiales principales empleados en el transbordador son: Metálicos, Cerámicos y Compuestos.

• No existe un único material que cumpla con todos los requisitos de propiedades.
• La nave se divide en zonas según el rango de temperatura que deben soportar:

Zonas de Baja Temperatura (Hasta 400ºC)

• Materiales: Mantas flexibles de polímeros de alta temperatura (NOMEX) recubiertas de silicona.
• Aplicación: Pegadas al aluminio con adhesivo de silicona.
• Espesor: Inferior a 1 cm.

Zonas de Temperatura Media (400ºC a 650ºC)

• Materiales: Baldosas cerámicas de sílice con recubrimiento de vidrio.

Zonas de Alta Temperatura (650ºC a 1260ºC)

• Materiales: Baldosas cerámicas de sílice con recubrimiento de vidrio con adición de SiB₄.

Zonas de Temperatura Extrema (Más de 1260ºC)

• Materiales: Un compuesto carbono-carbono (RCC) recubierto de carburo de silicio.

Baldosas Cerámicas: El Escudo Térmico Principal (70% de la Nave)

Características de las Baldosas Cerámicas

• Microestructura: Porosa y ligera.
• Propiedades: Muy ligera (93% de volumen vacío), baja conductividad térmica, coeficiente de dilatación casi nulo, módulo de elasticidad bajo, alta resistencia al choque térmico, punto de fusión de 1480ºC.
• Materiales: Fibra de sílice pura o con fibra de borosilicato de aluminio (para mayor ligereza).
• Son anisótropas.
• Baldosas Blancas (400ºC a 650ºC): Recubiertas de vidrio borosilicato.
• Baldosas Negras (650ºC a 1260ºC): Recubiertas de vidrio borosilicato y SiB₄.
• Nota: La macroestructura requiere una representación gráfica (Dibujo).

Composite Carbono-Carbono (RCC)

Este material se utiliza para las zonas de temperaturas extremas (superiores a 1260ºC).

Composición y Protección del RCC

• Materiales: Compuesto de fibras de grafito en una matriz de carbono.
• Recubrimiento: Carburo de silicio (SiC) para protegerlo de la oxidación.

Propiedades del RCC

• El grafito soporta altas temperaturas.
• Muy rígido.
• Alta resistencia mecánica a temperaturas elevadas.
• Bajo coeficiente de dilatación.
• Resistente al choque térmico y a la fatiga.
• Densidad muy baja.