Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 Efectos Térmicos y Materiales de Uso Espacial INTRODUCCION Dependiendo de las condiciones de diseño de cada vehículo espacial los fenómenos térmicos, electromagnéticos, impacto de micrometeoritos y el fenómeno físico de desgasado son los cuatro factores más importantes que limitan la selección de materiales y por tanto al diseño estructural. Por ejemplo: debido a las partículas de alta energía y protección contra impacto de micrometeoritos los componentes electrónicos deben estar recubiertos con placas de espesor mayor a 3mm (de 4 mm a 7 mm para electrónica en satélites de órbita polar baja cuya aleación sea aluminio) incrementando fuertemente el peso final del vehículo e independiente del diseño estructural; el fenómeno de desgase impide el uso de varios tipos de materiales cuando se los ubica cercanos a equipamientos de observación por lentes; los metales, compuestos y polímeros se limitan solo a aquellos que presenten un bajo nivel de corrosión (los materiales orgánicos son los más atacados por efectos de UV y OA: oxigeno atómico). Finalmente por efectos térmicos se buscan materiales de elevada conductividad de calor para reducir gradientes localizados y elevada inercia térmica para sobrevivir a los periodos de eclipse, materiales capaces de resistir temperaturas criogénicas, efectos de fatiga-térmica y por otra parte seleccionar recubrimientos adecuados que impidan un sobrecalentamiento o sobre enfriamiento del equipamiento del vehículo. Las fallas por fenómenos térmicos en vehículos espaciales han sido, desde los inicios de la carrera espacial una de las mayores causas de pérdida de misiones espaciales terrestres e interplanetarias: desde fallas por apuntamiento de antenas debido a deformaciones termoestructurales, falla de mecanismos por sobre enfriamiento y falla de equipamiento electrónico por sobrecalentamiento hasta problemas tan complejos como la perdida de rendimiento en paneles solares por rotura de los conectores de las celdas solares y rotura de todo tipo de juntas en conectores soldados como resultado de fatiga-térmica, cambio en las propiedades mecánicas del material por sobre-enfriamiento o sobre-calentamiento de la pieza y efectos de shock térmico por cambios de temperatura repentinos sobre el material. En este apunte introduciremos los efectos térmicos asociados al diseño de vehículos espaciales así como los materiales clásicamente utilizados en ellos. Enfocaremos nuestro estudio sobre vehículos no presurizados (modos predominantes de transferencia de calor: conducción y radiación) de órbita Terrestre baja terrestre -entre 500Km a 700Km que caracterizan por lo general a misiones científicas de tele observación-. Sin embargo se destaca que los conceptos evaluados aquí son aplicables a cualquier vehículo; sean satélites geoestacionarios, sondas interplanetarias, vehículos tripulados, etc. 1 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 Efectos Térmicos Primeramente debemos saber que a los efectos térmicos se los debe tener en cuenta en la selección de un material para un componente que será expuesto a elevadas o bajas temperaturas, grandes cambios de temperatura, o gradientes térmicos. Se necesita de un estudio de la respuesta de dicho material ante estas condiciones, esto se debe a que la gran mayoría de las propiedades mecánicas cambiarán con la temperatura. Dentro de las propiedades más utilizadas en cuanto a un diseño térmico de un material se encuentran el calor específico, la expansión térmica, el punto de fusión y la conductividad térmica. Calor Específico El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de un material para elevar su temperatura en una unidad. Y puede expresarse con la siguiente fórmula: Siendo Q: El calor entregado al cuerpo. m: masa del sistema. ΔT: Incremento de temperatura experimentado por el sistema. El principio físico es el siguiente: Ante la incorporación de calor a un sólido se genera una vibración térmica de sus átomos, generando energía cinética, aumenta la fricción interatómica con el consiguiente aumento de la temperatura. Coeficiente de Expansión térmica Se lo define como la deformación de un material proveniente de un cambio de temperatura. Y se lo puede expresar linealmente con la siguiente ecuación: Siendo : El coeficiente de expansión lineal del material. : Deformación específica dT: Variación de temperatura. 2 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 El principio físico es el siguiente: Ante un incremento de temperatura se genera un incremento en la amplitud de vibración de los átomos con una consiguiente expansión térmica, que se traduce macroscópicamente en un aumento de las dimensiones de la pieza. Punto de Fusión Se lo define como la temperatura a la cual se encuentra el equilibrio de fases sólidolíquido, la materia pasa de estado sólido a líquido. Lo que sucede en este caso es que al adicionar calor al sólido, como ya se ha mencionado, aumenta su energía térmica, los átomos vibrar en su posición de equilibrio con mayor energía y si se sigue aumentando el calor entregado los átomos van a dejar su posición de equilibrio para migrar a otras partes, produciéndose macroscópicamente un cambio de fase del material. La temperatura a la cual comienza la fusión dependerá del vínculo interatómico del material. Generalmente si la estructura es del tipo cristalina, donde las moléculas se encuentran mayormente ordenadas el punto de fusión será bien definido ya que la distancia interatómica y por ende la fuerza de los enlaces es similar entre moléculas. Si, por otro lado, el sólido presenta una estructura amorfa, como en el caso del vidrio, se dice que tendrá un punto de fusión gradual, en otras palabras, tendrá un ablandamiento progresivo. Figura 1: Esquemas de estructura cristalina (izquierda) y estructura amorfa (Derecha). En cuanto a las temperaturas de trabajo de los materiales, como regla general, puede utilizarse que como temperatura de trabajo hasta un 50 o 60% de la temperatura de fusión en metales y entre hasta un 90% de la temperatura de fusión en cerámicos. Conductividad Térmica Se la puede definir como la propiedad de los materiales que mide su capacidad de conducir calor. Conceptualmente se puede entender como un intercambio de energía en el sólido que se da debido a que al introducirse calor al mismo los átomos vibrarán aumentando su energía cinética y esta se va a transmitir los átomos contiguos, a su vez habrá una transferencia de energía por medio de los electrones libres en la red. Esta transmisión de energía se realizará desde las zonas calientes a las zonas frías. Más adelante se presentarán las leyes físicas utilizadas para calcular la transferencia de energía entre dos puntos de un material. Veamos ahora algunos conceptos de las tensiones generadas por la temperatura. 3 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 Tensiones Térmicas Estas son las tensiones generadas por las restricciones a las deformaciones térmicas, como ya se sabe, son propias de estructuras hiperestáticas, en caso de estructuras isostáticas al cambiar la temperatura solo habrá deformaciones. También pueden ser generadas por la expansión no uniforme en un cuerpo, por ejemplo variación de temperatura en cada punto del cuerpo o por la unión de materiales con diferente coeficiente de expansión térmica. Este último es el caso de las uniones bimetálicas en las que ante una diferencia de temperatura genera tensiones y deformaciones como se presenta en la siguiente imagen. Figura 2: Efecto de deformación en una unión bimetálica. De las propiedades determinantes a tener en cuenta en las tensiones térmicas que puedan aparecer están la conductividad térmica del material (Kt) y el calor específico (c). Un material con un alto calor específico y/o una baja conductividad térmica tendrá un alto calentamiento local, generándose altos gradientes térmicos y por lo tanto altas tensiones. Por otro lado un material con bajo calor específico y/o alta conductividad térmica tendrá una alta capacidad de transferencia térmica generando bajos gradientes térmicos y, consiguientemente, bajas tensiones. Un factor Importante que surge en este momento es la Difusión Térmica. Es un parámetro que nos da una idea de la velocidad con la que un material llega al equilibrio térmico. Donde: Kt: Conductividad térmica del material. : Densidad del material. c: Calor específico del material. Cuanto más alto sea este parámetro, indicará que mayor capacidad de transmitir el calor tendrá el material y por consiguiente menores tensiones térmicas. Entonces en caso de tener solicitaciones de temperatura que puedan llegar a generar tensiones térmicas buscaremos un material cuya difusividad térmicas sea lo más alta posible. 4 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 Ejemplos de tensiones térmicas Si se calienta rápidamente la superficie de un material previamente frio, esta no puede expandirse lo que generará tensiones de compresión que vendrán por la resistencia que genere el material hacia el interior de la pieza. En caso de un material dúctil habrá fluencia y en caso de un material frágil se exhibirán fisuras de falla a 45 grados Figura 3: Tensiones obtenidas por el calentamiento repentino de una pieza Si, en cambio se enfría rápidamente la superficie de la pieza previamente caliente la superficie no podrá contraerse debido a la resistencia que genere el interior de la pieza por lo que se generarán tensiones de tracción, que de ser muy elevadas generarán fluencia en un materia ductil o fisuras a 90 grados en materiales frágiles. Figura 4: Tensiones obtenidas por el enfriamiento repentino de una pieza. Por último definiremos otro parámetro importante a tener en cuenta en el diseño de un componente que estará sujeto a tensiones térmicas. El parámetro de Schott – Winkelmann. Este también es un parámetro indicativo que nos da la idea de cuan resistente es un material al shock térmico, entendiendo por tal al efecto que se produce a consecuencia de un brusco cambio en la temperatura de un material. 5 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 Donde: α = coeficiente de expansión térmica E = módulo de elasticidad σu = resistencia mecánica ρ = densidad del material c = calor específico Así como con la difusividad térmica, en una aplicación donde la temperatura genere tensiones térmicas, buscaremos un material cuyo parámetro sea más elevado para asegurarnos de que sea la mejor opción para resistir a las tensiones térmicas. MATERIALES ESPACIALES: INTRODUCCION A LAS LEYES DE INTERCAMBIO DE CALOR Antes de continuar, debemos hacer un breve repaso sobre algunos conceptos de transferencia de calor. Se proponen tres leyes de intercambio de calor “en” y “entre” materiales: Conducción De lo expuesto anteriormente en el apunte, podemos decir que el intercambio de calor en un material sigue la siguiente ley: Donde: K: Conductancia. k: Conductividad térmica. A: Área a través de la que fluye el calor L: longitud a través de la que fluye el calor ΔT: diferencia de temperatura entre los puntos de intercambio. Convección 6 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 Donde: h12: coeficiente de transferencia convectivo (varía según el caso de análisis: flujo laminar, turbulento, etc.) Excepto para vehículos presurizados el análisis de transferencia de calor por convección no es necesario. Nosotros no nos enfocaremos en este tipo de análisis pues son tratados en otras cátedras. Radiación Donde: , : emisividad y absortividad respectivamente de calor de las superficies A1, A2: Área de las superficies F12: Factor de vista entre la superficie 1 y superficie 2 La emisividad y absortividad de un cuerpo son propiedades de cada material y su terminación superficial, y determinan la proporción de energía que emite o absorbe el material respecto a un cuerpo negro (varían entre 0 y 1). Por otra parte el factor de vista es una constante geométrica que indica la fracción de calor que es irradiada por un cuerpo y que incide sobre el otro y viceversa. Balance de energía en materiales Independiente del modo de transferencia predominante podemos plantear -a través de la primera ley de termodinámica- el balance de calor para un volumen de material de la siguiente forma: Donde Q12 representa el calor intercambiado en el sistema en una fracción de tiempo y DT la variación de temperatura entre el estado inicial y el estado final. En equilibrio térmico la temperatura es constante y Q12 debe ser nulo. Al producto de la masa por el calor específico se lo llama inercia térmica y caracteriza la capacidad de un material a retener su temperatura en el tiempo. 7 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 PROPIEDADES TERMICAS DE LOS MATERIALES Del apartado anterior encontramos varios parámetros que caracterizan la transferencia de calor en cada modo. Estos parámetros son únicos para cada material y por lo tanto los llamaremos propiedades térmicas. En resumen: Las propiedad térmica que caracteriza la conducción es la conductividad (k) Las propiedades térmicas que caracterizan la radiación son la emisividad () y absortividad ( ). Las propiedades térmicas que caracterizan la tasa de absorción y liberación de energía en un material son la densidad (). Combinando las propiedades térmicas a conducción con la tasa de absorción y liberación de energía en un material podemos obtener la difusividad térmica. Conocidas estas propiedades podemos determinar la temperatura que va a alcanzar cualquier material en un instante de tiempo determinado. EFECTOS TÉRMICOS SOBRE MATERIALES DE USO ESPACIAL Para entender como los efectos térmicos pueden afectar a un satélite y sus materiales es necesario comprender la magnitud del ambiente espacial que lo rodea. Para un satélite de órbita polar baja Terrestre existen 4 fuentes de calor bien definidas: 1) Flujo de calor Solar (del orden de 1350 W/m2) 2) Flujo de calor Albedo (del orden de 405 W/m2) 3) Flujo de calor Terrestre (del orden de 236 W/m2) 4) Flujo de calor por espacio de fondo (del orden de 0,001W/m2) Figura 5: Esquema de flujos. Dependiendo de la orientación del vehículo (ángulo de orbita y actitud del satélite) tales flujos pueden actuar, o no, en forma combinada y generar todo tipo de estados de temperatura, gradientes y variaciones de temperatura en el tiempo (repentinas o no/suaves) sobre el material que lo pueden llevar a la falla (ver Figura 6 y Figura 7). 8 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 Estudiamos a continuación como los flujos ambientales en conjunto con las propiedades térmicas de un material pueden dar a lugar a los fenómenos antes citados. Para ello presentaremos una ecuación sencilla a partir de la cual se puede obtener la temperatura de equilibrio de una superficie orbitando la tierra. Temperatura de equilibrio sobre placas El intercambio de calor entre el vehículo y el ambiente es netamente por radiación y la conducción térmica solo actuara como medio disipador dentro del propio cuerpo. Luego, para determinar la temperatura en un punto de la órbita solo haremos uso del intercambio de calor por radiación. Teniendo en cuenta las Ecuaciones de radiación y de balance de energía se puede demostrar que en estado estacionario; para una superficie de una placa con una orientación determinada y que en términos de radiación la superficie se comporte como un cuerpo gris y difuso, la temperatura que alcanza en equilibrio es: Donde Fas se conoce como factor de vista entre el sol y la placa y representa la proporción de irradiación emitida por el sol que incide sobre la placa en función del ángulo que toma esta respecto al sol y Asol el área de la placa que está siendo irradiada. Análogamente para Fat y Atierra pero entre la placa y la Tierra y para Faa y Aalbedo entre la placa y el albedo. Aemision: es el área por la cual la placa radia calor (toda su superficie) y y representan la absortividad y emisividad del material. Nota 1: El flujo de calor por radiación de fondo se elimina por ser despreciable frente al sol, la tierra, o albedo. Nota 2: Por motivos que no se detallan aquí la absortividad del flujo de la tierra (Ir) es equivalente a la emisividad IR de la superficie (ir); es decir Ir=ir Estado de temperatura en equilibrio como función de las propiedades del material Para ejemplificar la influencia de las propiedades térmicas en los materiales y los resultados que pueden generar planteamos aquí un situación real para un satélite de órbita terrestre de baja altura. Analicemos el caso de una placa rectangular de 1m x 1m x 5mm de espesor de aluminio 6061 T6 con una superficie rugosa (esta placa puede representar una superficie cualquiera de un satélite). Asumiremos también que la superficie se encuentra girando en una órbita de 90º respecto 9 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 al ecuador y orientada directamente al sol (90º) como se indica en la Figura 2. Para esta orbita el flujo albedo es, en teoría, nulo. Figura 6: Esquema de flujo solar. Un aluminio 6061 T6 arenado presenta una emisividad de 0,30 y una absortividad de 0,57. Reemplazando en la ecuación (5) encontramos: Teq = 461ºK En el caso de antenas reflectoras de alta frecuencia se requiere un nivel de rugosidad muy bajo y se buscan superficies especulares prácticamente pulidas a espejo. Los valores y para esta terminación superficial en un aluminio (=0,37, =0,05) con lo cual resulta en una disminución importante de la temperatura de equilibrio. Gradientes espaciales Supongamos ahora que tenemos dos placas. Una placa de aluminio pulido orientada directamente al sol y la otra recubierta con un material de elevada emisividad y sin visión con el sol ni la tierra. La temperatura que alcanza la placa de aluminio ronda los 130ºC mientras que la que no observa ninguna fuente llega, en teoría, a -269ºC. Si la unión entre ambas placas es a través de una junta de tornillos que aíslan ambas placas entre sí tendríamos un problema estructural complejo debido a las grandes deformaciones a las que se verían solicitados tales tornillos (la diferencia térmica entre los extremos de cada tornillo es de 399ºC!. Si en lugar de aislar la junta agregamos un material muy conductivo lograríamos una temperatura media entre las dos placas reduciendo el gradiente y simplificando extremadamente las cargas estructurales a las que se encontraría sometida la junta. Ciclados de temperatura Los ciclados de temperatura en el material dependen de los siguientes parámetros: la inercia termica (m*Cp), la absortividad UV y emisividad IR del material, y de la variación de flujos de calor ambientales en el tiempo. Supongamos que la órbita de 90º respecto al ecuador presentada en la Figura 6 es ahora una órbita de 0º respecto al ecuador, siguiente figura. 10 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 Figura 7: Esquema de orbita. Para este tipo de orbita, durante un 50% del tiempo el satélite permanece bajo los efectos del sol, la tierra y el albedo (que ya no es despreciable); pero durante el resto del tiempo el sol y el albedo se anulan repentinamente. Dependiendo la inercia térmica del sistema (dada por los materiales) la temperatura puede caer rápidamente dando lugar a efectos de shock térmico. En caso donde la inercia térmica es moderada los fenómenos de shock térmico no se hacen presentes pero los sucesivos ciclos de sol-sombra dan lugar a ciclos de deformación térmica que resultan en problemas de falla por fatiga-térmica. En general la fallas por fatiga térmica son fallas de fatiga de bajos ciclos dominadas por ciclos de grandes deformaciones (siempre dentro del rango elástico). Conclusión De estos últimos análisis se desprende un concepto fundamental: la selección de materiales en función de sus propiedades térmicas definen el estado de temperaturas, gradientes y ciclados sobre una estructura, mecanismo, o componente electrónicos resultando de gran utilidad para el diseño de vehículos espaciales. Luego las propiedades térmicas de un material están íntimamente relacionadas con el comportamiento mecánico del satélite y deben ser adicionadas a las propiedades mecánicas como herramienta clave de selección de materiales durante el diseño. En general los componentes electrónicos y algunos mecanismos puden sobrevivir solo a temperaturas de entre +/-50ºC, mientras que los componentes estructurales como antenas u otros mecanismos no pueden ser solicitados por gradientes térmicos elevados. Esto ha llevado al desarrollo de nuevos materiales de uso espacial que permiten por ejemplo: aislar componentes del calor por radiación en forma directa (mantas MLI), o materiales capaces de aislar conductivamente el calor a la vez de brindar excelentes propiedades mecánicas (G10, Inox), como materiales que se acoplan perfectamente al calor emitido por el sol (pinturas negras) o materiales que lo rechazan en gran proporción (pinturas blancas); todos ellos con capacidades únicas para resistir fenómenos de alto vacío, temperaturas criogénicas, rayos UV y fenómenos de oxigeno atómico. A estos materiales los llamamos “materiales espaciales” porque deben cumplir con ciertas normas MIL, NASA, etc. que los hacen únicos para uso en el espacio. En el apartado siguiente se describen brevemente algunos de ellos 11 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 MATERIALES DE USO ESPACIAL A continuación se presentan algunos de los materiales de uso espacial mas utilizados en la industria junto a una breve reseña de sus características y usos principales. Pinturas Como se explico en apartados anteriores, la terminación superficial de los materiales incide directamente sobre sus propiedades termo-ópticas al variar su absortividad en UV y emisividad en IR. Por ejemplo, por inspección visual de una pieza se puede observar que un aluminio pulido se comporta como una superficie especular reflejando la luz visible mientras que un aluminio muy rayado (o arenado) es opaco y no refleja la luz. Las pinturas son uno de los materiales mas utilizados para variar las propiedades termo-ópticas del material sobre el que se aplican. Las hay de varios colores (al variar el color varia su relación /), pero las más utilizadas son la pintura blanca (=0,14; =0,89) y la pintura negra (=0,98; =0,91). La pintura negra se comporta como un absorbedor casi perfecto: absorbe un 98% de la luz UV y refleja solo un 10% evitando así problemas de reflexión; es por tanto muy utilizada para homogenizar la temperatura en habitáculos al evitar reflexiones indeseadas. La pintura blanca es muy utilizada como “radiador”: cuando colocamos un equipo electrónico que disipa energía y necesitamos que este la re-emita al ambiente evitando sobre-calentamiento por absorción de radiación solar se logra con este tipo de pinturas, que solo absorben un 14% de energía del sol pero emiten un 89% evitando alcanzar temperaturas elevadas en los equipamientos. Mantas de aislamiento multicapa (MLI, Multilayer Insulation) Las mantas MLI son, básicamente, aislantes térmicos del calor por radiación y como en el espacio el intercambio de calor por radiación con el ambiente es el único modo de intercambio de energía; las mantas MLI son el material que más se utiliza en los satélites. Por lo general el diseño térmico está basado en zonas que radian energía al espacio (caracterizadas por ejemplo por superficies pintadas en blanco) y el resto de las zonas aisladas del ambiente por MLI (Figura 9). Esta técnica de diseño nos permite radiar el calor por los sectores de menor incidencia ambiental (solar y terrestre) a la vez de brindar zonas de control térmico bien definidas. Para una superficie que radia calor libremente al espacio la ecuación (3) se reduce a: Donde es la emisividad IR de la superficie. Cuanto mayor sea la emisividad IR mayor acoplamiento por radiación vamos a tener entre T1 que puede representar a nuestra superficie y T2 que puede representar al espacio. Las mantas de aislamiento multicapa están conformadas por sucesivas capas separadas entre si y conformadas en mylar o kapton aluminizado cuya emisividad IR es muy baja, y separadas entre ellas por un material de muy baja conductividad térmica (en general polimétricos: como el 12 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 Dacron). En teoría mientras mas capas aluminizadas se agregan menor será la emisividad IR (pues el efecto de se multiplica) aunque por lo general luego de las 30 capas se empieza a perder efectividad por cuestiones constructivas. Los valores teóricos para 30 capas rondan en emisividades del orden de 0,001, aunque por las técnicas de fabricación existentes hoy en día los valores solo alcanzan una emisividad de entre 0,01 y 0,03 para muestras construidas muy delicadamente. El manipuleo posterior, la aplicación de la misma sobre partes del satélite, etc. degrada aun mas sus propiedades y los valores obtenidos pueden alcanzar desde emisividades de 0,03 hasta 0,3 para mantas muy mal fabricadas. Para evitar la degradación de las láminas con la exposición a UV y OA se suele agregar una última capa de Kapton, Mylar, o Teflón de elevado espesor. El Kapton y mylar presentan una terminación superficial en color dorado que generalmente caracteriza al recubrimiento observable de los satélites o sondas ya terminadas. (Figura 9). Figura 8: Disposicion de láminas protectoras en un satélite. Figura 9: Láminas dispuestas en un satélite. Aleaciones de Aluminio Por su relación resistencia/masa, su costo (accesible), y su sencillez para mecanizar en contraste con aleaciones de titanio y acero; es uno de los materiales más utilizados en los vehículos espaciales. Desde el punto de vista de sus propiedades térmicas y efectos térmicos; es un material que aun aleado exhibe excelentes propiedades de difusividad térmica que lo hace idóneo para superficies que actúan como radiadores o transporte del calor entre partes del equipo. Es un excelente conductor del calor (entre 130W/mk y 160W/mK) y superior al cobre en términos de 13 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 conductividad/peso. Su baja densidad tiende a generar valores de inercia térmica reducidos en comparación con el acero y puede resultar riesgoso para equipamiento de baja masa donde el excesivo ciclado en temperatura puede redundar en fallas mecánicas, electrónicas, etc. Aleaciones de Titanio El titanio presenta una excelente relación resistencia/masa y valores de conductividad térmica del orden de 13 W/mK, que en contraste con una aleación de cobre (230 W/mK) o una aleación de aluminio (130 W/mK) lo hacen un excelente aislante por conducción muy usado cuando se requieren aislar instrumentos entre si. Por otra parte es un material capaz de resistir tanto bajas como altas temperatura con buenas propiedades mecánicas que lo transforman en un material idóneo para uso espacial y muy utilizado como contenedor de equipamiento criogénico. Aleaciones de Acero: El acero inoxidable tiene prestaciones térmicas y estructurales muy similares al titanio e incluso es aun más aislante que el anterior (k del orden de 7 W/mK). Su desventaja radica en la relación resistencia/masa, pero su costo lo hace más utilizable. El acero inoxidable es muy utilizado en conjunto con compuestos de fibra de vidrio para el desarrollo de sujeciones termoestructurales que requieran de un alto grado de aislamiento térmico y resistencia estructural. Compuestos en fibra de vidrio – epoxy optimizados a flamabilidad. Estos compuestos se conocen con el nombre de G10 y se han desarrollado con fines de diseño termo-estructural. Al ser un material polimérico presenta una muy baja conductividad térmica: del orden de 0,3 W/mK y una tensión de rotura aceptable (del orden de 300Mpa). Si bien este material es conocido como G10, esta última palabra hace referencia a una norma de flamabilidad para la cual se asegura que en condiciones de alto vacío y a elevadas temperaturas el material no produzca emisión de gases. Luego el G10 es un material espacial por tener regulación que estandariza su emisión de gases en vacío (desgase) a niveles muy bajos. Compuestos con fibras de carbono. Las fibras de carbono no solo presentan muy bajos niveles de desgase sino también una resistencia única a la temperatura, elevada resistencia mecánica y bajo peso. Su bajo coeficiente de expansión (o contracción) térmica hace que sean cada vez más utilizados en antenas y reflectores. Las desventajas son su costo y conformabilidad, y solo se usan en aplicaciones críticas que requieran de tales propiedades. Paneles Honeycomb Prácticamente toda la estructura primaria de los satélites esta basada en paneles honeycomb. Los paneles son por lo general en núcleo de aluminio y facing de aluminio. En algunos casos se utilizan facings en carbono, aunque su baja conductividad térmica genera gradientes de calor elevados que los limita en la mayoría de las aplicaciones. Los paneles honeycomb presentan problemas de conductividad térmica a través de su espesor debido a su geometría irregular y fallas en el pegado durante la construcción y deben ser caracterizados por ensayos en la mayoría de los casos. 14 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo Materiales Aeronáuticos y Aeroespaciales 2020 Juntas térmicas Debido a las condiciones de vació en el espacio y debido a que la superficie de cualquier material es rugosa independiente del nivel de pulido que tengan: al unir dos piezas en el espacio estas pueden quedar aisladas unas debido a la baja conductancia que genera la unión (ver siguiente figura). Figura 10: Junta térmica por contacto. Para aumentar la conducción de calor entre las piezas se han desarrollado grasas y adhesivos siliconados de muy bajo nivel de desgase y buena conductividad térmica en función de su espesor como el RTV-566, 3M 966, Eccobond 256. También se han desarrollado juntas con materiales de muy baja rigidez que al ser presionados rellenan los intersticios entre ambos materiales; como ser: laminas de Iridio, Chotherm, thermattach, etc. La falla por conducción de calor en juntas secas es una de las principales causas de falla en integrados electrónicos, juntas estructurales a equipamiento electrónico disipativo. 15 Autores: Claudio Rimoldi, Fernando Cordisco, Luis Mariano Mundo
