La guida completa al TPS di un mezzo spaziale: prospettive e sviluppi futuri

In questo quarto articolo dedicato ad approfondire il sistema di protezione termica (TPS o Thermal Protection System in inglese) analizzeremo alcune prospettive future di questa tecnologia. Cliccando qui si possono trovare tutti e quattro gli articoli della Guida completa al sistema di protezione termica di un mezzo spaziale.

Il TPS è un sistema fondamentale per un veicolo spaziale, sia in fase di ascesa che di rientro in atmosfera, e nessun veicolo può esserne sprovvisto. Per questo motivo la ricerca per ottimizzare sistemi di protezione termica già esistenti, o per svilupparne di nuovi, non si arresterà. Molti paesi e agenzie spaziali si sono impegnati ad avviare programmi di sviluppo per nuove tecnologie da impiegare in questo settore.

La NASA, ad esempio, ha riservato una delle 16 sezioni delle 2015 NASA Technology Roadmaps al sistema di gestione termica, dove sono indicati gli obbiettivi da raggiungere per il 2035 per quanto concerne il TPS. Questi obbiettivi sono abbastanza generici e servono a indicare la direzione da intraprendere per lo sviluppo di nuove tecnologie, materiali, tecniche di simulazione e validazione e processi costruttivi.

Sono quindi rappresentativi di ciò a cui il settore spaziale in generale punta nel prossimo futuro in tema TPS. Sono tre le categorie individuate dalla NASA sulle quali la ricerca si dovrà focalizzare nel prossimo futuro:

Ascent/Entry TPS
TPS Modeling and Simulation
TPS Sensors and Measurement Systems

Ascent/Entry TPS

Nel primo caso si tratta di sviluppare dei sistemi e dei materiali particolarmente leggeri (mass-efficient), che siano in grado di resistere ad alti flussi di calore (superiori a 5000W/cm2) e ad alte velocità di rientro (superiori a 11km/s). I sistemi più promettenti a oggi sembrano essere TPS di tipo ablativo, con particolare attenzione rivolta a nuove tecniche di costruzione e integrazione dei sistemi (conformal TPS, woven TPS) necessarie a ridurre i costi e migliorare le prestazioni rispetto ai TPS rigidi usati finora.

Altri concetti da sviluppare ed esplorare sono quelli relativi a TPS flessibili e/o gonfiabili per specifiche missioni su Marte o Venere, da usare per rallentare il veicolo durante la discesa nelle fasi in cui i flussi di calore sono moderati. In ambito europeo, per esempio, il progetto EFESTO punta a sviluppare un sistema di protezione termica gonfiabile da usare per missioni su Marte.

Possibile utilizzo del sistema gonfiabile in fase di sviluppo nell’ambito del progetto europeo EFESTO per una missione su Marte. Credits: EFESTO Project

Al fine d’incrementare ulteriormente la sicurezza dei sistemi di protezione termica sono anche incoraggiati studi per TPS che siano riparabili nello spazio e/o che siano in grado di auto-ripararsi (soprattutto in caso di danni da micrometeoriti e piccoli detriti spaziali). Infine, l’attenzione è rivolta anche ai materiali da impiegare nella produzione dei TPS, in modo da eliminare l’utilizzo di quelli dannosi per l’ambiente che per questo potrebbero rendere obsolete delle tecnologie altrimenti valide.

TPS Modeling and Simulation

Il secondo obbiettivo punta al miglioramento delle tecniche e degli strumenti per la modellazione e la simulazione che vengono utilizzati nella progettazione dei TPS. Molti codici di calcolo numerico sono in grado di analizzare solo parti singole del problema del rientro atmosferico (come la parte aerodinamica, quella strutturale o le reazioni chimico-fisiche dei materiali), richiedendo quindi l’uso iterativo di più codici nella progettazione di un componente. Questo con tutte le difficoltà d’interfaccia che ne derivano.

Lo sviluppo e l’uso di codici accoppiati, in grado cioè di simulare più aspetti del problema in contemporanea, risulta dunque cruciale per ridurre i margini e i costi nella progettazione del TPS. A ciò si aggiunge la necessità di avere a disposizione più dati sperimentali per poter validare i codici di calcolo e i modelli numerici utilizzati per descrivere i vari fenomeni fisici. Questo aspetto si lega direttamente all’ultimo punto della roadmap.

TPS Sensors and Measurement Systems

Il terzo obbiettivo indicato dalla NASA punta a migliorare le tecniche e gli strumenti di misurazione utilizzati per raccogliere dati durante i test e i rientri dei veicoli in atmosfera. Infatti, è di fondamentale importanza riuscire a quantificare con precisione valori come la temperatura superficiale, i flussi di calore, la risposta termica dei materiali impiegati e altro durante le varie fasi del rientro in atmosfera.

Per quanto avanzate le strutture sperimentali di terra possano essere, è improbabile che permettano di testare tutte le condizioni che un veicolo dovrà affrontare nella realtà. Quindi si rende necessario avere sensori e tecniche di misurazione affidabili per raccogliere dati di volo più accurati possibile. Come menzionato in precedenza, migliori sono i dati a disposizione, più possibilità ci saranno di migliorare i modelli di calcolo usati nel design dei futuri sistemi di protezione termica e più questi ultimi saranno efficaci ed efficienti.

Uno degli aspetti più critici delle simulazioni al computer è la loro validazione con dati “reali”. L’immagine mostra la diversa densità (o, più propriamente, i suoi gradienti) del gas nelle vicinanze di una sfera: nelle zone più scure il gas è più compresso. In questo caso la soluzione numerica (riquadro chiaro) è in buon accordo con i risultati sperimentali della galleria del vento. Si pone poi il problema di validare la galleria del vento stessa con dei dati di volo, non sempre però disponibili. Credits: Figura 14 da H.G. Hornung and P. Lemieux, “Shock layer instability near the Newtonian limit of hypervelocity flows”, Physics of Fluids 13, 2394 (2001).

Un elemento imprescindibile per ogni missione spaziale

Come visto nel corso di questa rubrica, il sistema di protezione termica svolge un ruolo fondamentale in quei veicoli aerospaziali che devono sopravvivere al volo attraverso l’atmosfera, sia essa terrestre o di un altro pianeta. Il TPS si è reso necessario sin dai primi passi compiuti dall’uomo nell’ambito dell’esplorazione spaziale, e il suo sviluppo nel corso degli anni è proseguito seguendo varie filosofie progettuali, che hanno permesso di adattare questo sistema alle specifiche necessità delle diverse applicazioni.

Come evidente dalla road map stilata dalla NASA, il processo di evoluzione del TPS è lontano dall’essere concluso, e l’avvento di nuove tecnologie costruttive, materiali e strumenti di simulazione spingeranno non solo a trovare soluzioni sempre più adatte alle problematiche attuali, ma anche a creare nuove opportunità per l’esplorazione spaziale.

La guida completa al sistema di protezione termica di un mezzo spaziale è una guida ideata e scritta da Giuseppe Chiapparino.
Qui si può leggere il primo articolo di questa guida e tutti i sucessivi.

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