Thermal Performance of Additively Manufactured Lattice and Honeycomb Sandwich Cores for Heat Shielding

Nel mondo ad alta posta in gioco dell'ingegneria aerospaziale, proteggere un veicolo dal calore bruciante del rientro atmosferico è una questione di vita o di morte. Quando uno spazioflutto o un velivolo ipersonico si tuffa nuovamente nell'atmosfera, l'aria davanti ad esso si comprime e si riscalda fino a migliaia di gradi, creando una barriera termica che può fondere i metalli standard in pochi secondi. Per sopravvivere a questo, gli ingegneri si affidano a sistemi di protezione termica, spesso costruiti come pannelli a sandwich. Queste strutture consistono in due pelli esterne sottili e resistenti separate da un nucleo leggero. Il compito del nucleo non è quello di sostenere il peso del veicolo, ma di agire come isolante termico, impedendo al calore della pelle esterna rovente di raggiungere l'elettronica delicata e i serbatoi di carburante all'interno. Per decenni, lo standard del settore per questo nucleo è stato una struttura a nido d'ape, realizzata con sottili fogli di metallo incollati insieme in un motivo esagonale. È un design collaudato e affidabile, ma è limitato dagli strumenti utilizzati per produrlo; la forma a nido d'ape è fissa e il materiale è uniforme in tutto il componente.

Un team di ricercatori presso la Malla Reddy Deemed to be University in India ha esplorato una strada diversa, resa possibile dal rapido avanzamento della stampa 3D, o produzione additiva. Invece di restare bloccati con il tradizionale nido d'ape, si sono chiesti se potessero progettare un nucleo con un'architettura interna tridimensionale più complessa che potesse bloccare il calore in modo ancora più efficace. Si sono concentrati su un particolare modello geometrico noto come reticolo octet-truss, che appare come una struttura ripetitiva di montanti interconnessi, simile a un'impalcatura microscopica. Utilizzando un computer per simulare condizioni di calore estremo, hanno confrontato questo nuovo design a reticolo direttamente con il vecchio standard a nido d'ape, testandoli a vari livelli di densità del materiale per vedere quale mantenesse la parte posteriore del pannello più fresca e stabile.

I ricercatori hanno costruito modelli digitali dettagliati di entrambi i pannelli sandwich, utilizzando una lega di alluminio per i materiali, e li hanno sottoposti a due tipi di scenari di calore intenso. Nel primo scenario, hanno simulato una fonte di calore costante e regolare, mantenendo la superficie superiore a una temperatura rovente di 500 gradi Celsius mentre la parte inferiore rimaneva fresca. Nel secondo scenario, più dinamico, hanno colpito la superficie superiore con un massiccio burst di flusso termico per cinque minuti, imitando il riscaldamento improvviso e violento che un veicolo potrebbe sperimentare durante un volo ad alta velocità. Hanno eseguito queste simulazioni attraverso una gamma di densità, da molto leggera e ariosa a leggermente più densa, per trovare il punto di equilibrio in cui il materiale fosse abbastanza leggero da essere pratico ma abbastanza denso da bloccare il calore.

I risultati di queste simulazioni sono stati chiari e favorevoli per il nuovo design. Il nucleo a reticolo prodotto con produzione additiva si è dimostrato un isolante superiore rispetto al tradizionale nido d'ape. Nel test di calore costante, la struttura a reticolo ha condotto il calore attraverso il pannello con un'efficienza inferiore di circa il 26 percento rispetto al nido d'ape. Questa differenza di prestazioni si è tradotta direttamente nella temperatura sul lato posteriore del pannello protetto. Quando la parte superiore è stata sottoposta all'intenso burst di calore di cinque minuti, la parte posteriore del pannello a nido d'ape ha raggiunto una temperatura di 315 gradi Celsius. Il pannello a reticolo, tuttavia, è rimasto significativamente più fresco, con la sua faccia posteriore che ha raggiunto solo 287 gradi Celsius al 5% di densità, e raggiungendo un minimo di 256 gradi Celsius alla densità più bassa testata del 3%. Si tratta di una differenza di quasi 30 gradi, un margine che potrebbe essere il fattore decisivo nel determinare se un sensore sopravviva a una missione o fallisca.

Oltre a tenere fuori il calore, la struttura a reticolo ha gestito meglio anche lo stress fisico del calore. Man mano che i materiali si scaldano, si espandono e possono deformarsi o piegarsi, il che può compromettere l'integrità strutturale di un veicolo. Il pannello a nido d'ape si è deformato di 2,34 millimetri sotto il carico termico, mentre il pannello a reticolo si è deformato solo di 1,94 millimetri. Questa riduzione del 17 percento della flessione suggerisce che il design a reticolo sia non solo uno scudo termico migliore, ma anche uno più stabile, resistendo alla distorsione causata dalle variazioni estreme di temperatura. I ricercatori hanno scoperto che il vantaggio del reticolo deriva dalla sua forma; a differenza del nido d'ape, che ha pareti verticali dritte che permettono al calore di viaggiare direttamente dall'alto verso il basso, il reticolo è composto da montanti angolati. Questi percorsi angolati costringono il calore a seguire una rotta più lunga e tortuosa, rallentandolo. Inoltre, la natura aperta del reticolo permette un maggiore scambio di radiazione interna, il che aiuta a dissipare il calore all'interno del nucleo invece di lasciarlo passare direttamente attraverso.

Lo studio ha anche identificato intervalli di densità specifici in cui questo design a reticolo offre le migliori prestazioni. Sebbene i nuclei più leggeri blocchino generalmente meglio il calore perché c'è meno metallo solido per condurlo, i ricercatori hanno scoperto che se il nucleo è troppo leggero, il calore può viaggiare attraverso i vuoti d'aria tramite la radiazione. Hanno determinato che una densità relativa compresa tra il 7 e il 10 percento offre un equilibrio ottimale per minimizzare le temperature della faccia posteriore nel contesto dei trade-off specifici tra conduzione e radiazione, sebbene la temperatura minima della faccia posteriore di 256°C sia stata osservata alla densità del 3%. A queste densità, il nucleo a reticolo mantiene il suo vantaggio, mantenendo la faccia posteriore circa 20 o 30 gradi più fresca rispetto all'equivalente a nido d'ape. Questa scoperta fornisce una linea guida concreta per gli ingegneri che potrebbero voler passare a questi nuovi materiali, mostrando esattamente quanto materiale è necessario per ottenere la migliore protezione senza aggiungere peso superfluo.

Sebbene questi risultati si basino su simulazioni al computer piuttosto che su test fisici in galleria del vento, la coerenza dei risultati attraverso diverse condizioni di calore e densità offre un forte argomento per il potenziale di queste strutture. I ricercatori hanno osservato che il design a reticolo consente un livello di personalizzazione impossibile con la produzione tradizionale, come la creazione di nuclei con densità variabili in diversi strati per ottimizzare ulteriormente le prestazioni. Sebbene lo studio sia stato limitato all'alluminio e non abbia tenuto conto di ogni variabile del mondo reale come la rugosità superficiale o il legame imperfetto, i dati suggeriscono che i nuclei a reticolo prodotti tramite stampa 3D potrebbero presto sostituire il vecchio standard a nido d'ape. Per la prossima generazione di veicoli spaziali e ipersonici, ciò potrebbe significare sistemi di protezione termica più leggeri, più freschi e più affidabili, trasformando un complesso modello geometrico in uno scudo vitale contro le fiamme del rientro.