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

In de hooggestoken wereld van de lucht- en ruimtevaarttechniek is het beschermen van een voertuig tegen de verzengende hitte van de atmosferische terugkeer een kwestie van leven of dood. Wanneer een ruimtevaartuig of hypersonisch vliegtuig terug in de atmosfeer duikt, wordt de lucht voor het voertuig samengedrukt en verhit tot duizenden graden, wat een thermische barrière creëert die standaard metalen binnen enkele seconden kan doen smelten. Om dit te overleven, vertrouwen ingenieurs op thermische beschermingssystemen, die vaak zijn opgebouwd als sandwichpanelen. Deze structuren bestaan uit twee dunne, sterke buitenste huiden die gescheiden worden door een lichtgewicht kern. De taak van de kern is niet om het gewicht van het voertuig te dragen, maar om te fungeren als een thermische isolator, die voorkomt dat de hitte van de verschroeiende buitenste huid de delicate elektronica en brandstoftanks aan de binnenkant bereikt. Decennialang was de industriestandaard voor deze kern een honingraatstructuur, gemaakt van dunne metaalfolies die in een hexagonaal patroon aan elkaar zijn gelijmd. Het is een bewezen, betrouwbaar ontwerp, maar het wordt beperkt door de gereedschappen die worden gebruikt om het te maken; de honingraatvorm is vast en het materiaal is overal uniform.

Een team van onderzoekers aan de Malla Reddy Deemed to be University in India heeft een ander pad verkend, mogelijk gemaakt door de snelle vooruitgang van 3D-printen, of additieve fabricage. In plaats van vast te zitten aan de traditionele honingraat, vroegen zij zich af of ze een kern konden ontwerpen met een complexere, driedimensionale interne architectuur die hitte mogelijk nog effectiever zou blokkeren. Ze concentreerden zich op een specifiek geometrisch patroon dat bekend staat als een octet-truss rooster, dat eruitziet als een herhalend framework van onderling verbonden staven, lijkend op een microscopisch steigerwerk. Door een computer te gebruiken om extreme hittecondities te simuleren, vergeleken ze dit nieuwe roosterontwerp direct met de oude honingraatstandaard, waarbij ze deze testten bij verschillende niveaus van materiaaldichtheid om te zien welke de achterkant van het paneel koeler en stabieler zou houden.

De onderzoekers bouwden gedetailleerde digitale modellen van beide sandwichpanelen, waarbij aluminiumlegering werd gebruikt voor de materialen, en onderwierpen deze aan twee soorten intense hitte-scenario's. In het eerste scenario simuleerden ze een constante, gelijkmatige warmtebron, waarbij de bovenste oppervlakte op een verschroeiende 500 graden Celsius werd gehouden terwijl de onderkant koel bleef. In het tweede, meer dynamische scenario, bestookten ze het bovenste oppervlak met een enorme uitbarsting van hitteflux gedurende vijf minuten, wat de plotselinge, gewelddadige verhitting nabootst die een voertuig tijdens een hogesnelheidsvlucht zou kunnen ervaren. Ze voerden deze simulaties uit over een reeks dichtheden, van zeer licht en luchtig tot iets dichter, om het ideale punt te vinden waar het materiaal licht genoeg is om praktisch te zijn, maar dik genoeg om de hitte tegen te houden.

De resultaten van deze simulaties waren duidelijk en gunstig voor het nieuwe ontwerp. De additief vervaardigde roosterkern bleek een superieure isolator te zijn vergeleken met de traditionele honingraat. In de test met constante hitte geleidde de roosterstructuur hitte ongeveer 26 procent minder efficiënt door het paneel dan de honingraat. Dit verschil in prestaties vertaalde zich direct naar de temperatuur aan de beschermde achterzijde van het paneel. Toen de bovenkant werd blootgesteld aan de intense, vijf minuten durende hittegolf, bereikte de achterkant van het honingraatpaneel een temperatuur van 315 graden Celsius. Het roosterpaneel bleef echter aanzienlijk koeler, waarbij de achterzijde een temperatuur van slechts 287 graden Celsius bereikte bij een dichtheid van 5%, en een minimum van 256 graden Celsius behaalde bij de laagst geteste dichtheid van 3%. Dat is een verschil van bijna 30 graden, een marge die het verschil kan betekenen tussen het overleven van een sensor tijdens een missie of het falen ervan.

Naast het buitenhouden van de hitte, kon de roosterstructuur ook de fysieke spanning van de hitte beter aan. Naarmate materialen warm worden, zetten ze uit en kunnen ze vervormen of buigen, wat de structurele integriteit van een voertuig kan aantasten. Het honingraatpaneel vervormde met 2,34 millimeter onder de thermische belasting, terwijl het roosterpaneel slechts 1,94 millimeter vervormde. Deze reductie van 17 procent in buiging suggereert dat het roosterontwerp niet alleen een beter thermisch schild is, maar ook een stabieler schild, dat beter bestand is tegen de vervorming die gepaard gaat met extreme temperatuurveranderingen. De onderzoekers ontdekten dat het voordeel van het rooster voortkomt uit de vorm; in tegen tegenstelling tot de honingraat, die rechte, verticale wanden heeft waardoor hitte direct van de bovenkant naar de onderkant kan reizen, bestaat het rooster uit schuine staven. Deze schuine paden dwingen de hitte om een langere, meer kronkelende route af te leggen, wat de snelheid ervan vermindert. Bovendien zorgt de open natuur van het rooster voor meer interne stralingsuitwisseling, wat helpt om de hitte binnen de kern te dissiperen in plaats van er recht doorheen te laten gaan.

De studie identificeerde ook specifieke dichtheidsbereiken waar dit roosterontwerp het best presteert. Hoewel lichtere kernen over het algemeen hitte beter blokkeren omdat er minder massief metaal aanwezig is om de hitte te geleiden, ontdekten de onderzoekers dat als de kern te licht is, hitte door de luchtopeningen kan reizen via straling. Ze bepaalden dat een relatieve dichtheid tussen 7 en 10 procent een optimaal evenwicht bood voor het minimaliseren van de achterzijde-temperaturen in de context van de specifieke afwegingen tussen geleiding en straling, hoewel de absoluut laagste achterzijde-temperatuur van 256°C werd waargenomen bij een dichtheid van 3%. Bij deze dichtheden behield de roosterkern zijn voordeel en hield de achterzijde ongeveer 20 tot 30 graden koeler dan de honingraatvariant. Dit bevinding biedt een concrete richtlijn voor ingenieurs die wellicht willen overstappen op deze nieuwe materialen, door precies aan te geven hoeveel materiaal nodig is voor de beste bescherming zonder onnodig gewicht toe te voegen.

Hoewel deze bevindingen gebaseerd zijn op computersimulaties in plaats van fysieke windtunneltests, biedt de consistentie van de resultaten over verschillende hittecondities en dichtheden een sterk pleidooi voor het potentieel van deze structuren. De onderzoekers merkten op dat het roosterontwerp een niveau van maatwerk mogelijk maakt dat onmogelijk is met traditionele fabricage, zoals het creëren van kernen met variërende dichtheden in verschillende lagen om de prestaties verder te optimaliseren. Hoewel de studie beperkt was tot aluminium en niet rekening hield met elke realistische variabele zoals oppervlakte ruwheid of imperfecte hechting, suggereren de gegevens dat 3D-geprinte roosterkernstructuren binnenkort de oude honingraatstandaard zouden kunnen vervangen. Voor de volgende generatie ruimtevaartuigen en hypersonische voertuigen kan dit betekenen: lichtere, koelere en betrouwbaardere thermische beschermingssystemen, waarbij een complex geometrisch patroon wordt omgevormd tot een vitaal schild tegen de vuren van de terugkeer in de atmosfeer.