Metodi avanzati per la caratterizzazione e la modellazione dei materiali ablativi

Una delle più grandi sfide del trasporto spaziale consiste nel riportare un veicolo spaziale sulla Terra o nell’ottenere un ingresso e un atterraggio sicuro su altri pianeti. Durante la fase di ingresso nell’atmosfera del volo, il veicolo è esposto a sollecitazioni termiche estreme. Nella densa atmosfera di un gigante gassoso come Giove o Saturno questi carichi possono essere di due o tre ordini di grandezza superiori rispetto a quelli del rientro sulla Terra. Lo sviluppo di materiali più efficienti è essenziale per le missioni interplanetarie come ExoMars o le missioni di ritorno di prova.

Un modo di gestire carichi termici su un veicolo spaziale, causati dall’enorme velocità del rientro, consiste nel proteggere la struttura con un materiale caratterizzato da sufficiente protezione termica. Il metodo più efficace è il processo di ablazione termica, che blocca il trasferimento di calore causato dalla trasformazione dallo stato solido a liquido e gassoso. I prodotti gassosi di ablazione eliminano il calore dalla superficie durante il processo di degassamento.

Tuttavia, la maggior parte dei materiali di ablazione attualmente disponibili sono i risultati delle ricerche effettuate più di 20 anni fa. Recentemente l’Europa ha intensificato lo sforzo per lo sviluppo di materiali di ablazione di nuova generazione. Gli obiettivi principali del progetto ABLAMOD (“Advanced ablation characterization and modelling”), finanziato dall’UE, sono la caratterizzazione migliore del materiale, miglioramenti nelle tecniche di modellazione e misurazione fisica.

Il team ABLAMOD ha esaminato tre ablatori principali sulla base di composti fenolici di carbonio, composti fenolici di silice e sughero. Nuove tecniche spettroscopiche sono utilizzate per caratterizzare le proprietà di scorrimento ad alta entalpia e il comportamento del materiale in ambienti aerotermici estremi. Le tecniche di misura complementari consentono la determinazione delle proprietà del materiale come la densità, la conduttività termica, la capacità termica e la dilatazione termica a diversi livelli del processo di ablazione.

I dati sperimentali raccolti servono da punto di partenza per lo sviluppo e la validazione di modelli realistici per i processi di ablazione. I ricercatori ABLAMOD sviluppano moduli per l’interazione gas-superficie, fenomeni di trasporto e radiazione. La modularità dello strumento di accoppiamento di questi moduli e il codice di ablazione principale consentono la simulazione molto flessibile con diverse scale temporali. L’approccio di ABLAMOD per la modellazione dell’ablazione è unico in Europa. Attraverso una migliore comprensione della fisica di base, si prevede il compimento di un significativo passo verso un quadro di modellazione dell’ablazione predittiva, che consente l’adattamento dei materiali per una missione specifica.