Aerogel di poliimmide per protezione dagli impatti balistici

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13933 (2022) Citare questo articolo

2079 accessi

2 citazioni

3 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Le prestazioni balistiche dei blocchi monolitici di aerogel di poliimmide fissati sui bordi (spessore 12 mm) sono state studiate attraverso una serie di test di impatto utilizzando una pistola a gas riempita di elio collegata a una camera a vuoto e un proiettile sferico in acciaio (circa 3 mm di diametro) con un intervallo di velocità di impatto di 150–1300 ms−1. Gli aerogel avevano una densità apparente media di 0,17 g cm−3 con un'elevata porosità di circa l'88%. Si stima che la velocità limite balistica degli aerogel sia compresa tra 175 e 179 ms−1. Inoltre, gli aerogel hanno mostrato una robusta prestazione di assorbimento dell'energia balistica (ad esempio, alla velocità di impatto di 1283 ms−1 è stato assorbito almeno il 18% dell'energia di impatto). A basse velocità di impatto, gli aerogel hanno ceduto a causa dell'allargamento del foro duttile seguito da un cedimento per trazione. Al contrario, ad alte velocità di impatto, gli aerogel si sono rotti attraverso un processo di taglio adiabatico. Date le prestazioni balistiche sostanzialmente robuste, gli aerogel di poliimmide hanno il potenziale per combattere molteplici vincoli come restrizioni di costo, peso e volume in applicazioni aeronautiche e aerospaziali con elevata resistenza alle esplosioni e requisiti di prestazioni balistiche come negli scudi Whipple imbottiti per applicazioni di contenimento di detriti orbitali .

I detriti orbitali sono residui di oggetti lanciati che sono ancora in orbita attorno alla terra1. La fonte più comune di detriti proviene dalle esplosioni di oggetti spaziali che danno origine a particelle tipicamente di dimensioni millimetriche2. A causa della loro elevata velocità, per decenni i detriti orbitali sono stati considerati una delle minacce più importanti alla sicurezza del volo spaziale3. La velocità dell'impatto è compresa tra 7 e 10 km s−1 in un'orbita terrestre bassa4. Questa minaccia è ora ancora più grande con la crescente attività spaziale globale5. Pertanto, lo sviluppo di un sistema di protezione leggero ma efficace contro le particelle iperveloci è fondamentale per qualsiasi missione di esplorazione spaziale.

A questo proposito, Fred Whipple negli anni '40 propose un sistema di scudo orbitale per i detriti per i veicoli spaziali costituito da un sottile foglio sacrificale del paraurti e da una spessa parete posteriore separata da una certa distanza6,7. Il ruolo del paraurti sacrificale è quello di frantumare i detriti e creare una nuvola di detriti. Lo spessore della parete posteriore dovrebbe essere sufficiente a resistere all'esplosione della nube di detriti. Inoltre, al fine di migliorare le prestazioni di schermatura degli scudi Whipple, sono generalmente imbottiti con tessuti ad alta resistenza come diversi strati di tessuti Nextel e Kevlar7.

Attualmente, gli scudi Whipple imbottiti vengono utilizzati principalmente sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) per il contenimento dei detriti orbitali8. Tipicamente sulla ISS, i paraurti sono Al 6061-T6 di 2 mm di spessore, le pareti posteriori sono di Al 2219-T87 o Al 2219-T851 di 4,8 mm di spessore e i materiali di imbottitura sono 6 strati di Kevlar 29 stile 710 con 6 strati di Tessuti Nextel AF62 a diverse distanze l'uno dall'altro7,9. La distanza totale tra la parete del paraurti e la parete posteriore è superiore a 11 cm senza spazio di materiale nel mezzo. L'attuale configurazione progettuale si basa essenzialmente sulla massimizzazione del rapporto resistenza/peso dell'interno dello scudo. Tuttavia, questo design è ancora ingombrante e può essere migliorato con ulteriori riduzioni non solo del peso totale ma anche del volume totale dello scudo. Un approccio importante consiste nell'utilizzare materiali resistenti agli urti a bassa densità nella spaziatura degli scudi Whipple imbottiti per decelerare/catturare nubi di detriti secondari nelle loro microstrutture10. L'utilizzo di materiali resistenti agli urti a bassa densità come rinforzo dello scudo interno offre un aumento delle prestazioni balistiche dei materiali di imbottitura. Ciò consente anche una riduzione dello spessore della parete posteriore in metallo pesante del sistema di protezione, nonché una riduzione della distanza tra il paraurti Whipple e la piastra posteriore, il che porterebbe potenzialmente a un significativo risparmio di massa e volume.