Aerothermodynamic study of UHTC-based thermal protection systems

摘要

In questo lavoro è stata affrontata la problematica del riscaldamento aerotermodinamico di materiali ceramici resistenti ad elevate temperature (UHTC Ultra High Temperature Ceramics), tra i cui possibili impieghi si prevede quello di protezione termica dei futuri veicoli da rientro spaziale. Sono state sviluppate alcune metodologie per accoppiare la soluzione del campo fluidodinamico con il campo termico nel materiale di protezione, considerando anche gli effetti della cataliticità superficiale e della transizione da regime laminare a turbolento. L'analisi è stata effettuata con riferimento alla missione di rientro suborbitale (SRT) prevista nel programma spaziale italiano per veicoli non abitati. I risultati indicano che, per una corretta previsione dei carichi termici sui materiali UHTC, è essenziale una simulazione instazionaria che accoppi, istante per istante, il campo aerodinamico e quello termico nel materiale. L'analisi degli effetti di cataliticità superficiale dimostra che essi risultano trascurabili, per configurazioni aerodinamiche "a spigolo vivo", nelle condizioni di volo; d'altra parte, la capacità della superficie di promuovere la ricombinazione delle specie dissociate deve essere tenuta in conto durante prove sperimentali in gallerie ad alta entalpia. Inoltre, per la configurazione considerata, la transizione al regime turbolento ha un effetto critico sulla progettazione del sistema di protezione termica, poiché può causare un aumento della temperatura superficiale di almeno 400 K.%Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are coupled to a thermal analysis model to investigate the thermal response of the new Ultra High Temperature Ceramics (UHTC) being considered for Thermal Protection Systems (TPS) of future reusable re-entry vehicles. The numerical methodology has been applied to the Sub-orbital Re-entry Test (SRT), mission foreseen in the frame of the Italian unmanned space program. The numerical prediction of the aerodynamic heating of the "sharp" nose of the vehicle has been performed coupling the solution of the external aerodynamic flow field with the thermal field in the TPS; different methodologies have been applied, considering the effects of surface catalysis and laminar-turbulent transition. The results indicate that, for a correct prediction of the aerothermal loads on a UHTC material, coupled time-dependent simulations for both external aerodynamic flow and internal thermal field are essential. The numerical investigations also show that surface catalysis is of negligible importance for a sharp configuration in free flight, but it must be taken into account while performing ground tests in high enthalpy facilities. Furthermore, for the considered "sharp" configuration, laminar-turbulence transition effects are critical for TPS design, since they may increase TPS surface temperature of, at least, 400 K.