ISTEC - CNR R&D «Capabilities» per lo spazio

Transcript

1 ISTEC - CNR R&D «Capabilities» per lo spazio Frédéric MONTEVERDE Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici, Via Granarolo 64, I Faenza, Italy Workshop CNR / SPIN-IT Roma (CNR - sede), 13 Luglio 2012

2 ISTEC é l unico Istituto CNR con attività e programmi poliennali di ricerca e sviluppo che interessano i materiali ceramici in un ampio spettro di applicazioni Energia e Ambiente High-tech and Nanotechnologie Patrimonio Culturale Materiali Bioceramici Innovare MATERIALI e PROCESSI, a livello nazionale ed extra-nazionale a favore di quelle aree scientifiche, industriali e culturali per le quali i MATERIALI CERAMICI e loro dispositivi trovano applicazione e guidano l innovazione

3 R&D «Capabilities» ISTEC per lo spazio Protezioni termiche per ambienti estremi Componenti per la propulsione Componenti per razzi Finestre elettro-magnetiche trasparenti Parti per «Heat Pipes» Superfici smart «de-icing»

4 Protezioni termiche per ambienti estremi Applicazione Protezioni termiche per ambienti estremi Componente «Sharp leading edges» per veicoli ipersonici e/o rientro atmosferico, inserti ugelli per la propulsione Capability Progettazione composizionale, sviluppo, caratterizzazione e realizzazione di dimostratori tecnologici a forma complessa a base di materiali ceramici ultrarefrattari (Ultra High Temperature Ceramics) Esempi di veicoli ipersonici a profilo «sharp»

5 «Ultra-high temperature ceramics» «Termometro» delle temperature di fusione Combinazione favorevole di proprietà per applicazioni nell aerospazio temperatura di fusione durezza conduttività termica ed elettrica resistenza all ossidazione ed ablazione resistenza meccanica ad alta temperatura

6 Tecnologia «sharp leading edge» 0.1 mm 10 mm 15 mm Dimostratore «sharp wedge» in UHTC realizzato presso ISTEC F.Monteverde, R.Savino, ZrB 2 SiC sharp LEs in high enthalpy supersonic flows J.Amer. Ceram.Soc 95(7) 2282 (2012) Workshop CNR SPIN-IT 13 Luglio Roma

7 Protezioni termiche per ambienti estremi ISTEC-CNR è attivamente coinvolta da oltre 15 anni in attività R&D sulla tematica «UHTC» attraverso collaborazioni scientifiche e partecipazione a progetti di grande rilevanza nazionale ed internazionali Principali Stakeholders Centro Italiano Ricerca Aerospaziali (CIRA) Agenzia Spaziale Italiana (ASI) Carlo Gavazzi Space (CGS) Centro Sviluppo Materiali (CSM) Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Università di Napoli «Federico II» Amministrazione Difesa (AD) European Office of Aerospace Research and Development (EOARD) Agenzia Spaziale Europea (ESA) National Science Foundation (NSF) Attività Ricerca scientifica di base, progettazione-sviluppo e produzione di nuove formulazioni Caratterizzazione stabilità materiali in ambiente estremo Fabbricazione di prototipi di forma e dimensione varie Pubblicazione di oltre 70 articoli su riviste internazionali ISI «peer-reviewed»

8 Esempi di prototipi-dimostratori in UHTC Dimostratori «lab-scale» Profilo alare in UHTC testato presso L2K DLR (Germania)

9 Esempi di prototipi-dimostratori in UHTC Progetto di ricerca «DEDALO» Sviluppo prototipo UHTC a forma complessa dotato di structural health monitoring a fibra ottica per il damage detection Hollow Nose-cone

10 Esempi di prototipi-dimostratori in UHTC Progetto PRORA-USV-UHTC Sviluppo e realizzazione di Nose-caps UHTC massivi (in collaborazione con CIRA) Progetto ASA Realizzazione bordo alare d attacco in ceramico massivo (ASI/Thales-Alenia, in collaborazione con CIRA)

11 Esempi di prototipi-dimostratori in UHTC Due prototipi, con funzione di porta-campione materiale biologico, sono posizionati su capsula FOTON e pronti per la prossima missione BION-M1 (9/2012). Attività in collaborazione con DIAS Uni Na Federico II, ESA (sezione Aerotermodinamica) e team russo TsKB-IMBP (Moscow Medical Institute) Focus: test in condizioni reali da rientro atmosferico Diametro totale 70 mm

12 Protezioni termiche per ambienti estremi Applicazione Protezioni termiche per ambienti estremi Componente «Sharp leading edges» per veicoli ipersonici e/o rientro atmosferico I ceramici massivi UHTC sono pronti (TLR 5) per componenti di ridotte dimensioni Capability Progettazione composizionale, sviluppo, caratterizzazione e realizzazione di dimostratori tecnologici con forma complessa a base di materiali ceramici compositi a fibra lunga funzionalizzati a) Pre-forme di «Ceramic Matrix Composites» funzionalizzate con l aggiunta di UHTC nelle specie di precursori, polveri, «coatings» b) Ceramici massivi UHTC tenacizzati mediante l introduzione di fibre ceramiche refrattarie (corte)

13 Carburi ultra-refrattari per la propulsione Applicazione: propulsione per razzi/satelliti Componente: ugelli per motori razzi a combustibile solido o liquido Capability: sviluppo di carburi ultra-refrattari a base di TaC, HfC e ZrC e relativi processi ceramici con prestazioni superiori per motori di razzi e turbine più efficienti Vantaggi: - aumento della durata - costo ciclo di vita inferiore - applicazioni dual use Strutture a base di TaC o HfC monolitiche o segmentate Strutture a composito TaC/TaC e HfC/HfC Zero Erosion Nozzle Throats Componente di motore a combustibile solido

14 Propulsione a solare termico per veicoli spaziali Applicazione: propulsione veicoli spaziali da orbita terreste ad altre orbite, per manovre orbitali, «over-boost» Principio: la radiazione solare, catturata e focalizzata da specchi spaziali in una cavità nera all interno della quale il calore viene assorbito e trasferito al propellente (idrogeno) che passa all ugello producendo la spinta. Componente: assorbitore solare di un sistema a propulsione ad idrogeno con riscaldamento solare Capability: combinazione di tecnologie per lo sviluppo dei materiali a base di carburi ultrarefrattari di Ta, Hf e Zr e relativi processi per le necessarie tessiture e strutture e caratterizzazione di materiali.

15 Propulsore per razzi Applicazione: controllo altitudine e manovre in orbita di satelliti Componente: propulsore (thruster) per motore razzi Capability: progettazione e sviluppo di camere di combustione ed ugelli a base di nitruro di silicio (Si 3 N 4 ) per «thrusters» ceramici Vantaggi: unica combinazione di resistenza meccanica, leggerezza, rigidità, resistenza alla corrosione ed abrasione, durezza per un temperatura di esercizio fino a 1500 C; «Thruster» per razzo a base di Si 3 N 4 montato per «test stand» test in miscela H 2 /O 2 Schema di un «thruster»

16 «Radomes» in nuove matrici ceramiche all-weather Applicazione: finestre trasparenti elettro-magnetiche per a) la protezione di sensori ad alta risoluzione su aerei, elicotteri, UAV per il controllo del territorio in condizioni ambientali severe (incendi, terremoti) in sostituzione della rete di sensori terrestri (ambito aeronautico) b) la protezione di sensori per misurazioni radioastronomiche e studi satellitari, studi climatici ed ambientali, operanti su navicelle spaziali in condizione di alte temperature, shock termici, vibrazioni (ambito spaziale) Componente: «radomes» Capability: progettazione e realizzazione dimostratori di «radomes» ceramici in nuove matrici ceramiche avanzate per applicazioni ad elevate performance termo-meccaniche all weather

17 Evaporatori ceramici per «heat-pipes» Applicazione: controllo termico sistemi per lo spazio Componente: «heat-pipe» Capability: progettazione e sviluppo di materiali ceramici porosi a base di ossidi dielettrici per la sostituzione di materiali convenzionali (metalli, polimeri) nell evaporatore Vantaggi: - basso costo e versatilità tecnologica - miglior capillarità e permeabilità - elevata inerzia termica e chimica - ridotta conduttività termica Esempio di evaporatore ceramico di LHP

18 Superfici «smart» (Rivestimenti nano-strutturati funzionalizzanti) Applicazione superfici anti-ghiaccio Componente parte strutturali (e non) veivolo (ali e vetri di aerei) Capability progettazione di materiali per rivestimenti caratterizzati da super-idrofobicità statica e dinamica per innescare efficaci meccanismi di de-icing Superfici super-idrofobiche realizzate presso ISTEC Rivestimento funzionale