Aerogéis de poliimida para proteção contra impactos balísticos

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13933 (2022) Citar este artigo

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O desempenho balístico de blocos de aerogel monolíticos de poliimida fixados na borda (12 mm de espessura) foi estudado através de uma série de testes de impacto usando uma pistola de gás cheia de hélio conectada a uma câmara de vácuo e um projétil esférico de aço (aproximadamente 3 mm de diâmetro) com um faixa de velocidade de impacto de 150–1300 ms−1. Os aerogéis tinham uma densidade aparente média de 0,17 g cm-3 com alta porosidade de aproximadamente 88%. A velocidade limite balística dos aerogéis foi estimada na faixa de 175–179 ms-1. Além disso, os aerogéis mostraram um desempenho robusto de absorção de energia balística (por exemplo, na velocidade de impacto de 1283 ms−1, pelo menos 18% da energia de impacto foi absorvida). Em baixas velocidades de impacto, os aerogéis falharam por alargamento do orifício dúctil seguido por uma falha de tração. Em contraste, em altas velocidades de impacto, os aerogéis falharam por meio de um processo de cisalhamento adiabático. Dado o desempenho balístico substancialmente robusto, os aerogéis de poliimida têm potencial para combater várias restrições, como restrições de custo, peso e volume em aplicações aeronáuticas e aeroespaciais com alta resistência à explosão e requisitos de desempenho balístico, como em escudos Whipple recheados para aplicação de contenção de detritos orbitais .

Detritos orbitais são resíduos de objetos lançados que ainda estão em órbita ao redor da Terra1. A fonte mais comum de detritos vem de explosões de objetos espaciais, resultando em partículas tipicamente em tamanhos milimétricos2. Devido às suas altas velocidades, por décadas, os detritos orbitais foram considerados uma das mais importantes ameaças à segurança dos voos espaciais3. A velocidade de impacto está na faixa de 7 a 10 km s-1 em órbita terrestre baixa4. Essa ameaça agora é ainda maior com o aumento da atividade espacial global5. Portanto, desenvolver um sistema de escudo leve, mas eficaz, contra partículas de hipervelocidade é crucial para qualquer missão de exploração espacial.

A esse respeito, Fred Whipple, na década de 1940, propôs um sistema de blindagem de detritos orbitais para espaçonaves, consistindo de uma fina folha de pára-choque sacrificial e uma parede traseira espessa separada por uma certa distância6,7. O papel da folha de pára-choques sacrificial é quebrar os detritos e fazer uma nuvem de detritos. A espessura da parede traseira deve ser suficiente para suportar o momento da explosão da nuvem de detritos. Além disso, para melhorar o desempenho da blindagem dos escudos Whipple, eles são normalmente preenchidos com tecidos de alta resistência, como várias camadas de tecidos Nextel e Kevlar7.

Atualmente, os escudos Whipple recheados são usados ​​principalmente na Estação Espacial Internacional (ISS) para contenção de detritos orbitais8. Normalmente na ISS, os pára-choques são Al 6061-T6 de 2 mm de espessura, as paredes traseiras são Al 2219-T87 ou Al 2219-T851 de 4,8 mm de espessura e os materiais de enchimento são 6 camadas de Kevlar 29 estilo 710 com 6 camadas de Tecidos Nextel AF62 em distâncias diferentes entre si7,9. A distância total entre a parede do para-choque e a parede traseira é superior a 11 cm, sem espaçamento de material entre elas. A configuração atual do projeto é essencialmente baseada na maximização da relação força-peso do interior da blindagem. No entanto, esse design ainda é volumoso e pode ser melhorado com reduções adicionais não apenas no peso total, mas também no volume total da blindagem. Uma abordagem importante é usar materiais resistentes a impactos de baixa densidade no espaçamento dos escudos Whipple recheados para desacelerar/capturar nuvens de detritos secundários em suas microestruturas10. O uso de materiais resistentes a impactos de baixa densidade como um aumento do escudo interno oferece um aumento no desempenho balístico dos materiais de enchimento. Isso também permite uma redução na espessura da parede traseira de metal pesado do sistema de blindagem, bem como uma redução no espaçamento entre o pára-choque Whipple e a placa traseira, o que potencialmente levaria a uma economia significativa de massa e volume.