El escudo térmico del transbordador espacial, mostrando las baldosas cerámicas y paneles de carbón reforzado que lo constituyen.

Escudo térmico descartado del Opportunity en Marte. Está invertido por impactar contra el suelo.

En aeronáutica, un escudo térmico es la capa protectora de una nave espacial o misil balístico que está diseñado para protegerlos de las altas temperaturas producidas por el rozamiento con las capas altas de la atmósfera durante su reentrada desde el espacio. También se considera necesario en el diseño de un avión de alta velocidad.

Forma

H. Julian Allen del National Advisory Committee for Aeronautics (Comité Nacional Asesor de Aeronáutica) descubrió en 1952 que la "forma de plato" hacía más efectivo el escudo térmico. Esta forma incrementa la resistencia y crea una onda expansiva delante de la nave espacial causada por choque con la atmósfera, desviando el calor fuera de la nave. Sin embargo el aire contenido entre el escudo térmico y la onda expansiva está sometido a altas presiones, que convierten el gas en plasma muy caliente. El calor que genera el plasma, debe ser disipado por el material de que esté hecho el escudo térmico.

Escudos Térmicos Desechables

Es el tipo de escudo térmico más simple y barato, disipa el calor producido por el plasma permitiendo la vaporización de sus capas externas. Así, estos escudos se desgastaban con la reentrada en la atmósfera, quedando inutilizables para posteriores usos.

Todas las naves espaciales primitivas a excepción de la primeras cápsulas del Proyecto Mercury (que era suborbital) usaban tecnologías desechables para ayudar con la transición de las altas velocidades orbitales a los regímenes aeronáuticos donde las naves pueden volar, como hacen los actuales transbordadores espaciales o desplegar paracaídas para aterrizar, como se hacía con las cápsulas espaciales de los programas Mercurio o Apollo.

Así, los escudos térmicos, son usados virtualmente por todas las naves espaciales y en muchos de los misiles balísticos, en los que no importa si el escudo térmico puede aguantar una segunda reentrada.

El Astronauta Andrew S. W. Thomas echa un vistazo debajo del Transbordador espacial Atlantis en Centro Espacial Kennedy.

Escudos Térmicos Reutilizables

Cuando fue diseñado el sistema de Transbordador espacial, se decidió que el uso de escudos térmicos desechables no era una aproximación eficiente. En su lugar los transbordadores espaciales están cubiertos en su parte inferior por miles de baldosas cerámicas (HRSI High-temperature Reusable Surface Insulation, que quiere decir, aislamiento reutilizable de superficies de altas temperaturas) diseñadas para aguantar múltiples reentradas únicamente con pequeñas reparaciones entre misiones. Sin embargo, se probó que el diseño original era algo menos robusto de lo que se pensaba; el transbordador sufría frecuentes pérdidas y daños de estas baldosas. El 16 de enero de 2003, el accidente que llevó a la destrucción del Transbordador Columbia se atribuyó al desprendimiento de un trozo de espuma aislante del tanque externo, que impactó en la parte inferior del ala izquierda provocando daños en las losetas de protección térmica cerca del tren de aterrizaje.

Enfriamiento Pasivo

En algunos misiles balísticos y en la cápsula espacial Mercurio se usaron disipadores de calor para aliviar el calentamiento producido por el plasma. Sin embargo la técnica requería una considerable cantidad de metal, añadiendo por tanto mucho peso al aparato. A consecuencia de esto su uso es poco común.

Algunos aviones de alta velocidad, como el SR-71 Blackbird y el Concorde, abordan el problema del calentamiento de forma similar a como lo sufren las naves espaciales pero con menor intensidad. La onda expansiva afecta morro del avión y lo calienta por la compresión que sufre el aire en torno suyo al aproximarse a la barrera del sonido. Generalmente el calor es conducido a través superficies de aleaciones de aluminio o titano, u ocasionalmente de acero inoxidable. En el caso del Concorde el morro puede alcanzar una temperatura de operación máxima de 127 ºC, 180 ºC más caliente que el aire externo.

Enfriamiento Activo

En varios avances sobre naves espaciales reutilizables y diseños de aviones hipersónicos se ha propuesto recientemente el uso de escudos térmicos hechos de aleaciones resistentes al calor, algunos de estos incluyen sistemas en los que el agua o combustible criogénico circulan sobre o a través de ellos para enfriarlos.

Temperaturas

La temperatura a la que llega normalmente la nave al penetrar en la atmósfera es de unos 1.500 ºC. Las temperaturas alcanzadas en las reentradas más violentas (14.000 ºC) sufridas por una nave espacial fueron soportadas por la sonda atmosférica que portaba la nave Galileo, que penetró en la atmósfera de Júpiter a 106.000 millas/h (47,4 km/s). El escudo térmico, estaba hecho de carbono-fenólico y constituía alrededor del 50% de la masa de la sonda antes de la reentrada.

Véase también:

• Conservación de la energía para más detalles sobre la conversión de Energía cinética en Energía térmica.

Véase también

• Sistema de protección térmica del transbordador espacial
• Reentrada atmosférica
• Ventana de reentrada