ES2252477T3 - Sistema de proteccion termica que tiene una densidad variable de fibras. - Google Patents

Abstract

Un sistema de protección térmica para proteger una superficie sometida a una carga térmica elevada, que comprende: un sustrato de fibras que tiene un lado externo y un lado interno opuesto, en el que dicho lado externo está orientado en el sentido contrario a la superficie, y en el que dicho lado interno encara la superficie; en el que dicho sustrato tiene una densidad variable de fibras, con un aumento de dicha densidad de fibras en una dirección que va desde el lado externo hasta el lado interno, en el que el sustrato de fibras es un material antidesgaste de material compuesto de C-C que comprende un sustrato de fibras de carbono rigidizadas, reforzado mediante una matriz de carbono, e impregnado con una resina antidesgaste a base de silicio.

Description

Sistema de protección térmica que tiene una densidad variable de fibras.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a materiales protectores térmicos (TPM) para la industria aeroespacial, y más particularmente a un material compuesto de carbono reforzado que tiene una densidad variable de sustrato antes de la impregnación, el cual está impregnado con una resina antidesgaste a base de silicio que se cura y se fabrica para formar configuraciones estructurales que son útiles para su montaje sobre la superficie exterior de una estructura a proteger mediante el TPM, y a un método para obtenerlos.

Antecedentes de la invención

Durante la reentrada en la atmósfera, un vehículo está sometido a condiciones térmicas extremas. A medida que el vehículo entra en contacto con la atmósfera a velocidades muy elevadas, las fuerzas de rozamiento liberan grandes cantidades de energía térmica, la cual puede elevar la temperatura hasta niveles que son destructivos para la cubierta exterior. Para proteger al vehículo de las temperaturas elevadas y del cizallamiento del viento, la cubierta exterior del vehículo está revestida típicamente con TPM, que actúan como aislantes y que se diseñan para soportar estas condiciones térmicas extremas.

Los materiales compuestos de carbono-carbono (C-C) son una clase de TPM que se ha empleado en tales condiciones con eficacia probada. El éxito de un TPM particular requiere que el sistema tenga una resistencia mecánica suficiente a temperaturas elevadas, produzca reacciones endotérmicas con la descomposición, y que tenga una elevada capacidad de emisión de la superficie.

En su forma más simple, un material compuesto de carbono-carbono se fabrica combinando fibras de carbono con una resina orgánica, habitualmente una resina epoxídica o fenólica productora de gran cantidad de carbono, y la fibra de carbono y la matriz de la resina resultante se cura para lograr una estructura tridimensional tal como una baldosa, un taco u otro objeto. La matriz tiene una densidad, un volumen vacío y un grado de resistencia mecánica.

La fibra de carbono y la matriz de la resina se someten entonces a un tratamiento a temperatura elevada, el cual descompone la matriz de resina a carbono puro, un proceso denominado carbonización. La carbonización cambia el revestimiento de la resina de una resina orgánica a carbono libre, que reviste las fibras de carbono y rellena parcialmente los espacios vacíos de la matriz con carbono libre. El TPM se puede someter a varios ciclos de carbonización, un proceso conocido como densificación. El resultado de la densificación es crear un sustrato más rígido, con un menor volumen vacío. La superficie carbonizada del sustrato tiene una capacidad estructural a temperatura elevada, que es una característica deseable.

Los materiales compuestos de C-C convencionales se fabrican de manera tal para producir una estructura muy rígida y muy rellena, con una porosidad mínima. Hay muchas maneras de densificar materiales de C-C, incluyendo la infiltración con brea de petróleo, la infiltración con resinas fenólicas u otras resinas orgánicas, o la infiltración con vapor de carbono (CVI) usando hidrocarburos de bajo peso molecular, tales como metano. Cualquier sustancia usada para la densificación debe tener una producción elevada de carbono mediante carbonización. Se requieren ciclos repetidos de impregnación y carbonización para primero infundir el material con los materiales de carbono, y después para calentarlos hasta una temperatura suficientemente elevada (generalmente por encima de 500ºC) para carbonizar el material infiltrante y crear porosidad para otros ciclos de densificación posteriores. Un intervalo típico de densidad para un material compuesto de C-C con una porosidad del 5% es aproximadamente 1,6 a 1,8 g/cc, dependiendo de los materiales infiltrantes y de las fibras de carbono usados en el material compuesto.

El uso de TPM a base de materiales compuestos de C-C en vehículos de reentrada hipersónicos, de larga duración, a altitudes elevadas, muestra, sin embargo, algunas características que pueden restringir la realización de la misión. Una limitación importante de estos materiales es que están sujetos a oxidación en condiciones térmicas extremas. La oxidación que experimentan estos TPM durante la reentrada de larga duración puede dar como resultado grandes cambios de la configuración de la cubierta externa del vehículo. Son inaceptables cambios de la forma que afecten de forma adversa a la resistencia mecánica y a la aerodinámica del vehículo. Para compensar la pérdida de integridad mecánica o estructural, que puede conducir a cambios de la forma, típicamente se aumenta el grosor del material. Sin embargo, el aumento del grosor se añade de forma inaceptable al peso y al volumen del vehículo, reduciendo de este modo la capacidad de carga útil, y aumentando el coste.

Aunque la clase de TPM de C-C los hacen buenos candidatos para aplicaciones aeroespaciales debido a sus excelentes propiedades estructurales a temperaturas elevadas, los cambios de forma debido a la oxidación pueden aún ser un problema. Para resolver esto, se han realizado grandes esfuerzos en revestimientos resistentes a la oxidación para materiales compuestos de C-C, sin embargo con un éxito limitado. Los revestimientos desarrollados hasta la fecha están restringidos hasta niveles de temperatura generalmente por debajo de los experimentados durante la reentrada en la atmósfera, o en otras aplicaciones de temperatura elevada. También, los costes y duración del revestimiento (la duración en forma de manejo de microagrietamiento, la aparición de picaduras, los impactos de partículas y el daño debido a la manipulación en tierra) son aspectos importantes cuando se consideran revestimientos para uso en TPM de materiales compuestos de C-C.

La tecnología de la ablación emplea varios mecanismos para el manejo de los niveles elevados de energía térmica liberada durante la reentrada. Tres de éstas son la vaporización y descomposición (pirólisis) de la resina, y el enfriamiento transpiracional subsiguiente en la capa frontera. Todos estos procesos absorben calor. La producción de grandes cantidades de gas es una medida de una habilidad del sistema a base de la ablación para absorber calor. La producción de gas también se puede aumentar impregnando el sustrato de C-C con un material orgánico diseñado específicamente para vaporizarse y pirolizarse con la exposición del sistema a cargas elevadas de temperatura. Los materiales usados en estos sistemas de transpiración pasiva, conocidos como refrigerantes, incluyen materiales tales como resinas de polietileno o epoxídicas, resinas acrílicas o fenólicas.

En tal sistema, se crea en el material una zona de pirólisis, en la que la resina y cualesquiera refrigerantes suplementarios presentes se calientan hasta temperaturas en las que los materiales orgánicos se descomponen. El efecto es la absorción de calor y la creación de carbono adicional que puede permanecer en la zona de pirólisis y/o que se puede depositar sobre las fibras de carbono y en el volumen vacío del sustrato. De este modo, el peso final del material antidesgaste de C-C, y la capacidad para absorber calor, están directamente relacionados con la cantidad de resina disponible en el material compuesto de C-C antes de la reentrada.

En la superficie del material antidesgaste de C-C, el calor se vuelve a radiar debido a las propiedades refractantes del sustrato de carbono. Además, los gases producidos en la zona de pirólisis en el material de ablación de C-C se liberan a la superficie a una temperatura relativamente fría comparada con las condiciones en la superficie. Este efecto, conocido como transpiración del gas de pirólisis, proporciona un enfriamiento a la superficie del TPM. La desventaja de los sistemas de transpiración pasiva descritos aquí incluyen la elevada densidad global del material y la elevada presión interna provocada por la formación repentina de gases en el material. Los sistemas de ablación que pueden crear y después liberar grandes volúmenes de gas muestran de este modo una mayor capacidad para absorber y disipar el calor de la reentrada.

A este respecto, la estructura del sustrato de C-C es importante para la eficacia global del material antidesgaste. El volumen vacío se puede rellenar con una resina u otro refrigerante para proporcionar la materia prima para la producción de gases. Además, los métodos de construcción del sustrato pueden permitir mayores vías de transpiración para la liberación de los gases. Los sistemas que generan grandes volúmenes de gas a lo largo de un corto período de tiempo también generan presiones internas elevadas. Tal presión provoca el agrietamiento interno en el sustrato (microgrietas), y también el desconchamiento en la superficie. Estos efectos son destructivos para la integridad mecánica del sistema, y pueden conducir al fallo del sistema. Por lo tanto, las vías mejoradas de transpiración también protegen al sistema de los efectos de esta presión interna.

La patente U.S. 5.635.300, de Kostikov, et al., describe un avance en la técnica de materiales antidesgaste cerámicos o de C-C, mediante la introducción de resinas a base de silicio en el sustrato de C-C. Con la descomposición y la exposición subsiguiente a las temperaturas muy elevadas en la superficie, la resina de silicio reacciona con el sustrato de carbono para formar un revestimiento de carburo de silicio (SiC) sobre aquellas fibras que experimentan las condiciones de alta temperatura. La formación de SiC es más resistente a la oxidación que el carbono, y de este modo actúa fortaleciendo el sustrato de carbono formando un armazón de SiC en las áreas de temperatura extrema. Cuando las condiciones prolongadas de temperatura elevada y cizallamiento del viento en la superficie conducen a la pérdida de SiC, el sustrato de carbono recientemente expuesto sufre una reacción adicional para formar nuevo SiC, regenerando de este modo el armazón protector.

La capa de SiC que se forma sobre las fibras del sustrato de carbono en el interior del material antidesgaste tiene un coeficiente diferente de expansión térmica (CTE) que el propio carbono. El resultado es que, cuando el sistema se somete a cambios de temperatura, el revestimiento de SiC en el sustrato de carbono forma microgrietas. Estas grietas forman conductos para la entrada de aire, lo que conduce a la oxidación del sustrato de carbono, con la pérdida resultante de resistencia e integridad del material antidesgaste.

En Kostikov, se crea un sustrato de carbono-SiC obteniendo una preforma plástica de carbono compuesta de fibras de carbono y un aglutinante de resina de termoendurecimiento, y termotratándola para formar una matriz de coque reforzada con fibras de carbono. La matriz de coque se densifica infiltrando con carbono pirolítico y termotratando la preforma a 1900 hasta 2000 grados centígrados. Según esta invención, los canales de los poros se forman después de la cristalización del carbono depositado en la matriz. La densificación es seguida del tratamiento con silicio, que forma una estructura de SiC en los espacios de los poros del material compuesto. Las fibras de carbono pueden estar en forma de un tejido tejido o de un sustrato tejido.

La patente U.S. 5.672.389, de Tran, et al., describe un material antidesgaste cerámico de baja densidad que emplea un sustrato cerámico fibroso que tiene, antes de la impregnación con una matriz de resina, una densidad de alrededor de 0,15 a 0,2 g/cc. Tran incluye fibras de carbono dentro de la definición del término cerámico. El sustrato cerámico se impregna con una disolución de baja viscosidad que contiene una resina orgánica en un disolvente. El exceso de infiltrante se elimina, seguido de la eliminación del disolvente a vacío, dejando fibras revestidas con resina, y un sustrato que tiene una densidad media de 0,15 a 0,4 g/cc. Tran describe que el material antidesgaste resultante puede tener una distribución uniforme de resina sobre las fibras cerámicas, o una distribución no uniforme. La distribución no uniforme tiene el beneficio de lograr el grado necesario de ablación en la superficie externa, a la vez que tiene un peso ligero en la superficie interna, en la que no se experimentan temperaturas extremas.

Además, en las condiciones oxidantes en la superficie, el silicio reacciona con oxígeno atmosférico para formar un revestimiento de óxido de silicio (SiO_{2}), que se manifiesta en sí mismo como una capa vítrea sobre la superficie externa del material antidesgaste. Esta mezcla de SiO_{2} más carbono libre y SiC libre tiene una capacidad de emisión elevada de superficie, lo que mejora la capacidad del material para radiar calor desde la superficie debido a la convección y la rerradiación desde el sustrato de carbono.

La patente U.S. 5.965.266, de Goujard, et al. describe un TPM de material compuesto de carbono-SiC (C-SiC) que tiene un mecanismo de autorreparación para la reparación in situ de la matriz de C-SiC. La matriz se trata térmicamente para formar SiC y carburo de silicio (BC) sobre la matriz de C-SiC. La capa de SiC mejora la resistencia mecánica del sistema. Sin embargo, debido a la diferencia en CTE, la matriz experimenta un agrietamiento destructivo cuando se expone a los cambios de temperatura experimentados durante la reentrada. Estas grietas crean vías que permiten la entrada de aire, lo que provoca la oxidación de la matriz de C-SiC, debilitando de este modo mecánicamente la estructura del TPM.

La invención de Goujard proporciona silicio y boro libres disponibles como precursores vítreos que reaccionan con el carbono expuesto en las condiciones de temperaturas elevadas y de oxidación de la reentrada. Los precursores vítreos forman una capa vítrea autorreparadora en las grietas, cerrando la vía para la oxidación interna del sustrato.

Además de la resistencia y la densidad de un sistema de ablación, la manera en la que el material se monta sobre la cubierta aeroespacial, y la incorporación de capas adicionales de aislamiento, también tienen relación con el éxito del TPM. La patente U.S. nº 3.152.548, de Schwartz, describe un sistema mediante el cual se une una serie de alambres enrollados a la cubierta aeroespacial, y el TPM cerámico se monta sobre los rollos de metal, creando de este modo un espacio entre la cubierta aeroespacial y el TPM cerámico. Este espacio se rellena con un material termoaislante flexible, proporcionando de este modo una protección de aislamiento añadida a la cubierta aeroespacial. La patente describe que el uso de el alambre enrollado compensa las diferencias de expansión térmica entre la cubierta aeroespacial metálica y el aislante cerámico.

El documento US 4.713.275 describe un sistema de protección térmica cerámico, y el documento US 5.242.723 describe un aislante térmico que comprende un fieltro de fibra de carbono unido a una resina carbonizada.

Sumario de la invención

Por lo tanto, es un objeto principal de la invención proporcionar un material de protección térmica (TPM) que es un material antidesgaste de carbono-carbono (C-C), y que tiene un coste relativamente bajo, una baja densidad, una resistencia mecánica elevada, y que ofrece un alto grado de protección frente a la oxidación. La presente invención permite que se fabrique el TPM de una manera en la que las variables de resistencia, peso y absorción de calor se pueden variar a través del grosor o la longitud del TPM para lograr un equilibrio óptimo de estas variables al coste más bajo obtenible. El material antidesgaste de C-C de la presente invención también proporciona una estructura con conductos, que permiten velocidades mejoradas de transpiración de los gases producidos. El TPM antidesgaste de C-C de esta invención también incluye métodos de construcción que permiten configuraciones nuevas y útiles del TPM antidesgaste de C-C, de forma que se puede incorporar material aislante entre el TPM y la cubierta aérea del vehículo.

El sustrato de C-C de la presente invención es un objeto tridimensional que puede estar tejido o no tejido. La densidad de las fibras aumenta a lo largo del grosor del TPM, aumentando de este modo la resistencia del sustrato en esa dirección. La densidad de fibras se puede variar variando el método de tejeduría o el tipo de tejido usado (es decir, tejidos tejidos, no tejidos, tricotados o trenzados). Además, la invención puede incluir la costura del tejido, lo que aumenta la interconexión de las fibras a lo largo del grosor de la estructura (la dirección z). El cosido también sirve para aumentar la porosidad en la dirección z, proporcionando de este modo conductos mejorados para la transpiración de los gases de ablación producidos en condiciones de temperatura elevada, tales como durante la reentrada. También se pueden emplear métodos mejorados de tejeduría que pueden crear estructuras tridimensionales, para variar la densidad de la fibra en la dirección z, y para aumentar las velocidades de transpiración del material antidesgaste.

El material antidesgaste de C-C de esta invención está impregnado con una resina orgánica que tiene una producción elevada de carbono, y la matriz resultante se cura. El sustrato revestido resultante se somete a uno o más ciclos de carbonización para densificar el sustrato. Después de los ciclos de carbonización, el sistema se trata con una resina antidesgaste a base de silicio, y se cura.

Inherente a esta invención es el uso de una resina antidesgaste a base de silicio. La resina a base de silicio está disponible por debajo de la superficie del material compuesto, y cuando se calienta fluye a la superficie para reaccionar con el carbono para producir SiC. De este modo, mientras que la resina antidesgaste sirve como un refrigerante para el sistema, las reacciones químicas que ocurren a temperaturas elevadas en el material antidesgaste también sirven para proporcionar resistencia mecánica al sustrato de C-C, creando un revestimiento de SiC resistente a la oxidación.

Durante la reentrada, las temperaturas elevadas son suficientes para oxidar el sustrato de carbono. Esto conduce a la recesión de la superficie del material antidesgaste, dando como resultado una pérdida de la resistencia mecánica y, en consecuencia, cambios en la forma de la superficie del vehículo. Estos cambios de forma pueden afectar negativamente a la aerodinámica del vehículo, lo cual es inaceptable. La temperatura elevada del sistema durante la reentrada crea SiC a partir de una reacción del silicio con el carbono del sustrato. Entonces, durante la reentrada, parte de la capa carbonizada se oxida. A medida que eso ocurre, el carbono es sustituido por SiC, lo que proporciona un revestimiento protector que resiste a la oxidación. Además, a medida que se produce la recesión en la superficie del material antidesgaste, el sustrato de carbono expuesto reacciona adicionalmente con el silicio para formar una capa de carburo de silicio en el área afectada.

Además, a las temperaturas elevadas, el silicio en los gases producidos por la pirólisis de la resina reacciona con el oxígeno en la atmósfera en la superficie del material antidesgaste para producir dióxido de silicio (SiO_{2}), junto con una mezcla de carbono libre y SiC. Esta mezcla puede ser muy transmisora. Con la oxidación posterior, la concentración de SiO2 aumenta en la temperatura, proporcionando una protección al carbono y al SiC de la subsuperficie frente a la oxidación.

Otro aspecto de esta invención es que la formación de SiC no se produce hasta que el sistema se somete a las temperaturas elevadas de la reentrada. Esta característica de la creación de la matriz de SiC in situ evita los efectos destructivos del microagrietamiento que se producen cuando un sustrato de C-C y una matriz de SiC se someten a cambios de temperatura elevada y/o a esfuerzos mecánicos.

Lo que se ha desarrollado es un enfoque único para formar un material compuesto de C-C de bajo coste con un método in situ para proporcionar una protección duradera frente a la oxidación. No sólo es éste un enfoque de menor coste, sino que ofrece una resistencia mejorada a la ablación en comparación con los materiales compuestos de C-C convencionales usados hasta la fecha. Se usa un C-C de menor densidad (1,3 a 1,5 g/cc). Esto da como resultado ahorros significativos de costes, debido a que se requieren menores números de ciclos de densificación. Este material se infiltra con una resina antidesgaste a base de silicio (tal como una RTV, fabricada por General Electric Corp.), usando un procedimiento de moldeo por transferencia de resina (RTM).

El procedimiento de RTM implica evacuar el aire de la muestra en un molde cerrado e impregnar a presión a la muestra con RTV para rellenar los poros disponibles del sustrato. Puesto que la invención requiere que los materiales de RTV se almacenen en el sustrato, para que estén disponibles para la protección durante el calentamiento de la reentrada, se proporcionan las medidas necesarias para este área de almacenamiento, en forma de un mayor volumen vacío. Además, el sustrato de C-C se debe diseñar y fabricar de forma que este volumen de almacenamiento y la distribución sean predecibles. Esto es importante para controlar la cantidad de RTV, puesto que demasiada cantidad de RTV puede crear una elevada presión de gas interna durante la exposición a temperaturas elevadas. La falta de suficiente RTV da como resultado la pérdida de los efectos protectores del sistema antidesgaste durante la fase de reentrada del vuelo.

Otras realizaciones de la invención incluyen un sustrato de C-C que se crea mediante un procedimiento de tejeduría tridimensional conocido como trenzado de entrelazamiento de múltiples capas. Este método de tejeduría se puede usar para producir un sustrato de fibra de carbono tridimensional, con la gradación deseada de densidad de fibras en una dirección. El objeto tejido tridimensional tiene una gran resistencia en la dirección z, y evita los problemas experimentados con tejidos bidimensionales que tienen una menor integridad e interconexión a lo largo de las capas de la composición.

El trenzado de entrelazamiento de múltiples capas es una técnica que permite una prensa tridimensional interconectada, que se puede formar en una forma tridimensional. La técnica puede lograr una estructura 3-D con variación en la densidad de fibras en la dirección z. El sustrato 3-D resultante tiene una mayor resistencia en la dirección z, y permite conductos mejorados para la transpiración de gas en la dirección z. El sustrato resultante se puede coser para conductos de transpiración e interconexión adicionales. El trenzado de entrelazamiento de múltiples capas se describe en un artículo titulado 3-D Braided Composites, Design and Applications, Brookstein, D. (Albany on Composite Materials, septiembre, 1993), cuya descripción se incorpora aquí como referencia.

Una ventaja adicional de la actual invención, no obtenible por otras composiciones en la técnica, es la capacidad para controlar no sólo la densidad frente a la resistencia del sustrato, sino también la cantidad de resina antidesgaste disponible para ser pirolizada, y por lo tanto disponible como refrigerante. La actual invención tiene una densidad variable y un volumen vacío a lo largo del grosor del TPM. Las áreas con mayor volumen vacío contienen mayores cantidades de RTV disponible para la ablación durante la reentrada. Por lo tanto, la capacidad de enfriamiento del TPM varía dependiendo de la densidad del sustrato de C-C. Las capas externas pueden contener un mayor volumen de refrigerante, mientras que las capas interiores pueden mostrar una mayor resistencia mecánica.

Para proporcionar sistemas de materiales que satisfagan los requisitos anteriores de porosidad y desgasificación, existen varias técnicas de fabricación candidatas. Éstas incluyen una estructura de tejeduría de tejido abierto, puesto que los bucles inherentes con el proceso de tejeduría proporciona bolsillos naturales de porosidad disponible para el almacenamiento de RTV. Otro concepto es una estructura tejida con espacios a propósito entre hebras adyacentes para crear el volumen necesario para el almacenamiento de RTV. Otro concepto es una estructura tejida de múltiples capas que usa una máquina de tejeduría de tipo Jacquard. La arquitectura del tejido en tal estructura se puede personalizar fácilmente para proporcionar el volumen para el almacenamiento de RTV. Otro concepto que ofrece la opción de bajo coste es una preforma no tejida. Tal preforma se puede fabricar con una orientación preformada en una construcción en capas. Además, este concepto, así como los otros conceptos mencionados, se puede beneficiar de un proceso de cosido para añadir integridad estructural.

Hay un número de formas para incorporar conductos de desgasificación para la estructura. Una manera es coser la preforma antes del proceso de densificación de C-C. Este proceso taladra la cara de la preforma tejida en un patrón regular o personalizado, o en una rejilla. Este proceso de cosido provoca que un porcentaje de las fibras que son taladradas se alineen a lo largo de la dirección del cosido, creando un componente de fibra de grosor de paso. Esto no sólo produce conductos mediante los cuales los gases migran fuera del componente, sino el refuerzo de grosor de paso añadido aumenta las propiedades mecánicas interlaminares.

Otro mecanismo para proporcionar conductos de gas de grosor de paso es la conformación en T. La conformación en T es un método mediante el cual las fibras se insertan directamente en la preforma. La conformación en T se describe en la Patente U.S. nº 6.103.337 cedida a Albany International Corp., Techniweave Division, titulada, Fiber Reinforced Structures and Method of Making Same, cuya descripción se incorpora aquí como referencia. Con este método, se pueden controlar la profundidad de penetración del espaciamiento de la conformación en T, y la orientación. La conformación en T también puede ser un método seleccionado para unir mecánicamente la capa de protección externa a los elementos de soporte, para producir componentes estructurales tridimensionales.

Empleando la conformación en T, el concepto de material descrito se puede personalizar a los requisitos de aplicación particulares. El TPM se puede fabricar en configuraciones que son estructuralmente capaces de soportar las cargas estructurales térmicamente inducidas, y las cargas aerodinámicas de reentrada y maniobra. El sistema del material se puede diseñar para transferir eficazmente las cargas aunque no actúa como un conducto de calor desde la cubierta aérea.

Otra mejora de esta invención implica los métodos mejorados de unión de un material de aislamiento entre el material antidesgaste y la cubierta externa del vehículo. El material antidesgaste, que está hecho de un sustrato de fibra de carbono, se puede conformar en configuraciones ventajosas. Estas características estructurales pueden tomar la forma de acanaladuras en forma de T y reforzantes, canales de abeja de C-C, acanaladuras tejidas integralmente, formas de C-C corrugadas y otras formas ventajosas. El espacio producido instalando el material antidesgaste en la forma de una configuración corrugada, unida en T, o similar, se rellena con un material aislante para añadir una protección térmica adicional al sistema.

Otra realización de esta invención es fabricar un material de cinta de tejido de carbono con RTV que contiene silicio impregnado en la superficie del tejido. Este material se puede laminar entonces usando calor y presión para formar un componente estructural, reforzado con fibra, con el esquema de protección con silicio ya en el sitio. Este es un procedimiento que no requeriría el procesamiento del C-C.

Breve descripción de los dibujos

De este modo se realizarán, mediante la presente invención, sus objetos y ventajas, cuya descripción se debe tomar en combinación con los dibujos, en los que:

la Figura 1 es una vista en sección transversal de una estructura de fibra de carbono compuesta de varias capas tejidas que se laminan juntas;

la Figura 2 es una vista en sección transversal de una estructura compuesta de varias capas de un colchón de fibras de carbono y varias capas de tejido de fibras de carbono tejidas, laminándose dichas capas juntas;

la Figura 3 es una vista en sección transversal de la estructura de la Figura 2 que se ha cosido para aumentar la comunicación de las capas a través de su grosor;

la Figura 4 es una vista esquemática del proceso de cosido, y el efecto del proceso de cosido;

la Figura 5 muestra un sustrato de fibra de carbono tridimensional que muestra los espacios vacíos entre las fibras;

la Figura 6 es una representación esquemática del procedimiento de moldeo por transferencia de resina (RTM);

la Figura 7 es una vista esquemática de varios métodos de conformación en T posibles;

la Figura 8 representa los procedimientos de conformación en T y RTM combinados;

la Figura 9 es una vista en perspectiva de una realización de la invención que muestra una configuración que integra el material antidesgaste de material compuesto de C-C y el material aislante; y

la Figura 10 es una vista esquemática de varias configuraciones posibles de TPM y aislante integrados.

Descripción detallada de la invención Sustrato de densidad variable

Volviendo ahora más particularmente a los dibujos, la Figura 1 muestra un sustrato de fibra tejido que consiste en varias capas de tejido tejido que se laminan para formar un sustrato. Las capas de tejido, 2a, b, c, a 2n, de la estructura son de densidad variable, aumentando desde la capa 2a a 2n. La densidad de una capa 2 individual se puede variar cambiando el tipo de tejeduría, la estrechez de la tejeduría, etc. El efecto es que la densidad global de la estructura aumenta en una dirección indicada por t. La composición resultante es un objeto tridimensional compuesto de fibras tejidas, que tiene una densidad graduada en una dirección t. Los tipos de fibra que se pueden emplear en la fabricación de un sustrato de esta invención incluyen carbono, PAN, grafito, carburo de silicio o fibras cerámicas.

En la superficie exterior del sustrato tejido de la Figura 1 (es decir, la capa 2a, t = 0), la estructura tiene una densidad relativamente baja y un volumen vacío relativamente elevado, indicando que hay pocas fibras por unidad de área con relación a toda la estructura. Como alternativa, la superficie interior del sustrato de la Figura 1 (es decir, la capa 2n, t = t’) tiene una mayor densidad relativa y un menor volumen vacío, indicando que hay más fibras por unidad de área con relación a toda la estructura. El efecto de esta composición es que las capas internas, que incluyen las capas 2n-1 y 2n, tendrán una mayor resistencia, de forma que cuando el sistema se calienta a temperaturas elevadas éste mantendrá su forma y su integridad mecánica. Al mismo tiempo, las capas externas, que incluyen las capas 2a, b, c, contienen grandes volúmenes vacíos rellenos con la resina antidesgaste de silicio (tal como resinas de RTV disponibles de General Electric Corp., por ejemplo) que efectuarán la absorción de calor a través de los procesos de ablación de vaporización, pirólisis, soplado de gas a la superficie. El proceso de ablación se concentra de este modo en las capas externas del TPM. Las resinas que son apropiadas incluyen, pero no se limitan a, RTV-11, 12, 31 ó 615, todas de General Electric Corp.

Además de tener una capacidad elevada para contener un gran volumen de resina antidesgaste, las capas externas también proporcionan conductos mejorados de transpiración, lo que permite que escapen los grandes volúmenes de gas producidos. El volumen elevado de gas transpirado proporciona un aumento de la capacidad de absorción de calor en la superficie del TPM, a la vez que alivia la presión interna del gas descendido, lo que minimiza el esfuerzo mecánico y el daño al sustrato de TPM.

Las Figuras 2 y 3 representan estructuras alternativas que están incluidas en la invención. La Figura 2 muestra un sustrato de fibras combinadas tejidas y no tejidas, que consiste en varias capas de tejido que se laminan juntas para formar una estructura. Las capas de tejido, 2a, b, c, a n, de la estructura, son de densidad variable, aumentando desde la capa 2a a 2n. Las capas exteriores, que incluyen las capas 2a, b, c, consisten en un material de colchón de fibras no tejidas que tiene una densidad relativamente baja y un volumen vacío relativamente elevado. Las capas interiores, que incluyen las capas hasta y la capa 2n, tienen una densidad relativamente mayor y un menor volumen vacío. Al igual que en la realización anterior de la Figura 1, las capas internas se diseñan para mantener la resistencia, mientras que las capas externas se diseñan para realizar las funciones de absorción de calor inherentes en TPM antidesgaste.

La Figura 3 representa el sustrato de fibras de la Figura 2, que se ha tratado adicionalmente mediante cosido. Las capas de colchón de fibras básicas, las capas exteriores (capas 2a, b, c) se cosen juntas y a las capas de tejido de fibras tejidas en el interior (capas 2n-1, 2n) del sustrato. El cosido tiene dos efectos ventajosos sobre el TPM. En primer lugar, las fibras de una capa se reorientan en la dirección cruzada del plano, la dirección z, aumentando de ese modo la resistencia de la estructura en la dirección cruzada del plano. Esta resistencia añadida en la dirección cruzada del plano mejora la integridad del TPM durante las condiciones extremas de temperatura y cizallamiento del viento, tales como durante la reentrada. En segundo lugar, el cosido sirve para aumentar la porosidad de la estructura en la dirección z, una característica que es beneficiosa para el proceso antidesgaste debido a que permite un aumento de la liberación y de la transpiración de los gases producidos por el material antidesgaste durante la reentrada.

La Figura 4 representa cómo el cosido aumenta la interconectividad de las capas al hacer pasar las fibras individuales a través y entre el plano de las capas de tejido. Las agujas 6 están contenidas en un tablero de agujas 12, el cual contiene una pluralidad de agujas individuales. A medida que las diversas capas que comprenden el sustrato se hacen pasar entre la placa extractora 16 y la placa del lecho 14, las agujas son empujadas a través de las capas. Las agujas tienen dientes 8 que atrapan a las fibras individuales y las fuerzan en la dirección transversal al plano, la dirección z, reorientando de este modo a las fibras a través del plano. A medida que se extrae la aguja, la fibra se deja en la dirección z, y queda en esa dirección una punción en el tejido, aproximadamente del tamaño de la aguja.

El efecto del cosido, como se establece anteriormente, es aumentar la resistencia de las capas laminadas en la dirección z, es decir, entre las capas, dando de este modo una integridad añadida al sustrato tridimensional. Además, los orificios resultantes se convierten en vías para la liberación de gases en la dirección z. Esto aumenta la eficacia del proceso de ablación del TPM.

La Figura 5 es un sustrato de fibra de carbono similar al representado en la Figura 1, y muestra las fibras tejidas 2, que corren en direcciones planas (x e y). Los espacios 4 de los poros están resaltados, y se muestran como áreas más claras. El tamaño relativo de los espacios de los poros corresponde a la cantidad de volumen vacío en el sustrato, lo que, a su vez, es una medida de la cantidad de resina antidesgaste que puede contener el sustrato. Cuanto mayor es la cantidad de resina que contiene el sustrato, mayor es la cantidad de gas que puede producir la resina, lo que a su vez proporciona una mayor refrigeración al material antidesgaste.

A medida que la temperatura del TPM se eleva por encima del punto en el que se produce la vaporización y la pirólisis, la resina contenida en el sustrato se vaporiza y crea una presión interna que se debe liberar. Los conductos de transpiración son esenciales para aliviar esta presión interna destructiva. Además, el gas se debe liberar a la superficie de forma uniforme, de tal manera que los efectos de enfriamiento del gas estén bien distribuidos a lo largo de la superficie. Los conductos que existen en el sustrato para liberar el gas, que aumentan por los efectos del cosido, son por lo tanto aspectos importantes de la invención.

Otra realización de esta invención es fabricar un material de cinta de tejido de carbono con RTV a base de silicio impregnado sobre la superficie del tejido. Este material se puede laminar entonces usando calor y presión para formar un componente reforzado con fibra estructural, con el esquema de protección de silicio ya en el sitio. Este es un procedimiento que no requeriría el procesamiento de C-C (es decir, la carbonización y la densificación).

Otra realización se fabrica usando una técnica de tejeduría trenzada tridimensional conocida como trenzado de entrelazamiento de múltiples capas. Las ventajas de este método son que las fibras están orientadas no sólo en las direcciones x, y planas de una tejedura tridimensional, sino también en una tercera dirección z que sirve para dar a la estructura una mayor interconexión y resistencia mecánica en la dirección z. Las variaciones en el volumen vacío y en la densidad se pueden lograr a través del grosor, t, del sustrato mediante este método, hasta un grado similar a la realización representada en la Figura 1, anterior.

Mientras que la técnica de trenzado entrelazada de múltiples capas produce una estructura con una resistencia y una integridad mejoradas en la dirección z, también proporciona rutas de paso más uniformes para la liberación y transpiración de los gases producidos en el proceso de ablación durante la reentrada. La capacidad mejorada para liberar gases es una ventaja de esta realización tejida tridimensionalmente de la invención. La capacidad de la estructura para liberar y transpirar gases también se puede aumentar cosiendo adicionalmente la estructura en la dirección z. Para este fin, la estructura también se puede coser.

Impregnación, carbonización y densificación del sustrato

Según la realización preferida de la invención, el sustrato de fibra de carbono se prepara como antes y se impregna con una disolución de una resina fenólica o epoxídica que tiene una gran producción de carbono y un valor bajo de cenizas. El proceso de impregnación empleado es conocido como el proceso de moldeo de transferencia de resina (RTM).

Hay varias preparaciones de resina que se pueden usar en la fabricación de materiales compuestos de C-C. Todas tienen en común una elevada producción de carbono. Éstas incluyen resina fenólica SC1008 fabricada por Monsanto. También, según se cita como referencia en la patente U.S. 5.536.562, se encuentra disponible un material a base de resina epoxídica de Novolaca, de Dow Chemical, y otros.

Este procedimiento, representado en la Figura 6, implica tomar un sustrato C-C virgen o parcialmente densificado y colocarlo en una herramienta de RTM (o molde) 22, y evacuar el aire del sistema mediante el uso de una bomba 24 de vacío. Se coloca en el recipiente 20 alimentador una preparación de resina tal como SC1008 o Novolaca, como se menciona anteriormente. Pueden ser necesarios disolventes, tales como tolueno, con ciertas resinas seleccionadas, para lograr una viscosidad deseada.

La presión se eleva entonces en el recipiente 20 de alimentación, hasta 0,379 MPa (+/- 0,103 MPa) [55 psi (+/- 15 psi)], impregnando de ese modo a presión el sustrato C-C con la resina, de manera que se asegure la total infiltración de la resina a través de todos los espacios vacíos del sustrato. La presión se mantiene más allá de la vida de trabajo de la resina.

Tras la impregnación, se deja escurrir el exceso de disolución de resina. El curado se logra en condiciones ambientales, o a temperaturas moderadas, dependiendo de las recomendaciones del fabricante para una resina particular. La parte se retira entonces del molde 22, y se puede curar adicionalmente a 150ºC o a temperatura ambiente durante un período de tiempo razonable.

Con la eliminación del disolvente y con el curado, las fibras de carbono del sustrato se dejan con un revestimiento uniforme de resina. El revestimiento de resina forma una matriz de carbono/resina a través del sustrato de fibra de carbono.

El sustrato se termotrata entonces hasta una temperatura por encima de 500ºC durante un período de 2 a 24 horas, siendo tal período de tiempo suficiente para descomponer la matriz de resina a carbono puro. Este proceso de carbonización da como resultado un sustrato de fibra de carbono rigidizado, que está reforzado mediante una matriz de carbono. El material resultante es conocido como un sustrato de carbono-carbono (C-C). El ciclo de carbonización se puede repetir para lograr una densidad media del sustrato C-C de 1,1 a 1,5 g/cc. Sin embargo, la densidad del sustrato antes de la impregnación final con el RTV será mayor en las capas interiores que en las capas exteriores del sustrato C-C.

El sustrato C-C rigidizado se caracteriza por una mayor resistencia y densidad en comparación con el sustrato de fibra de carbono no carbonizado. El ciclo de carbonización se puede repetir para lograr las características deseadas de resistencia, densidad y vacío. Además de la resistencia, la capa carbonizada exterior es una superficie altamente refractaria, característica de un material aislante. La realización preferida emplea dos ciclos de carbonización antes de la impregnación con RTV.

Tras la carbonización, el sustrato C-C se impregna, usando el proceso de RTM, con una resina antidesgaste a base de silicio. La resina antidesgaste tiene silicio como uno de sus elementos principales. El sustrato C-C se impregna usando el proceso de RTM, el exceso de resina se deja drenar, y el sustrato impregnado se cura para formar una matriz de resina que rellena los espacios vacíos del sustrato C-C hasta el 99%. Las resinas antidesgaste a base de silicio, adecuadas para uso, incluyen varias de las resinas de tipo RTV disponibles de General Electric y/o de otros fabricantes. Al seleccionar una resina antidesgaste a base de silicio alternativa, el silicio preferiblemente no debe estar en forma de dióxido de silicio.

Las resinas de RTV pueden incluir RTV-11, 12, 31 y 615, todas ellas de General Electric Corp. Las viscosidades de estas resinas oscilan desde 1.500 a 25.000 cps. Cuanto mayor es la viscosidad de las resinas de RTV, éstas se pueden diluir con tolueno para reducir la viscosidad hasta un nivel en el que el proceso de RTM funcionará eficazmente. Los tiempos de curado oscilan desde 2 horas hasta 7 días; y las temperaturas de curado oscilan desde la temperatura ambiente hasta 150ºC. Las densidades de estas resinas oscilan desde 1,00 g/cc hasta 1,42 g/cc.

Otra realización de la invención no utiliza los ciclos de impregnación y carbonización iniciales de la resina antes de la impregnación con la resina de RTV a base de silicio. En su lugar, el sustrato de fibra de carbono se impregna por RTM con la resina antidesgaste de silicio, y se cura, dando como resultado un sustrato de fibra de carbono que se rigidiza mediante la aplicación y el curado de la resina antidesgaste de silicio. Sin embargo, para todas las realizaciones, la resina de RTV se cura pero no se carboniza, de forma que no hay ninguna producción de SiC o SiO_{2} antes de la exposición a cargas elevadas de calor debido a la reentrada.

Técnicas de formación de T y montaje del aislamiento

Los ablasivos de material compuesto de C-C de esta invención se pueden emplear en la fabricación de nuevas y útiles configuraciones estructurales. Los materiales compuestos de esta invención, de peso ligero, resistentes y protectores, se pueden fabricar de tal manera y según una configuración para proporcionar métodos mejorados para incorporar materiales de aislamiento a la cara posterior del TPM.

La Figura 7 representa cuatro métodos de formación de T que se pueden usar para lograr diferentes configuraciones. En cada representación, se insertan fibras 26 de carbono individuales a través de la superficie de la fibra transversal del sustrato 30, y en el borde estrecho del elemento 28 del soporte. El resultado es una preforma 32 de material compuesto de carbono no impregnada que puede tener la forma de una junta 32 en T (Figura 8), un haz 38 en I, o una preforma 36 corrugada. El resultado de la formación de T es la creación de una estructura preformada reforzada en la que las fibras 26 de refuerzo están impregnadas con resina y forman parte de la estructura rigidizada final. Además, la inserción de las fibras 26 crea rutas para la liberación y transpiración del gas producido durante la ablación.

La fabricación de las diversas configuraciones de preformas se puede producir en diferentes etapas de la producción del TPM. Por ejemplo, se pueden unir dos estructuras de fibra de carbono en una configuración en forma de T antes de la impregnación inicial y carbonización. Esto da como resultado una estructura que está rigidizada y carbonizada uniformemen-
te.

La Figura 8 muestra el método de formación en T en asociación con el proceso de impregnación de RTM. Se crea una preforma reforzada estratificando capas de tejidos de fibra tejida y/o no tejida (o tejiendo en 3-D un sustrato de fibra), para producir dos partes componentes – un sustrato 30 principal, y un elemento 28 de soporte. El elemento 28 de soporte se coloca en la herramienta 22 de RTM, y el elemento 30 principal se sitúa sobre el elemento 28 de soporte. El elemento 30 principal se conecta al elemento 28 de soporte insertando fibras 26 individuales del material similar al sustrato, usando una herramienta 36 de puntadas. Las puntadas se insertan en una dirección que es paralela a la dirección de las fibras en el elemento 28 de soporte. Como se puede observar en la Figura 7, las puntadas 26 también pueden estar orientadas formando un ángulo con relación al elemento de soporte.

Después de que los dos elementos 28, 30 están conectados mediante fibras 26 individuales, la herramienta 22 de RTM se cierra herméticamente, y se vacía de aire aplicando vacío al sistema. Después se alimenta la disolución de resina a la herramienta de RTM desde el depósito 20 de resina a presión (aproximadamente 0,379 MPa, +/- 0,103 MPa [55 psi, +/- 15 psi]).

La Figura 9 muestra la realización preferida en la que el material antidesgaste de material compuesto de C-C se incorpora con la tecnología formadora de T para producir una estructura de TPM que incorpora aislamiento y soportes en ángulo, que entonces se pegan a la cubierta del vehículo aeroespacial.

La realización preferida de esta invención emplea el método de formación en T para unir los elementos 38 de soporte que consisten en una serie de ángulos aproximadamente rectos, de tal manera que la esquina del ángulo se dispone contra la cara posterior del TPM 30, formando dos elementos de soporte que se proyectan desde la cara posterior del TPM hacia la superficie de la cubierta aeroespacial, en un ángulo de aproximadamente 45 grados con relación a la cara posterior. Los elementos de soporte se repiten de manera similar a una estructura corrugada, de forma que el punto en el que se encuentran dos elementos de soporte adyacentes, en la cubierta aeroespacial, forma un ángulo aproximadamente recto, que mira hacia la cara posterior del TPM. El material aislante se une a la cara posterior del TPM y a los elementos de soporte, para proporcionar una protección térmica adicional al vehículo.

En la Figura 10 se muestran otras realizaciones, en las que el elemento 28 de soporte se une a la cubierta 40 aeroespacial, y el espacio creado debajo se rellena con un material 34 aislante. El material aislante puede ser de los siguientes materiales: aerogel de Southern Research Inst.; Fiberfoam de Fiber Materials, Inc., u otro material aislante adecuado, conocido en la técnica.

Los materiales antidesgaste de material compuesto de C-C de esta invención proporcionan una mayor resistencia y una resistencia a la oxidación a un menor peso y coste, en comparación con otros materiales antidesgaste de C-C disponibles en la técnica. Las características de la invención incluyen densidad y resistencia variable, junto con el aumento del volumen vacío y la capacidad para contener resinas antidesgaste, y la capacidad mejorada para liberar los gases producidos por las resinas antidesgaste durante la reentrada. También, el sistema se aprovecha de los mecanismos de refuerzo, protector y reparador de un sistema de ablación de carbono-carbono y de silicio, que actúa para reducir los efectos destructores de un calor elevado y de la oxidación.

Aunque las realizaciones preferidas se han descrito y expuesto con detalle en este documento, su alcance no se debe limitar, sino más bien su alcance se debe de determinar por el de sus reivindicaciones anejas.

Claims (21)

1. Un sistema de protección térmica para proteger una superficie sometida a una carga térmica elevada, que comprende:

un sustrato de fibras que tiene un lado externo y un lado interno opuesto, en el que dicho lado externo está orientado en el sentido contrario a la superficie, y en el que dicho lado interno encara la superficie; en el que dicho sustrato tiene una densidad variable de fibras, con un aumento de dicha densidad de fibras en una dirección que va desde el lado externo hasta el lado interno, en el que el sustrato de fibras es un material antidesgaste de material compuesto de C-C que comprende un sustrato de fibras de carbono rigidizadas, reforzado mediante una matriz de carbono, e impregnado con una resina antidesgaste a base de silicio.

2. El sistema de protección térmica de la reivindicación 1, en el que dichas fibras están hechas de carbono, grafito, carburo de silicio, o un material cerámico.

3. El sistema de protección térmica de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato de fibras está compuesto de una pluralidad de capas de tejido tejido.

4. El sistema de protección térmica de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato de fibras está compuesto de una pluralidad de capas de tejidos no tejidos.

5. El sistema de protección térmica de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato de fibras está compuesto de una pluralidad de capas de una combinación de tejidos no tejidos y tejidos tejidos.

6. El sistema de protección térmica de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato de fibras se forma mediante un procedimiento de tejeduría tridimensional.

7. El sistema de protección térmica de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato de fibras está dispuesto en capas.

8. El sistema de protección térmica de la reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6 ó 7, en el que dicho sustrato de fibras se cose en dirección vertical, yendo dicha dirección desde el lado externo hasta el lado interno, o viceversa.

9. El sistema de protección térmica de la reivindicación 8, en el que dicho sustrato de fibras tiene un lado interno y un lado externo que está dispuesto de manera opuesta al lado interno, y dicho sustrato de fibras se une a un elemento de soporte compuesto de fibras, en el que dicho elemento de soporte tiene un primer lado, y un segundo lado que está dispuesto de manera opuesta al primer lado, en el que las fibras de dicho elemento de soporte están orientadas en una dirección que es paralela a los lados primero y segundo, en el que dicho elemento de soporte se apoya sobre el lado interno del sustrato, y los lados primero y segundo del elemento de soporte están dispuestos en un ángulo entre 0º y 180º con respecto al sustrato, uniéndose dicho elemento de soporte al sustrato mediante la inserción de fibras de refuerzo individuales, insertándose primero dichas fibras de refuerzo a través del lado externo del sustrato, saliendo después del sustrato a través del lado interno, y después dentro del elemento de soporte.

10. El sistema de protección térmica de la reivindicación 8 ó 9, en el que dicho sustrato se impregna con una resina orgánica, siendo dicha resina de elevada producción de carbono, y se carboniza al menos una vez para lograr la conversión de la resina en carbono.

11. El sistema de protección térmica de la reivindicación 10, en el que dicha resina es una resina de tipo RTV.

12. Un sistema de protección térmica para proteger una superficie sometida a una elevada carga térmica, que comprende:

un sustrato de fibras que tiene un lado externo y un lado interno opuesto, en el que dicho lado externo está orientado en el sentido contrario a la superficie, y en el que dicho lado interno encara a la superficie, y en el que dicho sustrato se cose en una dirección perpendicular al plano de los lados interno y externo, en el que el sustrato de fibras es un material antidesgaste de material compuesto de C-C que comprende un sustrato de fibras de carbono rigidizadas, reforzado mediante una matriz de carbono, e impregnado con una resina antidesgaste a base de silicio.

13. El sistema de protección térmica de la reivindicación 12, en el que dichas fibras están hechas de carbono, grafito, carburo de silicio o material cerámico.

14. El sistema de protección térmica de la reivindicación 12, en el que dicho sustrato de fibras está compuesto de una pluralidad de capas de tejido tejido.

15. El sistema de protección térmica de la reivindicación 12, en el que dicho sustrato de fibras está compuesto de una pluralidad de capas de tejidos no tejidos.

16. El sistema de protección térmica de la reivindicación 12, en el que dicho sustrato de fibras está compuesto de una pluralidad de capas de una combinación de tejidos no tejidos y tejidos tejidos.

17. El sistema de protección térmica de la reivindicación 12, en el que dicho sustrato de fibras se forma mediante un procedimiento de tejeduría tridimensional.

18. El sistema de protección térmica de la reivindicación 12, en el que dicho sustrato de fibras está dispuesto en capas.

19. El sistema de protección térmica de la reivindicación 12, en el que dicha resina es una resina de tipo RTV.

20. El sistema de protección térmica de la reivindicación 12, en el que dicho sustrato de fibras tiene un lado interno y un lado externo que está dispuesto de manera opuesta al lado interno, y dicho sustrato de fibras está unido a un elemento de soporte compuesto de fibras, en el que dicho elemento de soporte tiene un primer lado, y un segundo lado que está dispuesto de manera opuesta al primer lado, en el que las fibras de dicho elemento de soporte están orientadas en una dirección que es paralela a los lados primero y segundo, en el que el elemento de soporte se apoya sobre el lado interno del sustrato, y los lados primero y segundo del elemento de soporte están dispuestos en un ángulo entre 0º y 180º con respecto al sustrato, uniéndose dicho elemento de soporte al sustrato, que comprende la inserción de fibras de refuerzo individuales, insertándose dichas fibras de refuerzo primero a través del lado externo del sustrato, saliendo después del sustrato a través del lado interno, y después insertándose en el elemento de soporte, en una dirección paralela a la orientación de las fibras en el elemento de soporte.

21. El sistema de protección térmica de la reivindicación 20, en el que dicho sustrato se combina con un material aislante unido al lado interno de dicho sustrato.