ヒートシールド

内燃機関は大量の熱を発するため、^{[ 5 ]}ほとんどのエンジンでは、部品や車体を熱による損傷から保護するために遮熱板が使用されています。効果的な遮熱板は、保護だけでなく、エンジンルームの温度を下げることで、エンジンに入る空気の温度を下げることにより、性能上の利点ももたらします。^{[ 6 ]}遮熱板の価格は大きく異なりますが、ほとんどは簡単に取り付けられ、通常はステンレス製のクリップ、耐熱テープ、または特別に設計された金属製のケーブルタイで固定されます。自動車用遮熱板には主に3つの種類があります。

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  硬質遮熱板は最近まで一般的に鋼鉄製であったが^{[ 7 ]}、現在ではアルミニウム製となることが多い。一部の高級硬質遮熱板はアルミニウム、金、または複合材で作られており、ほとんどの例には断熱性を向上させる熱バリアを提供するセラミックコーティングが施されている。
• フレキシブル遮熱板は通常、薄いアルミニウムまたは金のシートで作られており、平らな状態またはロール状で販売されることが一般的です。これらの遮熱板は、多くの場合、設置者が手作業で曲げます。高性能のフレキシブル遮熱板には、プラズマ溶射によって塗布されたセラミック断熱材などの追加機能が含まれている場合があります。フレキシブル遮熱板におけるもう1つの一般的な手法は、断熱性を向上させ、軽量化を図るために特殊な複合材料を使用することです。これらの最新製品は、 F1などのトップレベルのモータースポーツで広く使用されています。

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  繊維製の遮熱シート（ヒートラップとも呼ばれる）は、排気ガスから放出される熱を排気管内に閉じ込めることで、様々な排気系部品を断熱するために使用されます。これにより、これらの部品から発生する膨大な熱がエンジンルーム内に放射されるのを防ぎます。これらのシートは、オートバイの排気管で最も一般的に使用されています。

エンジンチューニングの最適化段階では、アマチュアとプロの両方の担当者がヒートシールドを取り付けることがよくあります。ヒートシールドは、エンジンマウントの通気口を冷却するためにも使用されます。車両が高速で走行しているときは、ボンネット下のエンジンコンパートメントを冷却するのに十分なラムエアがありますが、車両が低速で走行しているときや勾配を登っているときは、エンジンの熱がエンジンマウントなどの周囲の他の部品に伝わらないように断熱する必要があります。適切な熱解析とヒートシールドの使用により、エンジンマウントの通気口を最適化して最高のパフォーマンスを得ることができます。^{[ 8 ]}

コンコルドやSR-71ブラックバードのような高速航空機の中には、宇宙船で発生する過熱と似ているが、より低い過熱を考慮して設計する必要があるものがある。コンコルドの場合、アルミニウム製の機首は最大動作温度が127 ℃に達する可能性がある（これは外気温度が氷点下であるのに対し、180℃高い）。最高温度に伴う冶金学的影響は、航空機の最大速度を決定する上で重要な要素であった。^{[ 9 ]}  

最近、RCCよりも優れた新しい材料が開発されました。プロトタイプSHARP（Slender Hypervelocity Aerothermodynamic Research Probe）は、二ホウ化ジルコニウム（ZrB ₂）や二ホウ化ハフニウム（HfB ₂ ）などの超高温セラミックスをベースとしています。^{[ 10 ]}これらの材料をベースとした熱保護システムにより、海面でマッハ7、35,000メートルでマッハ11の速度に到達でき、極超音速用に設計された機体の大幅な改善が可能になります。使用されている材料は、0 ℃から+2000 ℃の温度範囲で熱保護特性を持ち、融点は3500 ℃を超えます。また、RCCよりも構造的に耐性があるため、追加の補強は必要なく、吸収した熱を再照射するのに非常に効率的です。^{[ 11 ]} NASAは2001年にモンタナ大学を通じてこの保護システムをテストするための研究開発プログラムに資金を提供し（その後中止した）。^{[ 12 ] [ 13 ]}   

欧州委員会は、2016年の研究および技術開発のための枠組み計画のNMP-19-2015公募に基づき、過酷な航空宇宙環境での用途に適した、炭化ケイ素繊維と炭素繊維で強化された新しいクラスの超耐火セラミックマトリックス複合材料の設計、開発、製造、試験を行う研究プロジェクトC3HARMEに資金を提供しました（現在も継続中）。^{[ 14 ]}

地球、火星、金星などの大気を持つ惑星に着陸する宇宙船は、現在、ロケットの推進力ではなく空気抵抗を利用して減速しながら、高速で大気圏に突入することで着陸しています。この大気圏再突入方法の副作用として、空力加熱が発生し、保護されていない、または欠陥のある宇宙船の構造に深刻な損傷を与える可能性があります。^{[ 15 ]}空力耐熱シールドは、熱を放散するための特殊な材料の保護層で構成されています。空力耐熱シールドには、主に2つのタイプが使用されています。

• アブレーション式耐熱シールドは、プラスチック樹脂の層で構成されており、その表面を加熱して気化させ、対流によって熱を運び去る。このようなシールドは、ボストーク、ボスホート、マーキュリー、ジェミニ、アポロ宇宙船で使用され、現在ではスペースXのドラゴン2、オリオン、ソユーズ宇宙船で使用されている。
  • ソ連初の有人宇宙船であるボストーク1号は、樹脂にアスベスト繊維を混ぜたアブレーション式耐熱シールドを使用した。^{[ 16 ]}その後のマーキュリー計画とジェミニ計画では樹脂にグラスファイバーが使用され、アポロ計画では石英繊維強化樹脂が使用された。^{[ 17 ]}宇宙船用途で超軽量アブレーション材（SLA）が初めて使用されたのは、1976年のバイキング着陸船であった。 ^{[ 17 ]} SLAはパスファインダー計画でも使用された。^{[ 17 ]}フェノール含浸炭素アブレーション材（PICA）は、1999年に打ち上げられたスターダスト計画で使用された。^{[ 17 ]}
• 熱吸収型耐熱シールドは、断熱材を使用して宇宙船構造から熱を吸収して放射します。このタイプはスペースシャトルで使用され、シールドは打ち上げの間に最小限の改修で再利用されることを目的としていました。^{[ 18 ]}スペースシャトルの耐熱シールドは、機体表面の大部分にセラミックまたは複合タイルを使用し、最も熱負荷の高い箇所（機首と翼の前縁）には強化炭素炭素材料を使用していました。 ^{[ 19 ]}これにより、再突入時に1,648℃に達したときにオービターを保護しました。^{[ 20 ]}ブランとして知られるソ連の宇宙飛行機も、アメリカのシャトルと同様のTPSタイルを使用していました。ブランはオービターの底部にセラミックタイルを使用し、機首コーンには炭素炭素を使用していました。^{[ 21 ]}
  • スペースシャトルで使用されたタイルには多くの問題が発生し、耐熱シールドの軽微な損傷は比較的よくあることだった。耐熱シールドの重大な損傷は、1988年のスペースシャトル・アトランティスの破壊をほぼ引き起こし、2003年のコロンビアの喪失を引き起こした。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

米国（低軌道飛行試験膨張式減速装置 - LOFTID）^{[ 25 ]}と中国^{[ 26 ]}が開発した膨張式耐熱シールドにより、スペース・ローンチ・システムのような使い捨てロケットは、高価なエンジンを再利用するためにこのような耐熱シールドを後付けすることが検討されており、打ち上げコストを大幅に削減できる可能性がある。^{[ 27 ]} 2022年11月10日、LOFTIDはアトラスVロケットを使用して打ち上げられ、その後、大気圏再突入のために分離された。^{[ 28 ]}耐熱シールドの外層は炭化ケイ素セラミックで構成されていた。^{[ 29 ]}回収されたLOFTIDは損傷が最小限だった。^{[ 28 ]}

受動冷却式プロテクターは、宇宙船が大気圏突入時に熱ピークを吸収し、その後大気へ熱を放出することで保護するために使用される。初期のバージョンでは、チタン、ベリリウム、銅などの金属が多量に使用されていた。これにより機体の質量が大幅に増加した。そのため、熱吸収式およびアブレーション式のシステムが好まれるようになった。

現代の乗り物では、金属の代わりに強化炭素-炭素材料で受動冷却が行われている。この材料はスペースシャトルの機首と前縁の熱保護システムを構成しており、 X-33機にも提案された。炭素は既知の材料の中で最も耐火性が高く、昇華温度 (グラファイトの場合) は 3825 °C である。これらの特性により、炭素は受動冷却 に特に適した材料となっているが、非常に高価で壊れやすいという欠点がある。一部の宇宙船では、大型ロケットエンジンによって発生する熱から燃料タンクや機器を保護するために、 (従来の自動車の意味で) 耐熱シールドも使用されている。このようなシールドは、アポロサービスモジュールと月着陸船降下ステージで使用された。太陽コロナに入るように設計されたパーカーソーラープローブは、表面温度が 2,500 °F に達する。 ^{[ 30 ]}宇宙船は、本体や機器に損傷を与えることなくこの温度に耐えるために、炭素フォームの層を挟んだ炭素-炭素セラミックを使用した耐熱シールドを使用している。^{[ 31 ]}探査機は2018年8月18日に宇宙に打ち上げられた。^{[ 32 ]}

ヒートシールドは、セミオートマチックまたはオートマチックのライフルやショットガンの銃身を覆うカバーとしてよく取り付けられ、連射時に発生する熱から射手の手を保護する。また、ポンプアクション式の戦闘用ショットガンにもよく取り付けられ、兵士が銃剣を使用しながら銃身を握ることができるようになっている。

冶金産業では、建物の構造用鋼材やその他の機器を近くの溶融金属の高温から保護するために遮熱板が使用される。^{[ 33 ]}