Аэродинамический обогрев - Aerodynamic heating

Аэродинамический обогрев представляет собой нагрев твердого тела, вызванный его прохождением через воздух с высокой скоростью (или прохождением воздуха мимо статического тела), в результате чего его кинетическая энергия превращается в тепло к адиабатический нагрев,^[1] и (что менее важно) трение кожи на поверхности объекта со скоростью, зависящей от вязкость и скорость воздуха. В науке и технике чаще всего возникает проблема метеоры, вход в атмосферу космических аппаратов и конструкции скоростных самолет.

Физика

При движении по воздуху с высокой скоростью объект кинетическая энергия преобразуется в тепло за счет сжатия и трения с воздухом. На низких скоростях объект также теряет тепло в воздух, если воздух прохладнее. Комбинированный температурный эффект тепла от воздуха и от прохождения через него называется температура застоя; фактическая температура называется температурой восстановления.^[2] Эти вязкие диссипативные эффекты на соседние подслои делают пограничный слой замедлить через не-изэнтропический процесс. Затем тепло от воздуха с более высокой температурой проходит в материал поверхности. Результатом является повышение температуры материала и потеря энергии потока. Принудительная конвекция обеспечивает пополнение остывшими газами другим материалом для продолжения процесса.^{[нужна цитата ]}

Температура застоя и восстановления потока увеличивается с увеличением скорости потока и выше при высоких скоростях. Общая тепловая нагрузка объекта является функцией как температуры восстановления, так и массовый расход потока. Аэродинамический нагрев максимален на высоких скоростях и в нижних слоях атмосферы, где плотность выше. Помимо описанного выше конвективного процесса, существует еще тепловое излучение от потока к телу и наоборот, причем чистое направление определяется их температурами относительно друг друга.^{[нужна цитата ]}

Аэродинамический нагрев увеличивается с увеличением скорости транспортного средства. Его эффекты минимальны при дозвуковые скорости, но достаточно значительны при сверхзвуковые скорости за пределами около Мах 2.2 что они влияют на конструктивные и материальные аспекты конструкции и внутренних систем транспортного средства. Эффект нагрева максимален при передние кромки, но все транспортное средство нагревается до стабильной температуры, если его скорость остается постоянной. Аэродинамический нагрев решается за счет использования сплавы выдерживающий высокие температуры, изоляция экстерьера автомобиля или использования абляционный материал.

Самолет

Аэродинамический нагрев важен для сверхзвуковой и гиперзвуковой самолет.

Одна из основных проблем, связанных с аэродинамическим нагревом, возникает в конструкции крыла. Для дозвуковых скоростей две основные цели конструкции крыла - минимизация веса и максимизация прочности. Аэродинамический нагрев, который происходит на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях, добавляет дополнительные соображения при анализе конструкции крыла. Идеализированная конструкция крыла состоит из лонжероны, стрингеры, и сегменты кожи. В крыле, которое обычно имеет дозвуковые скорости, должно быть достаточное количество стрингеров, чтобы выдерживать осевые и изгибающие напряжения, вызванные подъемная сила действует на крыло. Кроме того, расстояние между стрингерами должно быть достаточно небольшим, чтобы панели обшивки не прогибались, а панели должны быть достаточно толстыми, чтобы выдерживать напряжение сдвига и сдвиговый поток, присутствующий в панелях из-за подъемной силы на крыле. Однако вес крыла должен быть как можно меньше, поэтому выбор материала для стрингеров и обшивки является важным фактором.^{[нужна цитата ]}

На сверхзвуковых скоростях аэродинамический нагрев добавляет еще один элемент к этому структурному анализу. На обычных скоростях лонжероны и стрингеры испытывают нагрузку, называемую Delta P, которая в первую очередь зависит от подъемной силы. вторые моменты инерции, и длина лонжерона. Когда имеется больше лонжеронов и стрингеров, дельта P в каждом элементе уменьшается, а площадь стрингера может быть уменьшена для удовлетворения требований критического напряжения. Однако повышение температуры, вызванное потоком энергии из воздуха (нагретого за счет поверхностного трения на этих высоких скоростях), добавляет к лонжеронам еще один фактор нагрузки, называемый тепловой нагрузкой. Эта тепловая нагрузка увеличивает чистую силу, воспринимаемую стрингерами, и, таким образом, площадь стрингеров должна быть увеличена, чтобы удовлетворить требованию критического напряжения.^{[нужна цитата ]}

Еще одна проблема, которую вызывает аэродинамический нагрев при проектировании самолетов, - это влияние высоких температур на общие свойства материалов. Обычные материалы, используемые в конструкции крыла самолетов, такие как алюминий и сталь, испытывают снижение прочности при чрезвычайно высоких температурах. В Модуль для младших материала, определяемое как соотношение между напряжением и деформацией, испытываемым материалом, уменьшается с увеличением температуры. Модуль Юнга имеет решающее значение при выборе материалов для крыла, поскольку более высокое значение позволяет материалу выдерживать напряжение текучести и сдвига, вызванное подъемной силой и тепловыми нагрузками. Это связано с тем, что модуль Юнга является важным фактором в уравнениях для расчета критической нагрузки продольного изгиба для осевых элементов и критического напряжения сдвига при изгибе для панелей обшивки. Если модуль Юнга материала уменьшается при высоких температурах, вызванных аэродинамическим нагревом, тогда в конструкции крыла потребуются более крупные лонжероны и более толстые сегменты обшивки, чтобы учесть это снижение прочности по мере того, как самолет становится сверхзвуковым. Есть материалы, которые сохраняют свою прочность при высоких температурах, вызываемых аэродинамическим нагревом. Например, Инконель X-750 использовался на частях планера самолета Х-15, североамериканский самолет, летавший на гиперзвуковой скорости в 1958 году.^[3][4] Титан - еще один высокопрочный материал, даже при высоких температурах, и часто используется для изготовления корпусов крыльев сверхзвуковых самолетов. В СР-71 использованные титановые панели обшивки окрашены в черный цвет для снижения температуры^[5] и гофрированный для компенсации расширения.^[6] Другой важной концепцией конструкции крыльев первых сверхзвуковых самолетов было использование небольшого отношение толщины к хорде, так что скорость обтекания профиля не слишком сильно увеличивается по сравнению со скоростью набегающего потока. Поскольку поток уже является сверхзвуковым, дальнейшее увеличение скорости не принесет пользы конструкции крыла. Уменьшение толщины крыла сближает верхний и нижний стрингеры, уменьшая общий момент инерции конструкции. Это увеличивает осевую нагрузку на стрингеры, и, следовательно, площадь и вес стрингеров должны быть увеличены. В некоторых конструкциях гиперзвуковых ракет использовалось жидкостное охлаждение передние кромки (обычно топливо в пути к двигателю). В Спринтерская ракета Тепловой экран потребовал нескольких итераций конструкции для температур 10 Маха.^[7]

Возвращаемые машины

Нагрев, вызванный очень высокой скоростью возврата (более Мах 20) достаточно для уничтожения транспортного средства, если не используются специальные методы. Ранние космические капсулы, такие как Меркурий, Близнецы, и Аполлон были приданы тупые формы, чтобы создать противостояние ударная волна, позволяя большей части тепла рассеиваться в окружающий воздух. Кроме того, на этих машинах был абляционный материал, который сублимирует в газ при высокой температуре. Процесс сублимации поглощает тепловую энергию от аэродинамического нагрева и разрушает материал, а не нагревает капсулу. Поверхность теплозащитного экрана космического корабля «Меркурий» имела многослойное покрытие из алюминия со стекловолокном. Когда температура поднимется до 1100 ° C (1400 К), слои испарятся и унесут с собой тепло. Космический корабль станет горячим, но не вредно.^[8] В Космический шатл использованные изоляционные плитка на его нижней поверхности для поглощения и излучения тепла, предотвращая при этом проводимость к алюминию планер. Повреждение теплозащитного экрана при отрыве Космический шатл Колумбия способствовал его разрушение при повторном входе.

Рекомендации

1. «НАСА - Дизайн космических аппаратов». Архивировано из оригинал 9 июля 2009 г.. Получено 7 января, 2013.
2. Курганов, В.А. (3 февраля 2011 г.), «Температура адиабатической стенки», Руководство от А до Я по термодинамике, тепло- и массообмену и инженерии жидкостей, Термопедия, Дои:10.1615 / AtoZ.a.adiabatic_wall_temperature, получено 2015-10-03
3. Касманн, Фердинанд К. В. (1999). Die schnellsten Jets der Welt: Weltrekord-Flugzeuge [Самые быстрые самолеты в мире: самолет-рекордсмен] (на немецком). Кольпингринг, Германия: Aviatic Verlag. п. 105. ISBN  3-925505-26-1.
4. Вайсхаар, доктор Терри А. (2011). Аэрокосмические конструкции - введение в фундаментальные проблемы. Университет Пердью. п. 18.
5. Рич, Бен Р .; Янош, Лео (1994). Скунс работает: личные воспоминания о моих годах в Lockheed. Книги Уорнера. п. 218. ISBN  0751515035.
6. Джонсон, Кларенс Л .; Смит, Мэгги (1985). Келли: больше, чем моя доля во всем этом. Вашингтон, округ Колумбия: Smithsonian Institution Press. п. 141. ISBN  0874744911.
7. Bell Labs 1974, 9-17
8. «Как работал проект« Меркурий »». Как это работает. Получено 2011-10-04.

• Мур Ф. Г., Приближенные методы аэродинамики оружия, AIAA Progress in Astronautics and Aeronautics, Volume 186.
• Чепмен, А.Дж., Теплопередача, третье издание, Macmillan Publishing Company, 1974.
• Bell Laboratories R&D, ABM Research and Development At Bell Laboratories, 1974. Защитный комплекс Стэнли Р. Микельсена