Аэродинамический нагрев — это нагрев твердого тела, производимый его высокоскоростным прохождением через воздух. В науке и технике понимание аэродинамического нагрева необходимо для прогнозирования поведения метеороидов , входящих в атмосферу Земли, для обеспечения безопасного выживания космических кораблей при входе в атмосферу , а также для проектирования высокоскоростных самолетов и ракет.
Влияние аэродинамического нагрева на температуру обшивки и последующую передачу тепла в конструкцию, кабину, отсеки оборудования, электрические, гидравлические и топливные системы необходимо учитывать при проектировании сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов и ракет.
Одна из основных проблем, вызываемых аэродинамическим нагревом, связана с конструкцией крыла. Для дозвуковых скоростей две основные цели конструкции крыла — минимизация веса и максимизация прочности. Аэродинамический нагрев, который происходит на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях, добавляет дополнительный фактор при анализе конструкции крыла. Идеализированная конструкция крыла состоит из лонжеронов , стрингеров и сегментов обшивки . В крыле, которое обычно испытывает дозвуковые скорости, должно быть достаточное количество стрингеров, чтобы выдерживать осевые и изгибающие напряжения, вызванные подъемной силой , действующей на крыло. Кроме того, расстояние между стрингерами должно быть достаточно малым, чтобы панели обшивки не прогибались, а панели должны быть достаточно толстыми, чтобы выдерживать напряжение сдвига и сдвиговое течение, присутствующее в панелях из-за подъемной силы на крыле. Однако вес крыла необходимо сделать как можно меньшим, поэтому важным фактором является выбор материала стрингеров и обшивки. [ нужна цитата ]
На сверхзвуковых скоростях аэродинамический нагрев добавляет еще один элемент к этому структурному анализу. При нормальных скоростях лонжероны и стрингеры испытывают нагрузку, называемую Дельта P, которая зависит от подъемной силы, первого и второго моментов инерции и длины лонжерона. Когда имеется больше лонжеронов и стрингеров, дельта P в каждом элементе уменьшается, и площадь стрингера может быть уменьшена для удовлетворения требований к критическому напряжению. Однако повышение температуры, вызванное энергией, поступающей из воздуха (нагретого за счет трения обшивки на таких высоких скоростях), добавляет к лонжеронам еще один коэффициент нагрузки, называемый тепловой нагрузкой. Эта тепловая нагрузка увеличивает результирующую силу, ощущаемую стрингерами, и, следовательно, площадь стрингеров должна быть увеличена, чтобы обеспечить соблюдение требований к критическому напряжению. [ нужна цитата ]
Еще одна проблема, которую аэродинамический нагрев вызывает при проектировании самолетов, - это влияние высоких температур на общие свойства материалов. Обычные материалы, используемые в конструкции крыльев самолетов, такие как алюминий и сталь, теряют прочность при очень высоких температурах. Модуль Юнга материала, определяемый как соотношение напряжения и деформации, испытываемых материалом, уменьшается с повышением температуры. Модуль Юнга имеет решающее значение при выборе материалов для крыла, поскольку более высокое значение позволяет материалу противостоять напряжениям текучести и сдвига, вызванным подъемной силой и термическими нагрузками. Это связано с тем, что модуль Юнга является важным фактором в уравнениях для расчета критической нагрузки при продольном изгибе для осевых элементов и критического напряжения при продольном изгибе для обшивочных панелей. Если модуль Юнга материала снижается при высоких температурах, вызванных аэродинамическим нагревом, то конструкция крыла потребует более крупных лонжеронов и более толстых сегментов обшивки, чтобы учесть это снижение прочности по мере того, как самолет становится сверхзвуковым. Некоторые материалы сохраняют свою прочность при высоких температурах, вызываемых аэродинамическим нагревом. Например, Inconel X-750 использовался в деталях планера X-15 , североамериканского самолета, летавшего на гиперзвуковой скорости в 1958 году . [1] [2] Титан — еще один высокопрочный материал даже при высоких температурах. , и часто используется для каркасов крыльев сверхзвуковых самолетов. В SR-71 использовались панели с титановой обшивкой, окрашенные в черный цвет для снижения температуры [3] и гофрированные для компенсации расширения. [4] Еще одной важной концепцией конструкции крыльев ранних сверхзвуковых самолетов было использование небольшого отношения толщины к хорде , чтобы скорость потока над аэродинамическим профилем не слишком сильно увеличивалась по сравнению со скоростью набегающего потока. Поскольку поток уже сверхзвуковой, дальнейшее увеличение скорости не пойдет на пользу конструкции крыла. Уменьшение толщины крыла сближает верхние и нижние стрингеры, уменьшая общий момент инерции конструкции. Это увеличивает осевую нагрузку на стрингеры, поэтому необходимо увеличить площадь и вес стрингеров. В некоторых конструкциях гиперзвуковых ракет использовалось жидкостное охлаждение передней кромки (обычно топлива на пути к двигателю). Тепловой экран ракеты «Спринт» потребовал несколько доработок конструкции для работы при температуре 10 Маха. [5]
Нагрева, вызванного очень высокими скоростями входа в атмосферу (более 20 Маха ), достаточно, чтобы уничтожить аппарат, если не будут использованы специальные методы. Ранние космические капсулы, такие как используемые на Меркурии , Близнецах и Аполлоне , имели тупую форму, чтобы создать противостоящую носовую ударную волну , позволяющую большей части тепла рассеиваться в окружающий воздух. Кроме того, в этих транспортных средствах был абляционный материал, который сублимируется в газ при высокой температуре. Акт сублимации поглощает тепловую энергию аэродинамического нагрева и разрушает материал, а не нагревает капсулу. Поверхность теплозащитного экрана космического корабля «Меркурий» имела многослойное покрытие из алюминия со стекловолокном. Когда температура поднялась до 1100 °C (1400 К), слои испарились и забрали с собой тепло. Космический корабль станет горячим, но не опасным. [6] На нижней поверхности космического корабля «Шаттл» использовались изоляционные плитки для поглощения и излучения тепла, предотвращающие при этом проводимость к алюминиевому корпусу планера . Повреждение теплового экрана во время старта космического корабля «Колумбия» способствовало его разрушению при входе в атмосферу.