Аэродинамический нагрев — это нагрев твердого тела, вызванный его высокоскоростным прохождением через воздух. В науке и технике понимание аэродинамического нагрева необходимо для прогнозирования поведения метеороидов , которые входят в атмосферу Земли, для обеспечения того, чтобы космические аппараты безопасно пережили атмосферное возвращение , а также для проектирования высокоскоростных самолетов и ракет.
«Для высокоскоростных самолетов и ракет аэродинамический нагрев представляет собой преобразование кинетической энергии в тепловую энергию в результате их относительного движения в неподвижном воздухе и последующего переноса через обшивку в структуру и внутреннюю часть транспортного средства. Часть тепла вырабатывается сжатием жидкости в и вблизи точек застоя, таких как носовая часть транспортного средства и передние кромки крыла. Дополнительное тепло вырабатывается за счет трения воздуха вдоль обшивки внутри пограничного слоя». [1] Нагрев пограничного слоя обшивки может быть известен как кинетический нагрев. [2]
При проектировании сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов и ракет необходимо учитывать влияние аэродинамического нагрева на температуру обшивки и последующую передачу тепла в конструкцию, кабину, отсеки оборудования, а также электрические, гидравлические и топливные системы.
Одна из основных проблем, вызванных аэродинамическим нагревом, возникает при проектировании крыла. Для дозвуковых скоростей две основные цели проектирования крыла — минимизация веса и максимизация прочности. Аэродинамический нагрев, который происходит на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях, добавляет дополнительное соображение 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 касательное напряжение и сдвиговой поток, присутствующие в панелях из-за подъемной силы на крыле. Однако вес крыла должен быть сделан как можно меньше, поэтому выбор материала для стрингеров и обшивки является важным фактором. [ необходима цитата ]
На сверхзвуковых скоростях аэродинамический нагрев добавляет еще один элемент к этому структурному анализу. На обычных скоростях лонжероны и стрингеры испытывают нагрузку, которая является функцией подъемной силы, первого и второго моментов инерции и длины лонжерона. Когда лонжеронов и стрингеров больше, нагрузка в каждом элементе уменьшается, и площадь стрингера может быть уменьшена для удовлетворения требований критического напряжения. Однако повышение температуры, вызванное энергией, текущей из воздуха (нагретого трением поверхности на этих высоких скоростях), добавляет еще один фактор нагрузки, называемый тепловой нагрузкой, к лонжеронам. Эта тепловая нагрузка увеличивает силу, ощущаемую стрингерами, и, таким образом, площадь стрингеров должна быть увеличена для удовлетворения требований критического напряжения. [ необходима цитата ]
Другая проблема, которую аэродинамический нагрев вызывает для конструкции самолета, — это влияние высоких температур на общие свойства материалов. Обычные материалы, используемые в конструкции крыла самолета, такие как алюминий и сталь, испытывают снижение прочности при чрезвычайно высоких температурах. Модуль Юнга материала, определяемый как отношение между напряжением и деформацией, испытываемыми материалом, уменьшается с ростом температуры. Модуль Юнга имеет решающее значение при выборе материалов для крыла, поскольку более высокое значение позволяет материалу противостоять напряжению текучести и сдвигу, вызванным подъемной силой и термическими нагрузками. Это связано с тем, что модуль Юнга является важным фактором в уравнениях для расчета критической нагрузки на изгиб для осевых элементов и критического напряжения сдвига при изгибе для панелей обшивки. Если модуль Юнга материала уменьшается при высоких температурах, вызванных аэродинамическим нагревом, то конструкция крыла потребует более крупных лонжеронов и более толстых сегментов обшивки, чтобы учесть это снижение прочности, когда самолет становится сверхзвуковым. Есть некоторые материалы, которые сохраняют свою прочность при высоких температурах, вызванных аэродинамическим нагревом. Например, Inconel X-750 использовался в частях планера X-15 , североамериканского самолета, который летал на гиперзвуковых скоростях в 1958 году. [3] [4] Титан — еще один высокопрочный материал, даже при высоких температурах, и часто используется для каркасов крыльев сверхзвуковых самолетов. SR-71 использовал титановые панели обшивки, окрашенные в черный цвет для снижения температуры [5] и гофрированные для компенсации расширения. [6] Еще одной важной концепцией проектирования крыльев ранних сверхзвуковых самолетов было использование небольшого отношения толщины к хорде , так что скорость потока над аэродинамическим профилем не слишком сильно увеличивалась от скорости свободного потока. Поскольку поток уже сверхзвуковой, дальнейшее увеличение скорости не принесло бы пользы для конструкции крыла. Уменьшение толщины крыла сближает верхние и нижние стрингеры, уменьшая общий момент инерции конструкции. Это увеличивает осевую нагрузку в стрингерах, и, таким образом, площадь и вес стрингеров должны быть увеличены. Некоторые конструкции гиперзвуковых ракет использовали жидкостное охлаждение передних кромок (обычно топливо на пути к двигателю). Теплозащитный экран ракеты Sprint потребовал нескольких итераций конструкции для температур 10 Махов. [7]
Нагрева, вызванного очень высокой скоростью входа в атмосферу (более 20 Махов ), достаточно, чтобы разрушить корабль, если не использовать специальные методы. Ранние космические капсулы, такие как используемые на Mercury , Gemini и Apollo, имели тупую форму для создания отстоящей головной ударной волны , что позволяло большей части тепла рассеиваться в окружающем воздухе. Кроме того, эти корабли имели абляционный материал, который сублимируется 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 Mercury имела покрытие из алюминия со стекловолокном во многих слоях. Когда температура поднималась до 1100 °C (1400 K), слои испарялись и забирали с собой тепло. Космический корабль становился горячим, но не опасным. [8] В космическом челноке использовались изоляционные плитки на нижней поверхности для поглощения и излучения тепла, при этом предотвращая его передачу алюминиевому каркасу самолета . Повреждение теплового экрана во время старта космического челнока «Колумбия» привело к его разрушению при входе в атмосферу.