Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Аэродинамический нагрева является нагрев твердого тела , полученного путем его высокоскоростного прохода через воздух (или при прохождении воздуха через статический тела), в результате чего его кинетическая энергия преобразуется в тепло с помощью адиабатического нагрева , [1] и трения на поверхности объекта со скоростью, которая зависит от вязкости и скорости воздуха. В науке и технике это чаще всего вызывает озабоченность в связи с метеоритами , входом космических аппаратов в атмосферу и проектированием высокоскоростных самолетов .

Физика [ править ]

При движении в воздухе с высокой скоростью кинетическая энергия объекта преобразуется в тепло за счет сжатия и трения с воздухом. На низких скоростях объект также теряет тепло в воздух, если воздух более прохладный. Комбинированный температурный эффект тепла от воздуха и от прохождения через него называется температурой застоя ; фактическая температура называется температурой восстановления. [2] Эти вязкие диссипативные эффекты на соседние подслои заставляют пограничный слой замедляться за счет неизэнтропическойпроцесс. Затем тепло от воздуха с более высокой температурой переходит в материал поверхности. Результат - повышение температуры материала и потеря энергии потока. Принудительная конвекция обеспечивает пополнение остывшими газами другим материалом для продолжения процесса. [ необходима 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 массового расхода потока. Аэродинамический нагрев максимален на высоких скоростях и в нижних слоях атмосферы, где плотность выше. В дополнение к конвективному процессу, описанному выше, существует также тепловое излучение от потока к телу и наоборот, причем общее направление определяется их температурами относительно друг друга. [ необходима цитата ]

Аэродинамический нагрев увеличивается с увеличением скорости автомобиля. Его эффекты минимальны на дозвуковых скоростях , но достаточно значительны на сверхзвуковых скоростях выше 2,2 Маха, чтобы влиять на конструктивные и материальные аспекты конструкции и внутренних систем транспортного средства. Эффект нагрева сильнее всего на передних кромках , но все транспортное средство нагревается до стабильной температуры, если его скорость остается постоянной. Аэродинамический нагрев решается с помощью сплавов, которые могут выдерживать высокие температуры, внешней изоляции автомобиля или использования абляционного материала .

Самолет [ править ]

Аэродинамический нагрев - это проблема сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов .

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 лонжеронов , стрингеров и сегментов обшивки . В крыле, которое обычно имеет дозвуковые скорости, должно быть достаточное количество стрингеров, чтобы выдерживать осевые и изгибающие напряжения, вызванные подъемной силой.действует на крыло. Кроме того, расстояние между стрингерами должно быть достаточно небольшим, чтобы панели обшивки не прогибались, и 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. [ необходима 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 является функцией 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 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, следовательно, площадь стрингеров должна быть увеличена для удовлетворения требований критического напряжения. [цитата необходима ]

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 по мере повышения температуры. В модуль Юнгаматериала, определяемая как соотношение между напряжением и деформацией, испытываемой материалом, уменьшается с повышением температуры. Модуль Юнга имеет решающее значение при выборе материалов для крыла, поскольку более высокое значение позволяет материалу противостоять текучести и напряжению сдвига, вызванному 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 конструкция крыла потребует использования больших 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 частях планера X-15 , североамериканского самолета, который летал на гиперзвуковой скорости в 1958 году. [3] [4] Титан является еще одним высокопрочным материалом даже при высоких температурах. часто используется для изготовления корпусов крыла сверхзвуковых самолетов. В SR-71 использовались панели обшивки из титана, окрашенные в черный цвет для снижения температуры [5] и гофрированные для компенсации расширения. [6] Еще одна важная концепция конструкции крыльев сверхзвуковых самолетов на ранних этапах развития заключалась в использовании небольшого отношения 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 передних кромок (обычно топливо на пути к двигателю). Sprint ракета «s теплозащитный требуется несколько итераций проектирования для Mach 10 температур. [7]

Возвращаемые машины [ править ]

Нагрев, вызванный очень высокими скоростями входа в атмосферу (более 20 Маха ), достаточен для разрушения транспортного средства, если не используются специальные методы. Ранние космические капсулы, такие как использовавшиеся на Меркурии , Близнецах и Аполлоне, имели тупые формы, чтобы производить ударную нагрузку на носу , позволяющую большей части тепла рассеиваться в окружающий воздух. Кроме того, в этих транспортных средствах был абляционный материал, который сублимируетв газ при высокой температуре. Акт 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. При повышении температуры до 1100 ° C (1400 K) слои испаряются и уносят с собой тепло. Космический корабль станет горячим, но не так опасно. [8] Space Shuttle используется изоляционные плитки на ее нижнюю поверхность , чтобы поглощать и излучать тепло, предотвращая проводимость к алюминиевому планеру . Повреждение теплового экрана при взлете космического корабля " Колумбия" способствовало его разрушению. при повторном входе.

Ссылки [ править ]

  1. ^ «НАСА - Дизайн космического корабля» . Архивировано из оригинала 9 июля 2009 года . Проверено 7 января 2013 года .
  2. ^ Курганов, VA (3 февраля 2011), "адиабатического Температура стенок" , A-к-Z Руководство по термодинамике, тепло- и массообмена, и Fluids Engineering , Thermopedia, DOI : 10.1615 / AtoZ.a.adiabatic_wall_temperature , извлекаться 2015-10 -03
  3. ^ Käsmann, Ferdinand CW (1999). Die schnellsten Jets der Welt: Weltrekord-Flugzeuge [ Самые быстрые реактивные самолеты в мире: самолет-рекордсмен ] (на немецком языке). Кольпингринг, Германия: Aviatic Verlag. п. 105. ISBN 3-925505-26-1.
  4. ^ Weisshaar, доктор Терри А. (2011). Аэрокосмические конструкции - введение в фундаментальные проблемы . Университет Пердью. п. 18.
  5. ^ Рич, Бен R .; Янош, Лео (1994). Скунс работает: личные воспоминания о моих годах в Lockheed . Книги Уорнера. п. 218. ISBN 0751515035.
  6. ^ Джонсон, Кларенс L .; Смит, Мэгги (1985). Келли: больше, чем моя доля . Вашингтон, округ Колумбия: Пресса Смитсоновского института. п. 141. ISBN. 0874744911.
  7. ↑ Bell Labs 1974, 9-17.
  8. ^ «Как работал проект Меркурий» . Как работает материал . Проверено 4 октября 2011 .
  • Мур, Ф.Г., Приближенные методы аэродинамики оружия, AIAA Progress in Astronautics and Aeronautics, Volume 186
  • Чепмен, AJ, Теплопередача, третье издание, Macmillan Publishing Company, 1974
  • Bell Laboratories R&D, ABM Research and Development At Bell Laboratories, 1974. Защитный комплекс Стэнли Р. Микельсена