Кіріспе

Аэродинамикалық қыздыру – қатты дененің ауада жоғары жылдамдықпен қозғалуынан туындайтын қызу. Ғылым және инженерия салаларында аэродинамикалық қыздыруды түсіну Жер атмосферасына кіретін метеориттердің қозғалысын болжау, ғарыш кемелерінің атмосфераға қауіпсіз қайта кіруін қамтамасыз ету және жоғары жылдамдықты ұшақтар мен зымырандарды жасау үшін маңызды.

Ұшақ

Аэродинамикалық қыздырудың температураға тигізетін әсері және одан кейін конструкцияға, кабинаға, жабдықтар бөлімшелеріне, электр, гидравликалық және отын жүйелеріне жылудың берілуі, үстіндік және гиперүндік ұшақтар мен зымырандардың жобалауында ескерілуі тиіс. Аэродинамикалық қыздырудан туындайтын негізгі мәселелердің бірі қанат конструкциясында кездеседі. Дыбыс асты жылдамдықтарда қанатты жобалаудың екі басты мақсаты – салмақты азайту және беріктікті арттыру. Дыбыс жоғары және гиперүндік жылдамдықтарда болатын аэродинамикалық қыздыру, қанат құрылымын талдау кезінде қосымша қарастырылатын фактор болып табылады. Идеалды қанат құрылымы шпарлар, стрингерлер және қаптама сегменттерінен тұрады. Әдетте дыбыс асты жылдамдықпен ұшатын қанатта, қанатқа әсер ететін көтеру күшінен туындайтын осьтік және иілу кернеулеріне төтеп беру үшін жеткілікті мөлшерде стрингерлер болуы керек. Сонымен қатар, қаптамалар арасындағы қашықтық қаптама панельдері бүкілмеуі үшін жеткілікті кіші болуы керек, ал панельдер қанатқа әсер ететін көтеру күшінен туындайтын қиылыс кернеуіне және ағынға төтеп бере алатындай қалың болуы керек. Дегенмен, қанаттың салмағы ең аз болуы керек, сондықтан стрингерлер мен қаптамаға арналған материалды таңдау маңызды фактор болып табылады. Дыбыс жоғары жылдамдықтарда аэродинамикалық қыздыру осы құрылымдық талдауға тағы бір элемент қосады. Қалыпты жылдамдықтарда шпарлар мен стрингерлер көтеру күшінің, бірінші және екінші инерция моменттерінің және шпардың ұзындығының функциясы болып табылатын Delta P деп аталатын жүктемеге ұшырайды. Шпарлар мен стрингерлердің саны көбейсе, әрбір элементтегі Delta P азаяды және стрингердің көлденең қимасы сындық кернеу талаптарына сәйкес келу үшін кішірейтілуі мүмкін. Алайда, ауадан ағып келетін энергияның (осы жоғары жылдамдықтарда терінің үйкелісінен қыздырылған) салдарынан температураның көтерілуі шпарларға тағы бір жүктеме факторын, яғни жылу жүктемесін қосады. Бұл жылу жүктемесі стрингерлерге түсетін жалғыз күшті арттырады, сондықтан сындық кернеу талабын қанағаттандыру үшін стрингерлердің көлденең қимасы ұлғайтылуы керек. Аэродинамикалық қыздыру ұшақ жобалау үшін тағы бір мәселе тудырады – жоғары температураның материалдың қасиеттеріне тигізетін әсері. Ұшақ қанатын жобалауда қолданылатын алюминий және болат сияқты материалдардың беріктігі температураның жоғарылауымен төмендейді. Материалдың Янг модулі, материалдағы кернеу мен деформация арақатынасы ретінде анықталады, температураның көтерілуімен азаяды. Янг модулі қанат үшін материалды таңдауда маңызды рөл атқарады, өйткені жоғары мәні материалға көтеру және жылу жүктемелерінен туындайтын шығымдылық пен қиылыс кернеуіне қарсы тұруға мүмкіндік береді. Себебі Янг модулі осьтік элементтер үшін сындық бүктелу жүктемесін және қаптама панельдері үшін сындық бүктелу қиылыс кернеуін есептеу теңдеулерінде маңызды фактор болып табылады. Егер аэродинамикалық қыздырудан туындаған жоғары температурада материалдың Янг модулі төмендесе, онда қанатты жобалауда ұшақ үстіндік жылдамдыққа жеткенде беріктігінің төмендеуін ескеру үшін үлкен шпарлар мен қалың қаптама сегменттерін пайдалану қажет болады. Аэродинамикалық қыздырудың тудыратын жоғары температурада өздерінің беріктігін сақтайтын материалдар да бар. Мысалы, 1958 жылы Солтүстік Америкада гиперүндік жылдамдықпен ұшқан X 15 ұшағының корпусының бөліктеріне Инконел X 750 қолданылды. Титан да жоғары температурада берік материал болып табылады және көбінесе үстіндік ұшақтардың қанат конструкциясында қолданылады. SR 71 температураны төмендету үшін қара боялған титан қаптамаларын және кеңеюді ұсыну үшін толқынды қаптамаларды пайдаланды. Ерте үстіндік ұшақ қанаттарының тағы бір маңызды жобалау қағидасы – ағын жылдамдығы еркін ағын жылдамдығынан тым көп артпауы үшін қанаттың қалыңдығы мен енінің арақатынасын кішірек ету болды. Ағынның өзі дыбыс жоғары болғандықтан, жылдамдықты одан әрі арттыру қанат құрылысына пайдалы болмас еді. Қанаттың қалыңдығын азайту жоғарғы және төменгі стрингерлерді жақындатады, бұл құрылымның жалпы инерция моментін азайтады. Бұл стрингерлердегі осьтік жүктемені арттырады, сондықтан стрингерлердің көлденең қимасы мен салмағы ұлғаюы керек. Гиперүндік зымырандардың кейбір жобалары алдыңғы жиектерді сұйықпен салқындатуды қолданды (әдетте қозғалтқышқа баратын отын). Спринт зымыранының жылу қалқаны Мах 10 температурасы үшін бірнеше рет қайта жасалуды қажет етті.

Қайта кіру құралдары

Арнайы әдістер қолданылмаса, өте жоғары қайта кіру жылдамдықтары (20 Махтан жоғары) тудыратын қызу көлік құралын жоюға жеткілікті. Меркурий, Близнецы және Аполлон сияқты алғашқы ғарыш капсулаларына, жылудың көп бөлігін айналағы ауаға таратуға мүмкіндік беретін, алдыңғы соққы толқынын қалыптастыратын дөңгелек пішін берілді. Бұған қоса, бұл көліктерде жоғары температурада газға айналатын абляциялық материал қолданылды. Сублимация процесі аэродинамикалық қызудың жылу энергиясын сіңіріп, капсуланы қыздырудың орнына материалды тозуға (эрозияға) ұшыратады. Меркурий ғарыш кемесінің жылу қалқанының беті көп қабатты шыны талшықтарымен қапталған алюминийдан жасалған. Температура көтерілген кезде қабаттар буланып, жылуды өздерімен бірге кетіреді. Ғарыш кемесі қызады, бірақ зиянды деңгейге жетпейді. Ғарыш шаттлы алюминийден жасалған негізгі корпусына жылу өтпеуі үшін төменгі бетіне жылуды сіңіріп, сәулелендіретін оқшаулағыш плиткалар орнатылды. «Колумбия» ғарыш шаттлының ұшырылу кезінде жылу қалқанына келген зақым, қайта кіру кезінде оның жойылуына себеп болды.