Аэродинамический нагрев и его влияние на конструкцию летательных аппаратов.

Введение

Высокие температуры, вызванные движением в воздухе.

Аэродинамический нагрев — это нагрев твердого тела, возникающий при его движении с высокой скоростью в воздухе. В науке и технике понимание аэродинамического нагрева необходимо для прогнозирования поведения метеороидов при входе в атмосферу Земли, обеспечения безопасного возвращения космических аппаратов в атмосферу, а также для разработки высокоскоростных самолетов и ракет.

Самолет

Влияние аэродинамического нагрева на температуру обшивки и последующую передачу тепла в конструкцию, кабину, отсеки оборудования, а также электрические, гидравлические и топливные системы должно учитываться при проектировании сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов и ракет. Одной из основных проблем, возникающих из-за аэродинамического нагрева, является проектирование крыла. Для дозвуковых скоростей две главные цели при проектировании крыла – минимизация веса и максимизация прочности. Аэродинамический нагрев, возникающий на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях, добавляет дополнительное условие при анализе конструкции крыла. Идеальная конструкция крыла состоит из лонжеронов, стрингеров и обшивных панелей. В крыле, предназначенном для работы на дозвуковых скоростях, должно быть достаточное количество стрингеров для восприятия осевых и изгибных напряжений, вызванных подъемной силой, действующей на крыло. Кроме того, расстояние между стрингерами должно быть достаточно малым, чтобы предотвратить выпучивание обшивки, а сами панели должны быть достаточно толстыми, чтобы выдерживать касательные напряжения и поток сдвига, возникающие в них под действием подъемной силы. Однако вес крыла необходимо минимизировать, поэтому выбор материала для стрингеров и обшивки является важным фактором. На сверхзвуковых скоростях аэродинамический нагрев добавляет еще один элемент к этому структурному анализу. При нормальных скоростях лонжероны и стрингеры испытывают нагрузку, называемую Delta P, которая является функцией подъемной силы, первого и второго моментов инерции и длины лонжерона. Увеличение количества лонжеронов и стрингеров снижает Delta P в каждом элементе, что позволяет уменьшить площадь поперечного сечения стрингеров для соответствия требованиям по прочности. Однако повышение температуры, вызванное энергией, поступающей от воздуха (нагретого трением о поверхность при этих высоких скоростях), добавляет к лонжеронам дополнительную нагрузку – тепловую. Эта тепловая нагрузка увеличивает суммарную силу, действующую на стрингеров, и, следовательно, площадь поперечного сечения стрингеров необходимо увеличить для обеспечения соответствия требованиям по прочности. Другая проблема, вызванная аэродинамическим нагревом при проектировании самолетов, – влияние высоких температур на свойства обычных материалов. Обычно используемые в конструкции крыльев самолетов материалы, такие как алюминий и сталь, теряют прочность при экстремально высоких температурах. Модуль Юнга материала, определяемый как отношение между напряжением и деформацией, уменьшается с повышением температуры. Модуль Юнга играет решающую роль в выборе материалов для крыла, поскольку более высокое значение обеспечивает сопротивление материала текучести и касательным напряжениям, вызванным подъемной и тепловой нагрузками. Это связано с тем, что модуль Юнга является важным фактором в уравнениях для расчета критической нагрузки на выпучивание осевых элементов и критического напряжения на сдвиг для обшивных панелей. Если модуль Юнга материала уменьшается при высоких температурах, вызванных аэродинамическим нагревом, то конструкция крыла потребует более крупных лонжеронов и более толстых обшивных панелей для компенсации этого снижения прочности при переходе самолета на сверхзвуковую скорость. Существуют материалы, сохраняющие свою прочность при высоких температурах, возникающих при аэродинамическом нагреве. Например, сплав Inconel X 750 использовался в частях фюзеляжа самолета X-15, американского самолета, летавшего на гиперзвуковых скоростях в 1958 году. Титан – еще один высокопрочный материал, сохраняющий свои свойства даже при высоких температурах, и часто используется для конструкций крыльев сверхзвуковых самолетов. На SR-71 использовались титановые обшивочные панели, окрашенные в черный цвет для снижения температуры и гофрированные для компенсации расширения. Важной концепцией проектирования ранних сверхзвуковых крыльев самолетов было использование небольшого отношения толщины к хорде, чтобы скорость потока над профилем не увеличивалась слишком сильно по сравнению со скоростью набегающего потока. Поскольку поток уже сверхзвуковой, дальнейшее увеличение скорости не принесет пользы конструкции крыла. Уменьшение толщины крыла сближает верхние и нижние стрингера, уменьшая общий момент инерции конструкции. Это увеличивает осевую нагрузку на стрингера, и, следовательно, необходимо увеличить площадь и вес стрингеров. В некоторых конструкциях гиперзвуковых ракет используется жидкостное охлаждение передних кромок (обычно топлива, направляемого в двигатель). Тепловой щит ракеты Sprint потребовал нескольких итераций проектирования для температур, соответствующих числу Маха 10.

The effects of aerodynamic heating on the temperature of the skin, and subsequent heat transfer into the structure, the cabin, the equipment bays and the electrical, hydraulic and fuel systems, have to be incorporated in the design of supersonic and hypersonic aircraft and missiles. One of the main concerns caused by aerodynamic heating arises in the design of the wing. For subsonic speeds, two main goals of wing design are minimizing weight and maximizing strength. Aerodynamic heating, which occurs at supersonic and hypersonic speeds, adds an additional consideration in wing structure analysis. An idealized wing structure is made up of spars, stringers, and skin segments. In a wing that normally experiences subsonic speeds, there must be a sufficient number of stringers to withstand the axial and bending stresses induced by the lift force acting on the wing. In addition, the distance between the stringers must be small enough that the skin panels do not buckle, and the panels must be thick enough to withstand the shear stress and shear flow present in the panels due to the lifting force on the wing. However, the weight of the wing must be made as small as possible, so the choice of material for the stringers and the skin is an important factor. At supersonic speeds, aerodynamic heating adds another element to this structural analysis. At normal speeds, spars and stringers experience a load called Delta P, which is a function of the lift force, first and second moments of inertia, and length of the spar. When there are more spars and stringers, the Delta P in each member is reduced, and the area of the stringer can be reduced to meet critical stress requirements. However, the increase in temperature caused by energy flowing from the air (heated by skin friction at these high speeds) adds another load factor, called a thermal load, to the spars. This thermal load increases the net force felt by the stringers, and thus the area of the stringers must be increased in order for the critical stress requirement to be met. Another issue that aerodynamic heating causes for aircraft design is the effect of high temperatures on common material properties. Common materials used in aircraft wing design, such as aluminum and steel, experience a decrease in strength as temperatures get extremely high. The Young's Modulus of the material, defined as the ratio between stress and strain experienced by the material, decreases as the temperature increases. Young's Modulus is critical in the selection of materials for wing, as a higher value lets the material resist the yield and shear stress caused by the lift and thermal loads. This is because Young's Modulus is an important factor in the equations for calculating the critical buckling load for axial members and the critical buckling shear stress for skin panels. If the Young's Modulus of the material decreases at high temperatures caused by aerodynamic heating, then the wing design will call for larger spars and thicker skin segments in order to account for this decrease in strength as the aircraft goes supersonic. There are some materials that retain their strength at the high temperatures that aerodynamic heating induces. For example, Inconel X 750 was used on parts of the airframe of the X 15, a North American aircraft that flew at hypersonic speeds in 1958. Titanium is another high strength material, even at high temperatures, and is often used for wing frames of supersonic aircraft. The SR 71 used titanium skin panels painted black to reduce the temperature and corrugated to accommodate expansion. Another important design concept for early supersonic aircraft wings was using a small thickness to chord ratio, so that the speed of the flow over the airfoil does not increase too much from the free stream speed. As the flow is already supersonic, increasing the speed even more would not be beneficial for the wing structure. Reducing the thickness of the wing brings the top and bottom stringers closer together, reducing the total moment of inertia of the structure. This increases axial load in the stringers, and thus the area, and weight, of the stringers must be increased. Some designs for hypersonic missiles have used liquid cooling of the leading edges (usually the fuel en route to the engine). The Sprint missile's heat shield needed several design iterations for Mach 10 temperatures.

Воздушные суда

Нагрев, вызванный очень высокими скоростями при входе в атмосферу (более 20 Махов), достаточен для уничтожения аппарата, если не применяются специальные методы. Ранние космические капсулы, использовавшиеся в программах "Меркурий", "Джемини" и "Аполлон", имели обтекаемые формы, чтобы создать набегающую ударную волну, позволяющую большей части тепла рассеиваться в окружающем воздухе. Кроме того, эти аппараты были оснащены абляционным материалом, который при высокой температуре сублимирует, превращаясь в газ. Процесс сублимации поглощает тепловую энергию, возникающую при аэродинамическом нагреве, и разрушает материал, а не нагревает капсулу. Поверхность теплового щита космического корабля "Меркурий" имела многослойное покрытие из алюминия со стекловолокном. При повышении температуры слои испарялись, унося с собой тепло. Космический корабль нагревался, но не до критического состояния. Космический шаттл использовал на нижней поверхности теплоизоляционные плитки для поглощения и излучения тепла, предотвращая его передачу на алюминиевый корпус. Повреждение теплового щита во время старта шаттла "Колумбия" способствовало его гибели при повторном входе в атмосферу.