گرمایش آیرودینامیکی

گرمایش آیرودینامیکی (به انگلیسی: Aerodynamic heating) به گرم شدن یک جسم جامد در اثر عبور آن با سرعت بالا از میان هوا گفته می‌شود. در علم و مهندسی، درک گرمایش آیرودینامیکی برای پیش‌بینی رفتار شهاب‌واره‌هایی که وارد جو زمین می‌شوند، برای اطمینان از بقای ایمن فضاپیماها هنگام ورود به جو، و برای طراحی هواپیما و موشک‌های پرسرعت ضروری است.

«برای هواپیماها و موشک‌های پرسرعت، گرمایش آیرودینامیکی عبارت است از تبدیل انرژی جنبشی به انرژی گرمایی در نتیجه حرکت نسبی آن‌ها در هوای ساکن و انتقال متعاقب آن از طریق پوسته به ساختار و داخل وسیله نقلیه. مقداری گرما در اثر فشرده‌سازی سیال در نقاط سکون و نزدیک آن، مانند دماغه وسیله نقلیه و لبه‌های حمله بال، تولید می‌شود. گرمای اضافی نیز از اصطکاک هوا در امتداد پوسته و داخل لایه مرزی تولید می‌گردد».[۱] این دو ناحیه گرمایش پوسته توسط ون دریست (van Driest) نشان داده شده است.[۲] گرمایش لایه مرزی پوسته ممکن است به عنوان گرمایش جنبشی (kinetic heating) نیز شناخته شود.[۳]

تأثیر گرمایش پوسته بر طراحی بال هواپیما

دمای پوسته هواپیمای کنکورد که ناشی از توقف هوا در دماغه و لبه‌های حمله بال (با دمای محیط ۵۷- درجه سانتی‌گراد) و همچنین دمای ناشی از اصطکاک در لایه مرزی به سمت عقب است.[۴]

اثرات گرمایش آیرودینامیکی بر دمای پوسته و انتقال حرارت متعاقب آن به ساختار، کابین، محفظه‌های تجهیزات و سامانه‌های الکتریکی، هیدرولیکی و سوختی، باید در طراحی هواپیماها و موشک‌های ابَرصوت و فراصوت در نظر گرفته شود.

یکی از نگرانی‌های اصلی ناشی از گرمایش آیرودینامیکی در طراحی بال به وجود می‌آید. برای سرعت‌های زیرصوت، دو هدف اصلی در طراحی بال، به حداقل رساندن وزن و به حداکثر رساندن استحکام است. گرمایش آیرودینامیکی که در سرعت‌های ابرصوت و فراصوت رخ می‌دهد، یک ملاحظه اضافی را به تحلیل ساختاری بال اضافه می‌کند. یک ساختار بال ایده‌آل از تیرهای اصلی (spars)، استرینگرها (stringers) و بخش‌های پوسته (skin) تشکیل شده است. در بالی که معمولاً سرعت‌های زیرصوت را تجربه می‌کند، باید تعداد کافی استرینگر برای تحمل تنش‌های محوری و خمشی ناشی از نیروی برآر وارد بر بال وجود داشته باشد. علاوه بر این، فاصله بین استرینگرها باید به اندازه‌ای کم باشد که پانل‌های پوسته دچار کمانش نشوند و پانل‌ها باید به اندازه‌ای ضخیم باشند که تنش برشی و جریان برشی موجود در پانل‌ها به دلیل نیروی برآر روی بال را تحمل کنند. با این حال، وزن بال باید تا حد امکان کم باشد، بنابراین انتخاب مواد برای استرینگرها و پوسته یک عامل مهم است.

در سرعت‌های ابرصوت، گرمایش آیرودینامیکی عنصر دیگری را به این تحلیل ساختاری اضافه می‌کند. در سرعت‌های عادی، تیرهای اصلی و استرینگرها باری را تجربه می‌کنند که تابعی از نیروی برآر، ممان‌های اول و دوم اینرسی و طول تیر اصلی است. هنگامی که تعداد تیرهای اصلی و استرینگرها بیشتر باشد، بار در هر عضو کاهش می‌یابد و می‌توان مساحت استرینگر را برای برآورده کردن الزامات تنش بحرانی کاهش داد. با این حال، افزایش دما ناشی از جریان انرژی از هوا (که در این سرعت‌های بالا توسط اصطکاک پوسته گرم می‌شود) یک عامل بار دیگر به نام بار حرارتی (thermal load) را به تیرهای اصلی اضافه می‌کند. این بار حرارتی، نیروی وارد بر استرینگرها را افزایش می‌دهد و بنابراین، برای برآورده شدن الزامات تنش بحرانی، مساحت استرینگرها باید افزایش یابد.

مشکل دیگری که گرمایش آیرودینامیکی برای طراحی هواپیما ایجاد می‌کند، تأثیر دماهای بالا بر خواص مواد رایج است. مواد متداول مورد استفاده در طراحی بال هواپیما، مانند آلومینیوم و فولاد، با افزایش شدید دما، کاهش استحکام را تجربه می‌کنند. مدول یانگ ماده، که به عنوان نسبت بین تنش و کرنش تجربه شده توسط ماده تعریف می‌شود، با افزایش دما کاهش می‌یابد. مدول یانگ در انتخاب مواد برای بال بسیار مهم است، زیرا مقدار بالاتر به ماده اجازه می‌دهد تا در برابر تنش تسلیم و تنش برشی ناشی از بارهای برآر و حرارتی مقاومت کند. این به این دلیل است که مدول یانگ یک عامل مهم در معادلات محاسبه بار کمانش بحرانی برای اعضای محوری و تنش برشی کمانش بحرانی برای پانل‌های پوسته است. اگر مدول یانگ ماده در دماهای بالا ناشی از گرمایش آیرودینامیکی کاهش یابد، طراحی بال نیازمند تیرهای اصلی بزرگتر و بخش‌های پوسته ضخیم‌تر خواهد بود تا این کاهش استحکام در هنگام رسیدن هواپیما به سرعت ابرصوت جبران شود. موادی وجود دارند که استحکام خود را در دماهای بالای ناشی از گرمایش آیرودینامیکی حفظ می‌کنند. به عنوان مثال، اینکونل X-750 در بخش‌هایی از بدنه نورث امریکن ایکس-۱۵، یک هواپیمای نورث امریکن که در سال ۱۹۵۸ با سرعت‌های فراصوت پرواز می‌کرد، استفاده شد.[۵][۶] تیتانیوم ماده دیگری با استحکام بالا، حتی در دماهای بالا است و اغلب برای چارچوب بال هواپیماهای ابرصوت استفاده می‌شود. SR-71 از پانل‌های پوسته تیتانیومی رنگ‌آمیزی شده با رنگ سیاه برای کاهش دما[۷] و به صورت موج‌دار (corrugated) برای تطبیق با انبساط حرارتی استفاده می‌کرد.[۸] مفهوم طراحی مهم دیگر برای بال‌های هواپیماهای ابرصوت اولیه، استفاده از نسبت ضخامت به وتر کوچک بود تا سرعت جریان روی ایرفویل بیش از حد از سرعت جریان آزاد افزایش نیابد. از آنجا که جریان از قبل ابرصوت است، افزایش بیشتر سرعت برای ساختار بال مفید نخواهد بود. کاهش ضخامت بال، استرینگرهای بالایی و پایینی را به هم نزدیک‌تر می‌کند و ممان اینرسی کل ساختار را کاهش می‌دهد. این امر بار محوری در استرینگرها را افزایش می‌دهد و بنابراین مساحت و وزن استرینگرها باید افزایش یابد. برخی از طراحی‌ها برای موشک‌های فراصوت از خنک‌کاری مایع لبه حمله (معمولاً با سوخت در مسیر رسیدن به موتور) استفاده کرده‌اند. سپر حرارتی موشک اسپرینت برای دماهای ماخ ۱۰ به چندین تکرار طراحی نیاز داشت.[۹]

وسایل نقلیه بازورودی

گرمایش ناشی از سرعت‌های بسیار بالای بازورود (بیش از ماخ ۲۰) برای از بین بردن وسیله نقلیه کافی است، مگر اینکه از تکنیک‌های ویژه استفاده شود. کپسول‌های فضایی اولیه مانند کپسول‌های مورد استفاده در پروژه مرکوری، پروژه جمینای و برنامه فضایی آپولو، با اشکال کُند (blunt) طراحی شدند تا یک موج ضربه‌ای کمانی جدا از بدنه ایجاد کنند که به بخش عمده‌ای از گرما اجازه می‌دهد در هوای اطراف پراکنده شود. علاوه بر این، این وسایل نقلیه دارای مواد فرسایشی بودند که در دمای بالا تصعید شده و به گاز تبدیل می‌شدند. عمل تصعید انرژی حرارتی ناشی از گرمایش آیرودینامیکی را جذب کرده و به جای گرم کردن کپسول، باعث فرسایش ماده می‌شود. سطح سپر حرارتی فضاپیمای مرکوری دارای پوششی از آلومینیوم با لایه‌های متعدد الیاف شیشه بود. با افزایش دما به ۱٬۱۰۰ درجه سلسیوس (۱٬۴۰۰ کلوین)، لایه‌ها تبخیر شده و گرما را با خود می‌بردند. فضاپیما داغ می‌شد اما نه به‌طور آسیب‌زا.[۱۰] شاتل فضایی از کاشی‌های عایق در سطح زیرین خود برای جذب و تابش گرما و در عین حال جلوگیری از رسانش به بدنه آلومینیومی استفاده می‌کرد. آسیب به سپر حرارتی در هنگام پرتاب شاتل فضایی کلمبیا به نابودی آن در هنگام بازورود کمک کرد.

جستارهای وابسته

  • سرعت گرمایی

منابع

  1. ↑ «Aerodynamic Heating». ص. ۱.
  2. ↑ The problem of aerodynamic heating, Aeronautical Engineering Review October 1956, Fig.1 Hot region covering body at supersonic speed
  3. ↑ «Concorde Structural Development',Basic Temperature Conditions». ص. ۱۷۶.
  4. ↑ Evolution of the Airliner, Whitford,شابک ‎۹۷۸ ۱ ۸۶۱۲۶ ۸۷۰ ۹, p.175
  5. ↑ Käsmann, Ferdinand C. W. (1999). Die schnellsten Jets der Welt: Weltrekord-Flugzeuge [سریع‌ترین جت‌های جهان: هواپیماهای رکورددار جهانی] (به آلمانی). Kolpingring, Germany: Aviatic Verlag. p. ۱۰۵.
  6. ↑ Weisshaar، Dr. Terry A. (۲۰۱۱). Aerospace Structures- an Introduction to Fundamental Problems. Purdue University. ص. ۱۸.
  7. ↑ Rich، Ben R.؛ Janos، Leo (۱۹۹۴). Skunk works: a personal memoir of my years at Lockheed. Warner Books. ص. ۲۱۸. شابک ۰۷۵۱۵۱۵۰۳۵.
  8. ↑ Johnson، Clarence L.؛ Smith، Maggie (۱۹۸۵). Kelly: more than my share of it all. Washington, D.C.: Smithsonian Institution Press. ص. ۱۴۱. شابک ۰۸۷۴۷۴۴۹۱۱.
  9. ↑ Bell Labs 1974, 9-17
  10. ↑ «How Project Mercury Worked». How Stuff Works. ۴ مه ۲۰۰۱. دریافت‌شده در ۲۰۱۱-۱۰-۰۴.

برای مطالعه بیشتر

  • Moore, F.G. , Approximate Methods for Weapon Aerodynamics, AIAA Progress in Astronautics and Aeronautics, Volume 186
  • Chapman, A.J. , Heat Transfer, Third Edition, Macmillan Publishing Company, 1974
  • Bell Laboratories R&D, ABM Research and Development At Bell Laboratories, 1974. Stanley R. Mickelsen Safeguard Complex
This article is issued from ویکی‌پدیا. The text is available under Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 unless otherwise noted. Additional terms may apply for the media files.