АЭРОДИНАМИ́ЧЕСКИЙ НАГРЕ́В
-
Рубрика: Технологии и техника
-
Скопировать библиографическую ссылку:
АЭРОДИНАМИ́ЧЕСКИЙ НАГРЕ́В, нагрев тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или ином газе. А. н. неразрывно связан с аэродинамическим сопротивлением, которое испытывают тела при движении в атмосфере; энергия, затрачиваемая на его преодоление, частично передаётся телу в виде А. н. При движении тела встречный поток газа тормозится вблизи его поверхности. Если тело движется со сверхзвуковой скоростью, то торможение происходит сначала в ударной волне, возникающей перед телом, затем непосредственно у самой его поверхности, где торможение вызывается силами вязкости, заставляющими молекулы газа «прилипать» к поверхности, образуя т. н. пограничный слой. При торможении потока его кинетич. энергия уменьшается и соответственно увеличиваются внутренняя энергия газа и его темп-ра. Так, при полёте ЛА со скоростью, втрое превышающей скорость звука (ок. 1 км/с), темп-ра воздуха у его поверхности составляет ок. 400 К, при входе в атмосферу Земли с 1-й космич. cкоростью (ок. 8 км/с) достигает 8000 К, а со 2-й космич. скоростью (11,2 км/с) – ок. 11000 К. Из областей газа с повышенной темп-рой теплота передаётся движущемуся телу, происходит А. н. Существуют две формы А. н. – конвективный и радиационный.
Конвективный нагрев – следствие передачи теплоты теплопроводностью из внешней, «горячей» части пограничного слоя к поверхности тела; зависит от скорости и высоты полёта, формы и размеров тела, характера течения (ламинарное или турбулентное) в пограничном слое. В случае турбулентного течения конвективный нагрев становится интенсивнее. При дальнейшем увеличении скорости полёта темп-ра воздуха за ударной волной и в пограничном слое возрастает, в результате чего происходят диссоциация и ионизация молекул газа. Образующиеся при этом атомы, ионы и электроны диффундируют в более холодную область потока – к поверхности тела, где происходит обратная реакция (рекомбинация), идущая с выделением теплоты. Это вносит дополнит. вклад в конвективный А. н.
Радиац. нагрев происходит вследствие переноса лучистой энергии из областей газа с повышенной темп-рой к поверхности тела. Наибольшую роль играют излучения в видимой и УФ-областях спектра. При скорости полёта порядка 5 км/с темп-ра газа за ударной волной достигает значений, при которых газ начинает излучать. При полёте в атмосфере Земли со скоростями ниже 1-й космической радиац. нагрев мал по сравнению с конвективным; при 2-й космич. скорости их значения становятся близкими, а при скоростях 13–15 км/с и выше (соответствующих возвращению космич. аппарата на Землю) осн. доля А. н. принадлежит радиац. составляющей.
А. н. также играет существенную роль при сверхзвуковом течении газа в каналах, в первую очередь в соплах ракетных двигателей. В пограничном слое на стенках сопла темп-ра газа может быть близкой к темп-ре в камере сгорания ракетного двигателя (до 4000 К). При этом действуют те же механизмы переноса энергии, что и в пограничном слое на поверхности ЛА, в результате чего и возникает А. н. стенок сопла ракетного двигателя.
С А. н. связана проблема «теплового барьера», возникающая при создании сверхзвуковых самолётов, ракет-носителей и космич. аппаратов. Но если при достаточно длительном сверхзвуковом полёте обшивка самолёта нагревается до темп-ры, близкой к темп-ре торможения (порядка 400 К), то поверхность космич. аппарата при входе в атмосферу Земли или другой планеты со скоростью более 10–11 км/с неминуемо начнёт разрушаться из-за неспособности обычных материалов выдерживать столь большие темп-ры (порядка 6000–8000 К). Поэтому для противодействия А. н. на космич. аппаратах применяют тепловую защиту.