Was ist die typische Temperatur eines Flugzeugrumpfes während des Fluges?

Es gibt zwei Hauptfaktoren, die die Hauttemperatur eines Flugzeugs im Flug beeinflussen: die Lufttemperatur und die Geschwindigkeit des Flugzeugs.

Die Lufttemperatur, in der Flugzeuge kreuzen, ist relativ kalt, etwa -54 °C in 35.000 Fuß Höhe .

Wenn sich ein Körper wie ein Flugzeug durch Luft bewegt, komprimiert er die Luft, wodurch die Lufttemperatur ansteigt. Der maximale Temperaturanstieg tritt auf, wenn die Luft vollständig gestoppt wird, beispielsweise an einer Vorderkante. Dies wird als Gesamtlufttemperatur bezeichnet, und der Betrag, um den die Temperatur ansteigt, wird als Stößelanstieg bezeichnet.

Verwenden Sie eine einfache Formel , um den Anstieg des Widders zu ermitteln:

$$RR = \frac{V^2}{87^2}$$

… wo$RR$ist in Kelvin, und$V$ist die wahre Fluggeschwindigkeit in Knoten.

Bei einer typischen Reisegeschwindigkeit von 500 Knoten ergibt sich eine Temperatur von 33 Grad. Dies bringt die Gesamtlufttemperatur auf -22 °C, was immer noch ziemlich kalt ist. An anderen Stellen als der Vorderkante wird der Temperaturanstieg geringer sein. Aus diesem Grund benötigen Laderäume Heizungen, um für lebende Tiere sicher zu sein , auch wenn sie isoliert und unter Druck stehen. Verkehrsflugzeuge fliegen einfach nicht schnell genug, um eine signifikante Menge an Wärme zu erzeugen.

Andererseits könnte die SR-71 mit über 1.910 kn fliegen, was einen Stauanstieg von 482 °C ergibt. Die Luft wird nicht viel kälter, wenn Sie in die Höhen aufsteigen, in denen die SR-71 geflogen ist, was zu einer Gesamtlufttemperatur von über 400 ° C führt. Geschwindigkeit macht einen großen Unterschied.

Lokale Lufttemperatur

Bei schnellen Flugzeugen liegt die maximale Erwärmung am Staupunkt. Hier wird die kinetische Energie der Strömung vollständig in Druck umgewandelt, der die Luft und damit die Struktur erwärmt. Aufgrund der geringen lokalen Geschwindigkeit und des hohen Drucks am und nahe dem Stagnationspunkt ist auch die Wärmeübertragungsrate hoch, was zu der Wärmelast beiträgt.

Die Formel für die Staupunkttemperatur$T_s$eines idealen Gases der Temperatur$T_{\infty}$ein Objekt mit der Machzahl Ma zu treffen ist

$$T_s = T_{\infty} + T_{\infty}\cdot\frac{(\kappa-1)\cdot Ma^2}{2}$$ Für Luft das Verhältnis der spezifischen Wärmen $\kappa$ist 1,4. An der Spitze der Rumpfnase eines Verkehrsflugzeugs, das mit Mach 0,85 fliegt, steigt die Lufttemperatur um 14,45 %. Wenn die Luft in der Höhe eine Temperatur von 220 K (-53,15 °C) hat, beträgt die Lufttemperatur am Staupunkt 251,8 K (-21,36 °C).

Aber hinter dem Staupunkt beschleunigt die Luft und wird schneller als die Fluggeschwindigkeit. Jetzt müssen der Druck und folglich die Temperatur ausreichend abfallen, damit die Strömung anhält und der Krümmung des vorderen Rumpfes folgt. Diese Beschleunigung kühlt die Luft, sodass die Strömung direkt über der Windschutzscheibe kühler ist als die Umgebungsluft.

Entlang des zylindrischen Teils des Rumpfes finden wir wieder ungefähr Fluggeschwindigkeit, aber jetzt ändert die Reibung die Temperatur in der Nähe der Wand. Auch hier wird die kinetische Energie umgewandelt, aber die Erwärmung wird durch Reibung verursacht. Siehe die folgenden Grenzschichtdiagramme:

Reibungs- und thermische Grenzschicht ( Bildquelle )

Die Temperatur nahe der Wand wird jetzt Erholungstemperatur genannt und unterscheidet sich von der Staupunkttemperatur, weil es eine kleine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Oberfläche gibt, die einen Teil der Wärme abführt. Die Lufttemperatur hängt vom Verhältnis zwischen viskoser Diffusion und thermischer Diffusion ab, das durch die Prandtl-Zahl Pr ausgedrückt wird . Bei Pr>1 ist die Lufttemperatur an der Wand höher als die Stagnationstemperatur und bei Pr<1 ist es kälter. Die Prandtl-Zahl der Luft beträgt 0,72, also ist die den Rumpf umgebende Luft etwas kälter als die Stagnationstemperatur.

Rumpftemperatur

Die Rumpftemperatur wird durch das Gleichgewicht zwischen Wärmeleitfähigkeit , Strahlung und Konvektion bestimmt .

• Leitfähigkeit: Hier kommt es darauf an, wie stark die Innentemperatur des Rumpfes die Haut erwärmen kann. Die Kabinentemperatur liegt wahrscheinlich bei etwa 20 °C, sodass mit einer gewissen Erwärmung zu rechnen ist. Da jedoch die meisten Verkehrsflugzeuge Isoliermatten zwischen der Außenhaut und den Innenwandpaneelen haben, ist die Leitfähigkeit von innen nicht dominant und wird die Hauttemperatur wahrscheinlich um ein paar Grad oder weniger erhöhen. Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Luft ( 0,0204 W pro m² und Kelvin ) bedeutet, dass die Erwärmung von innen die Leitfähigkeit dominiert.

• Strahlung: Da die Oberseite des Rumpfes in den Weltraum zeigt, ist sein Fernfeld-Strahlungsbudget nachts und dort, wo es von der Sonne weg zeigt, negativ, sodass die Strahlung ihn kühlt. Der untere Rumpf ist jedoch entweder dem Boden oder den darunter liegenden Wolken zugewandt, die beide wahrscheinlich heißer als die Umgebungsluft sind. Strahlung kühlt es nicht sehr und heizt es eher auf. Je nach Farbe wird der Teil des Rumpfes im direkten Sonnenlicht nochmals deutlich heißer.

• Konvektion: Dies ist der dominierende Faktor aufgrund der hohen Luftgeschwindigkeit um den Rumpf herum. Hier tauschen die Luft und der Rumpf durch Nahfeldstrahlung Wärme aus, und da sich die Luftschicht schnell und kontinuierlich regeneriert, wird dem Rumpf die Lufttemperatur aufgeprägt.

Ich habe mir nicht die Mühe gemacht, das Endergebnis zu berechnen, sondern versucht, die Hauptfaktoren und ihre Größenordnung aufzulisten. Im Allgemeinen liegt die Rumpftemperatur etwas unter der Stagnationstemperatur, und ein dunkler Rumpf in hellem Sonnenlicht oder einer mit geringer Isolierung und heißem Innenraum wird einige Grad heißer als die Stagnationstemperatur sein.