Als Folgefrage zu Was ist die typische Temperatur des Rumpfes eines Verkehrsflugzeugs während des Fluges? Ich frage mich, wie sehr schnelle Flugzeuge, wie die erwähnte SR-71, bei einer Gesamtlufttemperatur von über 400 Grad Celsius eine Überhitzung vermeiden.
Um eine Überhitzung zu vermeiden, besteht der übliche Trick darin, das richtige Material auszuwählen:
Der nächste Trick besteht darin, höher zu fliegen, wo die Luft weniger dicht ist. Eine geringere Dichte verringert nicht die Lufttemperatur, aber sie verringert den Wärmefluss, sodass sich die Flugzeugzelle bei einer niedrigeren Temperatur einpendelt. Denken Sie daran, dass die letztendliche Wärme die Kombination aus Konvektion, Strahlung und Wärmeleitfähigkeit ist. Durch das Hochfliegen kann insbesondere die Oberseite Wärme frei in den schwarzen Raum darüber abstrahlen.
Das heißeste Flugzeug aller Zeiten war die North American X-15 A-2. Für einen Geschwindigkeitsrekordversuch wurde das gesamte Flugzeug mit rosafarbener, ablativer Farbe überzogen, damit der Sublimationsprozess etwas mehr Wärme abtransportieren würde. Um den Lack vor flüssigem Sauerstoff zu schützen, wurde auch ein weißer Decklack aufgetragen.
X-15 A-2 kurz nach dem Abwurf vom Träger B-52 ( Bildquelle ). Beachten Sie den kleinen Lauf unter der unteren Finne: Dies war ein Staustrahlflugzeug, das bei dieser Gelegenheit getestet wurde.
Beschädigung des ventralen Stabilisators. Der Staustrahl löste sich vorzeitig durch Reibungserwärmung ( Bildquelle )
Ein dritter Trick besteht darin, nur kurzzeitig schnell zu fliegen. Eine wärmesuchende Luft-Luft-Rakete erreicht leicht Mach 3, aber nur für weniger als eine Minute. Um den Sensor gekühlt zu halten, würde ein Druckgas (Argon oder Stickstoff) expandiert werden (das AIM-9X verwendet sogar einen Stirling-Kryokühler ). Durch eine Beheizung der Struktur oder die Verwendung eines internen Kühlkörpers kann die begrenzte Wärmebelastung toleriert werden, wenn auch nur für eine sehr begrenzte Zeit.
Ich möchte mit Fokus auf den SR-71 antworten, da ich zufällig ein Buch habe, das Details zu seinem Design enthält.
Ben Rich war der Leiter der Antriebs- und Thermodynamikgruppe für den SR-71 und Kelly Johnsons Nachfolger als Leiter der Skunkworks für spätere Programme. Im Kapitel „Faster Than a Speeding Bullet“ seiner Memoiren Skunkworks (Seite 203 in der ersten Taschenbuchausgabe, 1994) schreibt er:
... Ich habe freiwillig einige unaufgeforderte Ratschläge gegeben, wie wir ein weicheres Titan verwenden könnten, das bei 550 Grad an Festigkeit zu verlieren begann. Meine Idee war, das Flugzeug schwarz zu streichen. Aus meiner Studienzeit erinnerte ich mich, dass ein guter Wärmeabsorber auch ein guter Wärmestrahler war und tatsächlich mehr Wärme abstrahlen würde, als er durch Reibung aufnehmen würde. Ich habe berechnet, dass schwarze Farbe die Flügeltemperaturen durch Strahlung um 35 Grad senken würde. Aber Kelly [Johnson, Leiter von Skunkworks und dem damaligen A12-Projekt] schnaubte ungeduldig und schüttelte den Kopf … Über Nacht hatte er jedoch offenbar Zweifel … „Was die schwarze Farbe betrifft“, sagte er, „hatten Sie recht über die Vorteile und ich lag falsch." Er gab mir ein Viertel. Es war ein seltener Sieg. Also genehmigte Kelly meine Idee, das Flugzeug schwarz zu streichen,
Das Kapitel geht detaillierter auf verschiedene einzigartige Materialauswahlen ein:
Hydraulikleitungen aus Edelstahl
Auswerferklappen aus Hastelloy X
Elgiloy-Steuerkabel
Vergoldete Sanitärleitungen
Schrauben und Nieten aus Titan
Spezialgummi für die Fahrwerksräder, die dann mit Stickstoff aufgeblasen wurden
Kerosin mit höherem Flammpunkt (JP-7)
Seite 205:
Der Kraftstoff wirkte als inneres Kühlmittel. Die gesamte im Flugzeug aufgebaute Wärme wurde über Wärmetauscher auf den Treibstoff übertragen. Wir haben ein intelligentes Ventil entwickelt – ein spezielles Ventil, das Temperaturänderungen erkennen kann – um den Triebwerken nur den heißesten Kraftstoff zuzuführen und den kühleren Kraftstoff zu halten, um das eingefahrene Fahrwerk und die Avionik zu kühlen.
Seite 207:
Wir haben die Cockpit-Klimaanlage so konstruiert, dass Luft aus dem Motorkompressor abgelassen und durch einen Kraftstoffluftkühler und dann durch eine Expansionsturbine bei eisigen minus 40 Grad Fahrenheit in die Kabine geleitet wird, wodurch das ofenartige 200-Grad-Cockpit auf a abgesenkt wurde milder Strandtag in Südkalifornien.
Ich denke also, dass hier drei generische Designprinzipien verkörpert sind:
Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine Überhitzung zu vermeiden.
Die einfachste Methode ist die Verwendung eines Hochtemperaturmaterials wie Titan in SR-71 oder Stahllegierung in Mig-25; in Concorde wurde eine spezielle Aluminiumlegierung (AU2GN) verwendet. Bei anderen Flugzeugen wird Stahl oder Ti an Staupunkten (wie Flügelvorderkanten) verwendet, während die anderen freiliegenden Oberflächen aus anderen Materialien bestehen.
In SR-71 wurde der Treibstoff als Kühlkörper verwendet , um die in der Flugzeugzelle erzeugte Wärme abzuleiten.
In X-15 wurde eine ablative Isolierung verwendet , um Erwärmungsprobleme zu überwinden:
Das Flugzeug war mit einer ablativen Isolierung bedeckt, die Flüge bis Mach 7,4 ermöglichen sollte. Ein silikonelastomerer Ablator wurde in variabler Dicke entsprechend den lokalen Wärmebelastungen aufgesprüht. Die Vorderkanten wurden durch ein verwandtes erosionsbeständiges Material geschützt, das in vorgeformten Abschnitten aufgetragen wurde
Versagen des Pylons aufgrund von Interferenzerwärmung durch Dummy-Staustrahltriebwerk , Bild von history.nasa.gov
ROIMaison