Würden Druckluftlöcher in Überschallflugzeugen das Hitzeproblem mildern?

Die Idee, kleine Luftlöcher zu verwenden, um eine Oberfläche zu kühlen, ist nicht ganz „draußen“. In Turbinentriebwerken werden die Turbinenschaufeln gekühlt, indem Zapfluft von einer Verdichterstufe über die Schaufeln geblasen wird.

^{Hier ist eine Kühlung mit Zapfluft sinnvoll, da die Luft in der Turbine aufgrund der zugeführten Energie aus der Brennstoffverbrennung heißer ist als die verdichtete Zapfluft.}

Es würde jedoch nicht funktionieren, von einem Überschallschock zu kühlen. Der Grund dafür ist das ideale Gasgesetz. Insbesondere werden wir uns eine reversible adiabatische Kompression ansehen . Das ist die Verdichtung eines Gases ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung. Aufgrund der adiabatischen Kompression erhöht sich die Temperatur wie folgt:

mit$µ$der Joule-Thompson-Koeffizient, der für Luft einen gewissen positiven Wert hat. Der entscheidende Punkt dieser Gleichung ist, dass die Endtemperatur nur von der Druckerhöhung abhängt .

Ein Überschallflugzeug erzeugt eine Schockwelle vor dem Flugzeug. Diese Stoßwelle ist ein starker Druckanstieg, der zu einem starken Temperaturanstieg führt. Dieser Temperaturanstieg heizt das Flugzeug auf.

Der "schützende" Luftfilm, an den Sie denken, muss einen höheren Druck haben als diese Stoßwelle - sonst strömt Luft eher ein als aus den Löchern. Unter Verwendung der obigen Gleichung bedeutet dies, dass die aus den Löchern austretende Luft eine höhere Temperatur haben muss als die Stoßwelle. Ihre Idee macht Ihr Flugzeug nur noch wärmer!

Die einzige Lösung besteht darin, von einer adiabatischen Kompression zu einem komplizierteren thermodynamischen Zyklus zu wechseln: höchstwahrscheinlich adiabatische Kompression im Flugzeugmotor, gefolgt von isobarem (konstantem Druck) Wärmeaustausch mit der Umgebung. Wärmetauscher sind jedoch schwere, voluminöse Strukturen und werden so weit wie möglich vermieden. Tatsächlich komprimieren Passagierflugzeuge die Luft zunächst auf einen viel höheren Druck als nötig , um die Temperatur künstlich zu erhöhen; alles in dem Bemühen, die Wärmetauschergröße zu reduzieren.

Angenommen, Sie haben einen Wärmetauscher aus Handwavium, können wir uns Ihren Steuerflächen zuwenden. Der Außenluft ist es egal, ob sie auf eine feste Oberfläche oder einen Luftfilm trifft - die Stoßwelle erzeugt einen ebenso großen Druckunterschied, der die Kraft auf Ihre Steuerfläche erzeugt. Tatsächlich befindet sich eine Stoßwelle oft etwas vor der Oberfläche, weil sich hinter der Stoßwelle „eingeschlossene Luft“ befindet. Möglicherweise müssen Sie den Druck Ihrer Luftlöcher auf der Druckseite Ihrer Steuerfläche erhöhen, daher muss das System einige Steuerventile enthalten.

Der Überschallknall ist immer noch genau derselbe. Ein Überschallknall ist nur „Luft konnte nicht schnell genug aus dem Weg gehen“; Dabei spielt es keine Rolle, ob es einem festen Flugzeug oder einem dünnen Luftfilm ausweichen muss.

Ich kann mir nicht vorstellen, warum Ihre Löcher 50 mm groß sein sollten - das ist riesig . Sie möchten, dass die Löcher so klein wie möglich sind. Auf diese Weise können Sie sie so nah wie möglich aneinander legen, sodass jedes Stück Flugzeughaut in der Nähe eines Lochs liegt und durch eine Folie vor diesem Loch geschützt ist. Stellen Sie sich das so vor: Was trägt die Mitte eines Lochs zur Kühlung der benachbarten Haut bei?

Ich bin nicht der Meinung, dass es überhaupt ein "Hitzeproblem" gibt.

Die Concorde, ein Überschall-Passagierjet, hatte eine Spitzentemperatur von 153 °C (307 °F), und das nur über einem winzigen Teil der Nase. ( Quelle )

Auch wenn das nach viel klingt, ist es ungefähr die richtige Temperatur zum Backen von Muffins in einer Küche; eine typische Pizza backt bei 425°F. Niemand würde sagen, dass meine Küche ein „Hitzeproblem“ hat.

Selbst für extreme Flugzeuge wie die SR-71 ist Hitze ziemlich einfach zu handhaben und nicht wirklich ein Problem, das ein völlig neues System von Luftlöchern, Schläuchen, Einlässen, Ventilen, Sensoren und Steuerungen erfordert, um damit fertig zu werden.

Sie haben eine Lösung auf der Suche nach einem Problem. Das Problem besteht nicht.