Wie vermeiden schnell fliegende Flugzeuge eine Überhitzung?

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.

Die erwähnten 400 Grad sind nur im Staupunkt vorhanden (der einzige Ort, an dem die Geschwindigkeit null ist), sobald man sich von diesem (imaginären) Punkt entfernt, wird der Temperaturabfall berücksichtigt.

Antworten (3)

Um eine Überhitzung zu vermeiden, besteht der übliche Trick darin, das richtige Material auszuwählen:

  • Die Concorde verwendete eine spezielle Aluminiumlegierung namens Hiduminium , die bei erhöhten Temperaturen eine höhere Festigkeit aufwies und es der Concorde ermöglichte, mit Mach 2,02 zu fahren. Aluminium schmilzt bei 660°C.
  • Die MiG-25 verwendete Edelstahl anstelle von Aluminium, um ihre Höchstgeschwindigkeit von Mach 3,1 zu ermöglichen (Höchstgeschwindigkeit ohne Motorschaden war Mach 2,83). Titan wäre noch besser gewesen, war aber damals teuer und schwierig zu verarbeiten. Edelstahl schmilzt zwischen 1400°C und 1450°C.
  • Der XB-70 verwendete neben Edelstahl auch Titan . Seine Reisegeschwindigkeit betrug ebenfalls Mach 3,0. Titan schmilzt bei 1668°C.
  • Der SR-71 verwendete Titan für 85 % seiner Struktur, um eine Reisegeschwindigkeit von Mach 3,2 zu ermöglichen.
  • Der X-15 wurde aus Inconel -X gebaut , einer Nickel-Chrom-Legierung, die eine hervorragende Festigkeit bei hohen Temperaturen aufweist (sie beginnt bei 1393 °C zu schmelzen) und es ihr ermöglichte, bis zu Mach 6,5 zu gehen.
  • Das Space Shuttle verwendete eine Keramikisolierung auf der lasttragenden Aluminiumstruktur, die die Wärme während des Abstiegs von der Struktur fernhielt. Beachten Sie, dass das Shuttle an einen Kühlkörper angeschlossen werden musste , um die Bordsysteme nach der Landung zu kühlen.

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

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

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.

Der Shuttle-Kühlkörper, von dem Sie sprechen, diente nicht dazu, die Lufterwärmung der Struktur zu mildern. Es diente zur Kühlung interner mechanischer und Avionikkomponenten. Es gab keine aktive Kühlung des Hitzeschildes des Shuttles nach der Landung.
@Tristan: Nein, der Hitzeschild musste nicht gekühlt werden, aber die Einbauten mussten aufgrund der Hitze, die durch den Keramikschaum kriecht und die Flugzeugzelle von außen erhitzt.
Der SR-71 hatte auch Karosserieteile, die so konstruiert waren, dass sie sich durch die Hitze ausdehnten, sodass sie sehr locker auf dem Boden lagen. Dies bedeutet, dass beim Start große Mengen Kraftstoff ausgetreten sind. Ich erinnere mich, irgendwo gelesen zu haben, dass es mit einer vollen Ladung Kraftstoff abheben, Überschallgeschwindigkeit erreichen würde, um die Haut zu erhitzen, um die Lücken zu schließen, und dann aufgetankt werden musste, weil es fast den gesamten Kraftstoff zwischen Lecks und Ausdehnung der Haut verbrauchte. Dann würde es seiner Mission nachgehen.
@PeterKämpf Die Wärmeableitung für die Einbauten war in erster Linie auf ihre selbsterzeugte Wärme zurückzuführen - sie werden vom ersten Einschalten lange vor dem Abheben bis zum Ausschalten lange nach der Landung aktiv gekühlt. Die Kacheln des Shuttles waren so schlechte Wärmeleiter, dass die strukturelle Erwärmung nach der Landung kein großes Problem darstellte.
@Tristan Interne, selbst erzeugte Heizungen erforderten, dass das Shuttle die Frachtraumtüren bald nach Erreichen der Umlaufbahn öffnete, und wenn sich die Türen nicht öffneten, musste die Mission abgebrochen werden. Nach der Landung blieben die Türen geschlossen. Sie sagen also, die externe Kühlung hat genau das getan, was die Kühler an der Innenseite der Laderaumtüren getan haben? Was ich gelernt habe, ist, dass der Abstieg des Shuttles sehr instationär war und viel mehr Wärme absorbierte, als es kontinuierlich bewältigen konnte, und ohne die in den Kacheln gespeicherte Wärme zu entfernen, würde die Struktur dauerhaft beschädigt werden.
@PeterKämpf Je nach Flugregime standen drei verschiedene Kühlsysteme zur Verfügung. Der im Orbit waren die Türkühler der Nutzlastbucht, die ein geschlossenes System schufen, das für lange Zeiträume verwendet werden konnte. Als die Türen der Ladebucht geschlossen waren, schaltete die Kühlung auf das Schnellverdampfersystem um, das Wasser verwendete, um in einer Niederdruckumgebung eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten. Unterhalb einer bestimmten Höhe mussten sie auf eine Ammoniakkesselanlage umsteigen. Sowohl der Flash-Verdampfer als auch der Boiler waren offene Systeme mit kurzer Lebensdauer, aber alle drei wurden verwendet, um dieselben Komponenten zu kühlen.
Ich glaube, bei einem der Shuttle-Flüge kam es nach der Landung zu einer knappen Notlage, weil die Kühlsysteme nicht richtig abgeschaltet wurden. Ich habe gerade Probleme, eine Quelle zu finden - glaube, ich habe es vor einiger Zeit in einem Lessons Learned-Video gesehen.

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:

  • Auswahl an Materialien, um hohen Temperaturen standzuhalten
  • Abweisung von so viel Wärme wie möglich – hier durch Strahlung von der Flugzeugoberfläche und Konvektion aus den Triebwerksabgasen über den Treibstoff
  • Ableitung von Wärme von kritischen Bereichen so weit wie möglich
Ich würde auch eine Anmerkung zur Verwendung von Brennstoff und Struktur als Kühlkörper hinzufügen. Vor ablativen Techniken hatten Atom- und Atomsprengköpfe auf Raketen Kupferkühlkörper
Ich habe bereits eine Notiz über den Kraftstoff, der als Kühlkörper verwendet wird. Wenn Sie etwas über die als Wärmespeicher verwendete Struktur wissen, können Sie gerne Ihre eigene Antwort hinzufügen (zu dieser älteren Frage habe ich gerade einen Tippfehler in meiner Antwort bemerkt und geändert). Ich wäre überrascht, wenn die Struktur als Spüle verwendet wird, da Sie anscheinend versuchen würden, Wärme abzuziehen, um thermische Spannungen zu reduzieren.
Entschuldigung, ich war zu knapp. Die „drei generischen Designprinzipien“ sollten „vier generische Designprinzipien“ sein und speziell Senken erwähnen. Aus dem zweiten Punkt „Möglichst viel Wärme abführen“ kann auf sinkende (und exportierende) Wärme geschlossen werden. Aber es klar zu sagen, scheint einfacher und wird im obigen Text reichlich unterstützt. Ja, im Jahr 2016 war es überraschend, eine Struktur zu haben, die als Kühlkörper gedacht war, aber schwere Kupferklumpen waren Teil des frühen Wiedereintrittsfahrzeugdesigns. Deshalb sollten sie erwähnt werden.
Hmm. Das Sinken ist jedoch nur ein Teil des Prozesses. Sie leiten die Wärme an den Treibstoff ab, weil Sie ihn gleich über Bord werfen wollen. Daher das intelligente Ventil mit dem heißesten Kraftstoff. Die Ablehnung umfasst sowohl Strahlung als auch Konvektion ... vielleicht werde ich das erweitern. Ich werde nicht auf die strukturellen schweren Kupferklumpen eingehen. Ich habe den Umfang meiner Antwort auf SR-71 beschränkt, da es sich um eine Frage zu schnell fliegenden Flugzeugen handelt und ich eine gute SR-71-Ressource hatte. Ich weiß nichts über die Verwendung von Strukturen als Kühlkörper in schnell fliegenden Flugzeugen.

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

  • Aerothermodynamisches Design ist wichtig für Hochgeschwindigkeitsflugzeuge. Als die NASA beispielsweise einen Dummy-Staustrahltriebwerk in X-15 testete, versagte der Montagemast aufgrund von Interferenzerwärmung fast, wobei die Erwärmungsraten an der Vorderkante in der Größenordnung des Siebenfachen im Vergleich zu denen ohne Interferenz geschätzt wurden.

X-15

Versagen des Pylons aufgrund von Interferenzerwärmung durch Dummy-Staustrahltriebwerk , Bild von history.nasa.gov

  • Um die beim Überschallflug erzeugte große Wärmemenge zu reflektieren und abzustrahlen, hatte die Concorde eine weiße Farbe mit hohem Reflexionsvermögen, die etwa doppelt so reflektierend war wie die weiße Farbe anderer Jets.
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