Аэродинамическое нагревание

Аэродинамическое нагревание

— повышение температуры поверхности летательного аппарат при его полёте в атмосфере. Частицы газа при их движении относительно летательного аппарата тормозятся около его поверхности в зонах сжатия при отклонении потока, в ударных волнах и в пограничных слоях. Процесс торможения сопровождается выделением теплоты за счёт преобразования кинетической энергии поступательного движения частиц в тепловую и, следовательно, повышением температуры газа.
Исследования показывают, что наибольших значений А. н. достигает в областях повышенного давления в окрестности точек (критических точек) и линий растекания в носовой части тел, на передних кромках крыльев, килей, органов управления и на других выступающих элементах конструкции. При этом для ламинарного режима обтекания тепловые потоки максимальны непосредственно в критических точках, а для турбулентного режима они достигают наибольших значений на участках поверхности, на которых значения плотности потока течения QeVе максимальны; для двумерного течения это имеет место при числах Маха у поверхности, близких к единице. Коэффициент теплообмена на боковых поверхностях тел значительно меньше, чем в критических точках, однако в связи с большой площадью этих поверхностей тепловая защита требует значительного увеличения веса конструкции. При образовании на поверхности тел шероховатости тепловые потоки могут возрасти из-за более раннего перехода к турбулентному режиму, а также вследствие интенсификации турбулентных тепловых потоков на шероховатой поверхности (в 1,5—2 раза).
Большое значение имеет расчёт А. н. поверхностей гиперзвуковых летательных аппаратов, обладающих подъёмной силой и имеющих органы управления. В этом случае возникают пространственные течения, сопровождающиеся искривлением линий тока и поперечными градиентами давления. Характерной особенностью пограничного слоя при этом является образование вторичных течений, за счёт которых пограничный слой в окрестности линий растекания утончается и тепловые потоки возрастают. Около рулей, щитков, а также при приближении к линиям отекания возможно образование местных отрывных зон с последующим возрастанием теплоотдачи в местах прилипания оторвавшихся потоков.
При M > 10 температура заторможенного газа достигает значений, при которых становится существенной диссоциация воздуха. Часть кинетической энергии внешнего потока, затраченной на диссоциацию, преобразуется в теплоту в результате рекомбинации у стенки. Большое значение при этом имеют диффузия диссоциированных молекул к стенке и химические реакции, протекающие на поверхности и в пограничном слое.
При скорости полёта более 10—12 км/с (межконтинентальные ракеты, космические аппараты при входе в атмосферу и др.) в расчёте А. н. необходимо учитывать передачу теплоты к поверхности от разогретого газа за ударными волнами и в пограничном слое за счёт радиационных тепловых потоков. Лучистые тепловые потоки при определенных условиях (толстый ударный слой перед затупленным телом, неравновесная диссоциация) могут сравниться и превысить конвективные тепловые потоки. При температураx, сопровождающих такие полёты, возникает также термическая ионизация воздуха, сильно влияющая на коэффициент конвективного и лучистого переноса.
В связи с появившимися реальными возможностями длительного полёта в верхнних слоях атмосферы на высоте более 60—80 км возникла необходимость расчёта А. н. в разреженном газе, когда средний путь свободного пробега молекул сравним с размерами тела или с толщиной пограничного слоя и существенно проявляется дискретность среды (см. Разреженных газов динамика). Из-за малой плотности газа тепловые потоки в этой области течений малы, хотя при скоростях полёта, равных 6—8 км/с, температуры торможении достаточно велики. В этих условиях вся область течений в зависимости от значений параметров подобия Re и М может быть условно разделена на области сплошной среды, течения со скольжением и свободномолекулярного течения. В области течения со скольжением разрежённость среды проявляется в первую очередь у стенки, где скорость и температура газа отличаются от скорости и температуры самой стенки. При свободномолекулярном течении можно пренебрегать числом столкновений молекул между собой по сравнению с числом их столкновений с поверхностью тела.
Для расчёта теплообмена в разреженном газе решающее значение имеет определение коэффициентов аккомодации, характеризующих взаимодействие молекул газа с поверхностями тела. Значения коэффициент аккомодации зависят от загрязнённости поверхностей, их шероховатости, наличия адсорбированной газовой плёнки, соотношения масс молекул газа набегающего потока и атомов материала поверхности и др. При больших скоростях полёта принимают приближенно, что коэффициент аккомодации примерно равен единице.
При полёте на высотах более 100 км роль А. н. уменьшается и, начиная с высот 180—200 км, тепловые потоки за счёт А. н. становятся пренебрежимо малыми по сравнению с лучистыми потоками от Земли и Солнца.

Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П. Свищев. 1994.