El calentamiento aerodinámico es el calentamiento de un cuerpo sólido producido por su paso a alta velocidad a través del aire. En ciencia e ingeniería, es necesario comprender el calentamiento aerodinámico para predecir el comportamiento de los meteoroides que ingresan a la atmósfera terrestre, garantizar que las naves espaciales sobrevivan con seguridad al reingreso a la atmósfera y para el diseño de aviones y misiles de alta velocidad .
Los efectos del calentamiento aerodinámico sobre la temperatura de la piel y la posterior transferencia de calor a la estructura, la cabina, los compartimentos de equipos y los sistemas eléctrico, hidráulico y de combustible deben incorporarse en el diseño de aviones y misiles supersónicos e hipersónicos .
Una de las principales preocupaciones que genera el calentamiento aerodinámico surge en el diseño del ala. Para velocidades subsónicas, dos objetivos principales del diseño de alas son minimizar el peso y maximizar la fuerza. El calentamiento aerodinámico, que se produce a velocidades supersónicas e hipersónicas, añade una consideración adicional en el análisis de la estructura del ala. Una estructura de ala idealizada se compone de largueros , largueros y segmentos de piel . En un ala que normalmente experimenta velocidades subsónicas, debe haber un número suficiente de largueros para soportar las tensiones axiales y de flexión inducidas por la fuerza de sustentación que actúa sobre el ala. Además, la distancia entre los largueros debe ser lo suficientemente pequeña como para que los paneles de revestimiento no se pandeen, y los paneles deben ser lo suficientemente gruesos para soportar el esfuerzo cortante y el flujo cortante presentes en los paneles debido a la fuerza de elevación sobre el ala. Sin embargo, el peso del ala debe ser lo más pequeño posible, por lo que la elección del material para los largueros y el revestimiento es un factor importante. [ cita necesaria ]
A velocidades supersónicas, el calentamiento aerodinámico añade otro elemento a este análisis estructural. A velocidades normales, los largueros y los largueros experimentan una carga llamada Delta P, que es función de la fuerza de sustentación, el primer y segundo momento de inercia y la longitud del larguero. Cuando hay más largueros y largueros, el Delta P en cada miembro se reduce y el área del larguero se puede reducir para cumplir con los requisitos de tensión críticos. Sin embargo, el aumento de temperatura causado por la energía que fluye desde el aire (calentado por la fricción de la piel a estas altas velocidades) añade otro factor de carga, llamado carga térmica, a los largueros. Esta carga térmica aumenta la fuerza neta que sienten los largueros y, por lo tanto, se debe aumentar el área de los largueros para que se cumpla el requisito de tensión crítica. [ cita necesaria ]
Otro problema que causa el calentamiento aerodinámico en el diseño de aeronaves es el efecto de las altas temperaturas en las propiedades comunes de los materiales. Los materiales comunes utilizados en el diseño de alas de aviones, como el aluminio y el acero, experimentan una disminución de su resistencia a medida que las temperaturas aumentan extremadamente. El módulo de Young del material, definido como la relación entre tensión y deformación experimentada por el material, disminuye a medida que aumenta la temperatura. El módulo de Young es fundamental en la selección de materiales para el ala, ya que un valor más alto permite que el material resista el esfuerzo de fluencia y corte causado por la sustentación y las cargas térmicas. Esto se debe a que el módulo de Young es un factor importante en las ecuaciones para calcular la carga de pandeo crítica para miembros axiales y el esfuerzo cortante de pandeo crítico para paneles de revestimiento. Si el módulo de Young del material disminuye a altas temperaturas causadas por el calentamiento aerodinámico, entonces el diseño del ala requerirá largueros más grandes y segmentos de revestimiento más gruesos para tener en cuenta esta disminución de resistencia a medida que el avión se vuelve supersónico. Hay algunos materiales que conservan su resistencia a las altas temperaturas que induce el calentamiento aerodinámico. Por ejemplo, el Inconel X-750 se utilizó en partes de la estructura del avión del X-15 , un avión norteamericano que voló a velocidades hipersónicas en 1958. [1] [2] El titanio es otro material de alta resistencia, incluso a altas temperaturas. , y se utiliza a menudo para los marcos de las alas de aviones supersónicos. El SR-71 utilizó paneles de piel de titanio pintados de negro para reducir la temperatura [3] y corrugados para adaptarse a la expansión. [4] Otro concepto de diseño importante para las primeras alas de aviones supersónicos fue el uso de una pequeña relación espesor-cuerda , de modo que la velocidad del flujo sobre el perfil aerodinámico no aumente demasiado con respecto a la velocidad de la corriente libre. Como el flujo ya es supersónico, aumentar aún más la velocidad no sería beneficioso para la estructura del ala. La reducción del espesor del ala acerca los largueros superior e inferior, reduciendo el momento de inercia total de la estructura. Esto aumenta la carga axial en los largueros y, por tanto, se debe aumentar el área y el peso de los largueros. Algunos diseños de misiles hipersónicos han utilizado refrigeración líquida de los bordes de ataque (normalmente el combustible en camino al motor). El escudo térmico del misil Sprint necesitó varias iteraciones de diseño para temperaturas de Mach 10. [5]
El calentamiento causado por las muy altas velocidades de reentrada (superiores a Mach 20) es suficiente para destruir el vehículo a menos que se utilicen técnicas especiales. A las primeras cápsulas espaciales, como las utilizadas en Mercurio , Géminis y Apolo , se les dieron formas romas para producir un arco de choque separador , permitiendo que la mayor parte del calor se disipara en el aire circundante. Además, estos vehículos tenían material ablativo que se sublima en gas a alta temperatura. El acto de sublimación absorbe la energía térmica del calentamiento aerodinámico y erosiona el material en lugar de calentar la cápsula. La superficie del escudo térmico de la nave espacial Mercurio estaba revestida de aluminio con fibra de vidrio en muchas capas. A medida que la temperatura aumentaba a 1100 °C (1400 K), las capas se evaporaban y se llevaban el calor consigo. La nave espacial se calentaría, pero no de forma perjudicial. [6] El transbordador espacial utilizó baldosas aislantes en su superficie inferior para absorber e irradiar calor al tiempo que evitaba la conducción hacia la estructura del avión de aluminio . Los daños sufridos por el escudo térmico durante el despegue del transbordador espacial Columbia contribuyeron a su destrucción al reingresar.