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, para garantizar que las naves espaciales sobrevivan de manera segura a la reentrada atmosférica y para el diseño de aeronaves y misiles de alta velocidad.
Los efectos del calentamiento aerodinámico sobre la temperatura de la piel y la consiguiente transferencia de calor a la estructura, la cabina, los compartimentos de equipos y los sistemas eléctricos, hidráulicos y de combustible, deben incorporarse en el diseño de aviones y misiles supersónicos e hipersónicos .
Una de las principales preocupaciones causadas por el calentamiento aerodinámico surge en el diseño del ala. Para velocidades subsónicas, dos objetivos principales del diseño del ala son minimizar el peso y maximizar la resistencia. El calentamiento aerodinámico, que ocurre a velocidades supersónicas e hipersónicas, agrega una consideración adicional en el análisis de la estructura del ala. Una estructura de ala idealizada está formada por largueros , largueros y segmentos de piel . En un ala que normalmente experimenta velocidades subsónicas, debe haber una cantidad 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 para que los paneles de la piel no se doblen, y los paneles deben ser lo suficientemente gruesos para soportar la tensión de corte y el flujo de corte presente en los paneles debido a la fuerza de sustentación en 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 la piel es un factor importante. [ cita requerida ]
A velocidades supersónicas, el calentamiento aerodinámico añade otro elemento a este análisis estructural. A velocidades normales, los largueros y los largueros experimentan una carga denominada Delta P, que es una 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 crítica. Sin embargo, el aumento de temperatura causado por la energía que fluye desde el aire (calentado por la fricción superficial a estas altas velocidades) agrega 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, el área de los largueros debe aumentarse para que se cumpla el requisito de tensión crítica. [ cita requerida ]
Otro problema que el calentamiento aerodinámico causa en el diseño de aeronaves es el efecto de las altas temperaturas sobre las propiedades de los materiales comunes. Los materiales comunes utilizados en el diseño de alas de aeronaves, como el aluminio y el acero, experimentan una disminución de su resistencia a medida que las temperaturas se elevan demasiado. El módulo de Young del material, definido como la relación entre la tensión y la deformación que experimenta el material, disminuye a medida que aumenta la temperatura. El módulo de Young es fundamental en la selección de materiales para las alas, ya que un valor más alto permite que el material resista la tensión de fluencia y de corte causada 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 crítica de pandeo para los miembros axiales y la tensión crítica de corte de pandeo para los 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 la 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 del fuselaje 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 los aviones supersónicos. El SR-71 utilizó paneles de revestimiento 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 los aviones supersónicos fue utilizar 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. Reducir el espesor del ala acerca los largueros superior e inferior, lo que reduce el momento de inercia total de la estructura. Esto aumenta la carga axial en los largueros y, por lo 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 altísimas velocidades de reentrada (superiores a Mach 20) es suficiente para destruir el vehículo a menos que se utilicen técnicas especiales. Las primeras cápsulas espaciales, como las utilizadas en Mercury , Gemini y Apollo , tenían formas romas para producir un arco de choque separado , lo que permitía que la mayor parte del calor se disipara en el aire circundante. Además, estos vehículos tenían material ablativo que se sublima en un 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 Mercury tenía un revestimiento de aluminio con fibra de vidrio en muchas capas. A medida que la temperatura subía a 1100 °C (1400 K), las capas se evaporaban y se llevaban el calor con ellas. La nave espacial se calentaba, pero no de forma dañina. [6] El transbordador espacial utilizaba baldosas aislantes en su superficie inferior para absorber e irradiar calor al tiempo que impedían la conducción al fuselaje de aluminio . Los daños sufridos por el escudo térmico durante el despegue del transbordador espacial Columbia contribuyeron a su destrucción al reingresar.