L'escalfament aerodinàmic és l'escalfament d'un cos sòlid produït pel seu pas a alta velocitat per l'aire. En ciència i enginyeria, la comprensió de l'escalfament aerodinàmic és necessària per predir el comportament dels meteoroides que entren a l'atmosfera terrestre, per garantir que les naus espacials sobrevisquin amb seguretat a la reentrada atmosfèrica i per al disseny d'avions i míssils d'alta velocitat.

"Per a avions i míssils d'alta velocitat, l'escalfament aerodinàmic és la conversió d'energia cinètica en energia calorífica com a resultat del seu moviment relatiu en aire estacionari i la posterior transferència a través de la pell cap a l'estructura i l'interior del vehicle. Part de la calor es produeix per la compressió del fluid en i prop dels punts d'estancament, com ara el morro del vehicle i les vores d'atac de l'ala. La calor addicional es genera a partir de la fricció de l'aire al llarg de la pell dins de la capa límit". Aquestes dues regions d'escalfament de la pell les mostra van Driest. L'escalfament de la capa límit de la pell es pot conèixer com a escalfament cinètic.

L'efecte de l'escalfament de la pell en el disseny de les ales dels avions miniatura|Temperatures superficials del Concorde causades per l'aire que es queda en repòs, a partir d'una temperatura ambient de -57 °C, a les vores d'atac del morro i l'ala i a partir de la temperatura de la fricció a la capa límit cap enrere. Els efectes de l'escalfament aerodinàmic sobre la temperatura de la pell i la posterior transferència de calor a l'estructura, la cabina, les badies d'equips i els sistemes elèctrics, hidràulics i de combustible s'han d'incorporar en el disseny d'aeronaus i míssils supersònics i hipersònics.

Una de les principals preocupacions causades per l'escalfament aerodinàmic sorgeix en el disseny de l'ala. Per a velocitats subsòniques, dos objectius principals del disseny de l'ala són minimitzar el pes i maximitzar la força. L'escalfament aerodinàmic, que es produeix a velocitats supersòniques i hipersòniques, afegeix una consideració addicional a l'anàlisi de l'estructura de l'ala. Una estructura d'ala idealitzada està formada per llargs, larguers i segments de pell. En una ala que normalment experimenta velocitats subsòniques, hi ha d'haver un nombre suficient de larguers per suportar les tensions axials i de flexió induïdes per la força de sustentació que actua sobre l'ala. A més, la distància entre les larguers ha de ser prou petita perquè els panells de pell no es deformin, i els panells han de ser prou gruixuts per suportar la tensió de cisallament i el flux de cisallament presents als panells a causa de la força de sustentació sobre l'ala. Tanmateix, el pes de l'ala ha de ser el més petit possible, per la qual cosa l'elecció del material per a les larguers i la pell és un factor important.

A velocitats supersòniques, l'escalfament aerodinàmic afegeix un altre element a aquesta anàlisi estructural. A velocitats normals, els pals i els travessers experimenten una càrrega que és funció de la força de sustentació, els primers i segons moments d'inèrcia i la longitud del pal. Quan hi ha més pals i travessers, la càrrega a cada membre es redueix i l'àrea del travesser es pot reduir per complir els requisits d'estrès crític. Tanmateix, l'augment de la temperatura causat per l'energia que flueix de l'aire (escalfat per la fricció de la pell a aquestes altes velocitats) afegeix un altre factor de càrrega, anomenat càrrega tèrmica, als pals. Aquesta càrrega tèrmica augmenta la força sentida pels travessers i, per tant, l'àrea dels travessers s'ha d'augmentar per tal que es compleixi el requisit d'estrès crític.

Un altre problema que l'escalfament aerodinàmic causa en el disseny d'aeronaus és l'efecte de les altes temperatures sobre les propietats dels materials comuns. Els materials comuns utilitzats en el disseny d'ales d'aeronaus, com l'alumini i l'acer, experimenten una disminució de la resistència a mesura que les temperatures pugen extremadament altes. El mòdul de Young del material, definit com la relació entre la tensió i la deformació que experimenta el material, disminueix a mesura que augmenta la temperatura. El mòdul de Young és crític en la selecció de materials per a l'ala, ja que un valor més alt permet que el material resista la tensió de fluència i cisallament causada per les càrregues de sustentació i tèrmiques. Això es deu al fet que el mòdul de Young és un factor important en les equacions per calcular la càrrega crítica de vinclament per als membres axials i la tensió crítica de cisallament per vinclament per als panells de pell. Si el mòdul de Young del material disminueix a altes temperatures causades per l'escalfament aerodinàmic, el disseny de l'ala requerirà espàrrecs més grans i segments de pell més gruixuts per tenir en compte aquesta disminució de la resistència a mesura que l'aeronau es torna supersònica. Hi ha alguns materials que conserven la seva resistència a les altes temperatures que indueix l'escalfament aerodinàmic. Per exemple, l'Inconel X-750 es va utilitzar en parts de l'estructura de l'X-15, un avió nord-americà que va volar a velocitats hipersòniques el 1958. El titani és un altre material d'alta resistència, fins i tot a altes temperatures, i sovint s'utilitza per a les estructures de les ales dels avions supersònics. L'SR-71 utilitzava panells de revestiment de titani pintats de negre per reduir la temperatura i corrugats per adaptar-se a l'expansió. Un altre concepte de disseny important per a les primeres ales dels avions supersònics va ser utilitzar una petita relació gruix-corda, de manera que la velocitat del flux sobre el perfil aerodinàmic no augmenti massa respecte a la velocitat del corrent lliure. Com que el flux ja és supersònic, augmentar encara més la velocitat no seria beneficiós per a l'estructura de l'ala. Reduir el gruix de l'ala acosta els larguers superior i inferior, reduint el moment d'inèrcia total de l'estructura. Això augmenta la càrrega axial als larguers i, per tant, s'ha d'augmentar l'àrea i el pes dels larguers. Alguns dissenys de míssils hipersònics han utilitzat refrigeració líquida dels vores d'atac (normalment el combustible de camí al motor). L'escut tèrmic del míssil Sprint va necessitar diverses iteracions de disseny per a temperatures de Mach 10.

Vehicles de reentrada L'escalfament causat per les velocitats de reentrada molt elevades (superiors a Mach 20) és suficient per destruir el vehicle tret que s'utilitzin tècniques especials. Les primeres càpsules espacials, com les utilitzades a Mercury, Gemini i Apollo, van rebre formes romes per produir un arc de xoc separat, permetent que la major part de la calor es dissipés a l'aire circumdant. A més, aquests vehicles tenien material ablatiu que es sublima en un gas a alta temperatura. L'acte de sublimació absorbeix l'energia tèrmica de l'escalfament aerodinàmic i erosiona el material en lloc d'escalfar la càpsula. La superfície de l'escut tèrmic de la nau espacial Mercury tenia un recobriment d'alumini amb fibra de vidre en moltes capes. A mesura que la temperatura pujava a les capes s'evaporarien i s'emportarien la calor amb elles. La nau espacial s'escalfaria però no de manera perjudicial. El transbordador espacial utilitzava rajoles aïllants a la seva superfície inferior per absorbir i irradiar calor alhora que evitava la conducció a l'estructura d'alumini. Els danys a l'escut tèrmic durant l'enlairament del transbordador espacial Columbia van contribuir a la seva destrucció en la reentrada.

Referències

Categoria:Enginyeria aeroespacial Categoria:Aerodinàmica