موضوع مقاله: گرمایش آیرودینامیکی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # گرمایش آیرودینامیکی | مقدمه: در علم و مهندسی، درک گرمایش آیرودینامیکی برای پیش‌بینی رفتار شهاب‌واره‌هایی که وارد جو زمین می‌شوند، برای اطمینان از بقای ایمن فضاپیماها هنگام ورود به جو، و برای طراحی هواپیما و موشک‌های پرسرعت ضروری است. | ## بخش 1: گرمایش آیرودینامیکی | «برای هواپیماها و موشک‌های پرسرعت، گرمایش آیرودینامیکی عبارت است از تبدیل انرژی جنبشی به انرژی گرمایی در نتیجه حرکت نسبی آن‌ها در هوای ساکن و انتقال متعاقب آن از طریق پوسته به ساختار و داخل وسیله نقلیه. مقداری گرما در اثر فشرده‌سازی سیال در نقاط سکون و نزدیک آن، مانند دماغه وسیله نقلیه و لبه‌های حمله بال، تولید می‌شود. برای سرعت‌های زیرصوت، دو هدف اصلی در طراحی بال، به حداقل رساندن وزن و به حداکثر رساندن استحکام است. گرمایش آیرودینامیکی که در سرعت‌های ابرصوت و فراصوت رخ می‌دهد، یک ملاحظه اضافی را به تحلیل ساختاری بال اضافه می‌کند. در بالی که معمولاً سرعت‌های زیرصوت را تجربه می‌کند، باید تعداد کافی استرینگر برای تحمل تنش‌های محوری و خمشی ناشی از نیروی برآر وارد بر بال وجود داشته باشد. علاوه بر این، فاصله بین استرینگرها باید به اندازه‌ای کم باشد که پانل‌های پوسته دچار کمانش نشوند و پانل‌ها باید به اندازه‌ای ضخیم باشند که تنش برشی و جریان برشی موجود در پانل‌ها به دلیل نیروی برآر روی بال را تحمل کنند. با این حال، وزن بال باید تا حد امکان کم باشد، بنابراین انتخاب مواد برای استرینگرها و پوسته یک عامل مهم است. در سرعت‌های ابرصوت، گرمایش آیرودینامیکی عنصر دیگری را به این تحلیل ساختاری اضافه می‌کند. در سرعت‌های عادی، تیرهای اصلی و استرینگرها باری را تجربه می‌کنند که تابعی از نیروی برآر، ممان‌های اول و دوم اینرسی و طول تیر اصلی است. هنگامی که تعداد تیرهای اصلی و استرینگرها بیشتر باشد، بار در هر عضو کاهش می‌یابد و می‌توان مساحت استرینگر را برای برآورده کردن الزامات تنش بحرانی کاهش داد. با این حال، افزایش دما ناشی از جریان انرژی از هوا (که در این سرعت‌های بالا توسط اصطکاک پوسته گرم می‌شود) یک عامل بار دیگر به نام بار حرارتی (thermal load) را به تیرهای اصلی اضافه می‌کند. | ## بخش 2: گرمایش آیرودینامیکی | این بار حرارتی، نیروی وارد بر استرینگرها را افزایش می‌دهد و بنابراین، برای برآورده شدن الزامات تنش بحرانی، مساحت استرینگرها باید افزایش یابد. مشکل دیگری که گرمایش آیرودینامیکی برای طراحی هواپیما ایجاد می‌کند، تأثیر دماهای بالا بر خواص مواد رایج است. مواد متداول مورد استفاده در طراحی بال هواپیما، مانند آلومینیوم و فولاد، با افزایش شدید دما، کاهش استحکام را تجربه می‌کنند. مدول یانگ ماده، که به عنوان نسبت بین تنش و کرنش تجربه شده توسط ماده تعریف می‌شود، با افزایش دما کاهش می‌یابد. مدول یانگ در انتخاب مواد برای بال بسیار مهم است، زیرا مقدار بالاتر به ماده اجازه می‌دهد تا در برابر تنش تسلیم و تنش برشی ناشی از بارهای برآر و حرارتی مقاومت کند. این به این دلیل است که مدول یانگ یک عامل مهم در معادلات محاسبه بار کمانش بحرانی برای اعضای محوری و تنش برشی کمانش بحرانی برای پانل‌های پوسته است. اگر مدول یانگ ماده در دماهای بالا ناشی از گرمایش آیرودینامیکی کاهش یابد، طراحی بال نیازمند تیرهای اصلی بزرگتر و بخش‌های پوسته ضخیم‌تر خواهد بود تا این کاهش استحکام در هنگام رسیدن هواپیما به سرعت ابرصوت جبران شود. موادی وجود دارند که استحکام خود را در دماهای بالای ناشی از گرمایش آیرودینامیکی حفظ می‌کنند. به عنوان مثال، اینکونل X-750 در بخش‌هایی از بدنه نورث امریکن ایکس-۱۵، یک هواپیمای نورث امریکن که در سال ۱۹۵۸ با سرعت‌های فراصوت پرواز می‌کرد، استفاده شد. تیتانیوم ماده دیگری با استحکام بالا، حتی در دماهای بالا است و اغلب برای چارچوب بال هواپیماهای ابرصوت استفاده می‌شود. مفهوم طراحی مهم دیگر برای بال‌های هواپیماهای ابرصوت اولیه، استفاده از نسبت ضخامت به وتر کوچک بود تا سرعت جریان روی ایرفویل بیش از حد از سرعت جریان آزاد افزایش نیابد. | ## بخش 3: گرمایش آیرودینامیکی | از آنجا که جریان از قبل ابرصوت است، افزایش بیشتر سرعت برای ساختار بال مفید نخواهد بود. کاهش ضخامت بال، استرینگرهای بالایی و پایینی را به هم نزدیک‌تر می‌کند و ممان اینرسی کل ساختار را کاهش می‌دهد. این امر بار محوری در استرینگرها را افزایش می‌دهد و بنابراین مساحت و وزن استرینگرها باید افزایش یابد. برخی از طراحی‌ها برای موشک‌های فراصوت از خنک‌کاری مایع لبه حمله (معمولاً با سوخت در مسیر رسیدن به موتور) استفاده کرده‌اند. سپر حرارتی موشک اسپرینت برای دماهای ماخ ۱۰ به چندین تکرار طراحی نیاز داشت.Bell Labs 1974, 9-17 وسایل نقلیه بازورودی گرمایش ناشی از سرعت‌های بسیار بالای بازورود (بیش از ماخ ۲۰) برای از بین بردن وسیله نقلیه کافی است، مگر اینکه از تکنیک‌های ویژه استفاده شود. کپسول‌های فضایی اولیه مانند کپسول‌های مورد استفاده در پروژه مرکوری، پروژه جمینای و برنامه فضایی آپولو، با اشکال کُند (blunt) طراحی شدند تا یک موج ضربه‌ای کمانی جدا از بدنه ایجاد کنند که به بخش عمده‌ای از گرما اجازه می‌دهد در هوای اطراف پراکنده شود. علاوه بر این، این وسایل نقلیه دارای مواد فرسایشی بودند که در دمای بالا تصعید شده و به گاز تبدیل می‌شدند. عمل تصعید انرژی حرارتی ناشی از گرمایش آیرودینامیکی را جذب کرده و به جای گرم کردن کپسول، باعث فرسایش ماده می‌شود. سطح سپر حرارتی فضاپیمای مرکوری دارای پوششی از آلومینیوم با لایه‌های متعدد الیاف شیشه بود. شاتل فضایی از کاشی‌های عایق در سطح زیرین خود برای جذب و تابش گرما و در عین حال جلوگیری از رسانش به بدنه آلومینیومی استفاده می‌کرد. | ## جمع‌بندی | آسیب به سپر حرارتی در هنگام پرتاب شاتل فضایی کلمبیا به نابودی آن در هنگام بازورود کمک کرد.