¿Cómo evitan el sobrecalentamiento los aviones que vuelan rápido?

Como pregunta de seguimiento a ¿Cuál es la temperatura típica del casco de un avión durante el vuelo? Me pregunto cómo los aviones muy rápidos, como el mencionado SR-71, evitan el sobrecalentamiento con una temperatura total del aire exterior de más de 400 grados centígrados.

Los 400 grados mencionados solo están presentes en el punto de estancamiento (el único lugar donde la velocidad es cero), tan pronto como te alejes de este punto (imaginario), la caída de temperatura será considerada.

Respuestas (3)

Para evitar el sobrecalentamiento, el truco habitual es seleccionar el material adecuado:

  • El Concorde usó una aleación de aluminio especial, llamada Hiduminium , que tenía una mayor resistencia a temperaturas elevadas y permitió que el Concorde navegara a Mach 2.02. El aluminio se funde a 660°C.
  • El MiG-25 usó acero inoxidable en lugar de aluminio para hacer posible su velocidad máxima de Mach 3,1 (la velocidad máxima sin daños en el motor fue de Mach 2,83). El titanio habría sido aún mejor, pero era costoso y difícil de trabajar en ese momento. El acero inoxidable se funde entre 1400°C y 1450°C.
  • El XB-70 usó titanio además de acero inoxidable. Su velocidad de crucero también era Mach 3.0. El titanio se funde a 1668°C.
  • El SR-71 usó titanio en el 85% de su estructura para permitir una velocidad de crucero de Mach 3.2.
  • El X-15 fue construido a partir de Inconel -X, una aleación de níquel-cromo que tiene una excelente resistencia a altas temperaturas (comienza a fundirse a 1393 °C) y le permitió alcanzar Mach 6,5.
  • El transbordador espacial usó un aislamiento de cerámica en la parte superior de la estructura de aluminio de carga que mantuvo el calor alejado de la estructura durante el descenso. Tenga en cuenta que el transbordador tuvo que estar conectado a un disipador de calor para enfriar los sistemas a bordo después del aterrizaje.

El siguiente truco es volar más alto donde el aire es menos denso. Una densidad más baja no reduce la temperatura del aire, pero reduce el flujo de calor, por lo que la estructura del avión se asentará a una temperatura más baja. Recuerde que el calor eventual es la combinación de convección, radiación y conductividad térmica. Volar alto permite especialmente que la superficie superior irradie calor libremente hacia el espacio negro de arriba.

El avión más popular de la historia fue el North American X-15 A-2. Para un intento de récord de velocidad, todo el avión se cubrió con pintura ablativa rosa para que el proceso de sublimación eliminara un poco más el calor. Para proteger la pintura del oxígeno líquido, también se aplicó una capa final blanca.

X-15 A-2 poco después de ser arrojado del portaaviones B-52

X-15 A-2 poco después de ser arrojado del portaaviones B-52 ( fuente de la imagen ). Tenga en cuenta el pequeño barril debajo de la aleta inferior: este fue un estatorreactor que fue probado en vuelo en esta ocasión.

Daño al estabilizador ventral

Daños en el estabilizador ventral. El estatorreactor se separó prematuramente debido al calentamiento por fricción ( fuente de la imagen )

Un tercer truco es volar rápido solo por un corto tiempo. Un misil aire-aire que busca calor alcanzará fácilmente Mach 3, pero solo por menos de un minuto. Para mantener el sensor enfriado, se expandiría un gas presurizado (argón o nitrógeno) (el AIM-9X incluso usa un enfriador criogénico Stirling ). Al calentar la estructura o usar un disipador de calor interno, se puede tolerar la carga de calor limitada, aunque solo por un tiempo muy limitado.

El disipador de calor del transbordador del que está hablando no fue para mitigar el aerocalentamiento de la estructura. Era para enfriar componentes internos mecánicos y de aviónica. No hubo un enfriamiento activo del escudo térmico del transbordador después del aterrizaje.
@Tristan: No, el escudo térmico no necesitaba refrigeración, pero el interior sí lo necesitaba debido al calor que se filtraba a través de la espuma de cerámica y calentaba el fuselaje desde el exterior.
El SR-71 también tenía paneles de carrocería diseñados para expandirse con el calor , por lo que estaban muy sueltos en el suelo. Esto significa que derramó grandes cantidades de combustible en el despegue. Recuerdo haber leído en alguna parte que despegaría con una carga completa de combustible, se volvería supersónico para calentar la piel para cerrar los huecos y luego necesitaría repostar porque consumió casi todo el combustible entre las fugas y la expansión de la piel. Luego cumpliría con su misión.
@PeterKämpf El rechazo de calor de los componentes internos se debió ante todo a su calor autogenerado: se enfrían activamente desde el primer encendido mucho antes del despegue hasta el apagado mucho después del aterrizaje. Las tejas del transbordador eran tan malas conductoras del calor que el calentamiento estructural posterior al aterrizaje no era una preocupación importante.
@Tristan Internal, el calentamiento autogenerado requería que el transbordador abriera las puertas de la bahía de carga poco después de alcanzar la órbita, y si las puertas no se abrían, la misión tenía que ser abortada. Después de aterrizar, las puertas permanecieron cerradas. Entonces, ¿usted dice que el enfriamiento externo hizo lo mismo que hicieron los radiadores en el interior de las puertas del compartimiento de carga? Lo que aprendí es que el descenso del Transbordador era altamente estacionario, absorbiendo mucho más calor del que podía manejar continuamente, y sin eliminar el calor almacenado en las tejas, la estructura se dañaría permanentemente.
@PeterKämpf Había tres sistemas de enfriamiento diferentes disponibles, según el régimen de vuelo. El que estaba en órbita eran los radiadores de la puerta de la bahía de carga útil, que creaban un sistema cerrado que podía usarse durante largos períodos de tiempo. Cuando se cerraron las puertas de la bahía de carga útil, el enfriamiento cambió al sistema de evaporador flash, que usaba agua para proporcionar suficiente enfriamiento en un entorno de baja presión. Por debajo de cierta altitud, tuvieron que cambiar a un sistema de caldera de amoníaco. Tanto el evaporador instantáneo como la caldera eran sistemas abiertos con una vida útil corta, pero los tres se usaban para enfriar los mismos componentes.
Creo que hubo una llamada cercana posterior al aterrizaje en uno de los vuelos del transbordador debido al apagado incorrecto de los sistemas de enfriamiento. Tengo problemas para encontrar una fuente en este momento; creo que lo vi en un video de Lecciones aprendidas hace un tiempo.

Me gustaría responder centrándome en el SR-71, ya que tengo un libro que brinda detalles sobre su diseño.

Ben Rich fue el líder del grupo de propulsión y termodinámica del SR-71, y el sucesor de Kelly Johnson como jefe de Skunkworks para programas posteriores. En el capítulo "Más rápido que una bala veloz" de sus memorias Skunkworks (pág. 203 en la primera edición de bolsillo, 1994), escribe:

... Ofrecí algunos consejos no solicitados sobre cómo podríamos usar un titanio más blando que comenzó a perder su fuerza a 550 grados. Mi idea era pintar el avión de negro. De mis días de universidad recordé que un buen absorbente de calor también era un buen emisor de calor y en realidad irradiaba más calor del que absorbería a través de la fricción. Calculé que la pintura negra bajaría la temperatura de las alas 35 grados por radiación. Pero Kelly [Johnson, director de Skunkworks y del entonces proyecto A12] resopló con impaciencia y sacudió la cabeza... Sin embargo, de la noche a la mañana aparentemente tuvo dudas... "Sobre la pintura negra", dijo, "tenías razón sobre las ventajas y me equivoqué". Me entregó una moneda de veinticinco centavos. Fue una victoria rara. Así que Kelly aprobó mi idea de pintar el avión de negro,

El capítulo continúa con más detalles sobre varias selecciones de materiales únicos:

  • líneas hidráulicas de acero inoxidable

  • Aletas eyectoras Hastelloy X

  • Cables de control Elgiloy

  • Líneas de plomería chapadas en oro

  • Tornillos y remaches de titanio

  • Caucho especial para las ruedas del tren de aterrizaje, que luego se inflaban con nitrógeno.

  • Combustible para aviones con un punto de inflamación más alto (JP-7)

Pág. 205:

El combustible actuó como un refrigerante interno. Todo el calor acumulado en el interior de la aeronave se transfirió al combustible mediante intercambiadores de calor. Diseñamos una válvula inteligente, una válvula especial que podía detectar cambios de temperatura, para suministrar solo el combustible más caliente a los motores y mantener el combustible más frío para enfriar el tren de aterrizaje retraído y la aviónica.

Pág. 207:

Diseñamos el aire acondicionado de la cabina para purgar el aire del compresor del motor y descargarlo a través de un enfriador de aire de combustible, luego a través de una turbina de expansión, hacia la cabina a una temperatura gélida de menos 40 grados F, lo que redujo la cabina a 200 grados, similar a un horno. cálido día de playa en el sur de California.

Así que supongo que hay tres principios de diseño genéricos incorporados aquí:

  • selección de materiales para soportar altas temperaturas
  • rechazo de la mayor cantidad de calor posible, aquí por radiación de la superficie de la aeronave y convección del escape del motor a través del combustible
  • secuestro de calor lejos de las áreas críticas, tanto como sea posible
También agregaría una nota sobre el uso de combustible y estructura como disipadores de calor. Antes de las técnicas ablativas, las ojivas atómicas y nucleares de los misiles tenían disipadores de calor de cobre.
Ya tengo una nota sobre el combustible que se utiliza como disipador de calor. Si tiene algo sobre la estructura que se usa como almacenamiento de calor, siéntase libre de agregar su propia respuesta (a esta pregunta anterior, acabo de notar un error tipográfico en mi respuesta y la cambié). Me sorprendería que la estructura se use como fregadero, ya que parece que eso es de lo que trataría de extraer el calor para reducir las tensiones térmicas.
Lo siento, fui demasiado conciso. Los "tres principios de diseño genéricos" deberían ser "cuatro principios de diseño genéricos" y mencionar específicamente los sumideros. Es posible inferir el calor de hundimiento (y exportación) del segundo elemento, "rechazo de la mayor cantidad de calor posible". Pero decirlo claramente parece más simple y está ampliamente respaldado en el texto anterior. Sí, en 2016 es sorprendente tener una estructura pensada como un disipador de calor, pero los pesados ​​trozos de cobre formaban parte del diseño inicial del vehículo de reingreso. Por eso deben mencionarse.
Mmm. Sin embargo, hundirse es solo una parte del proceso. Hundes el calor al combustible porque estás a punto de tirarlo por la borda. De ahí la válvula inteligente de combustible más caliente. El rechazo abarca tanto la radiación como la convección... tal vez lo amplíe. No voy a entrar en los pesados ​​bultos estructurales de cobre. Limité el alcance de mi respuesta a los SR-71 porque es una pregunta sobre aviones de vuelo rápido y tenía un buen recurso de SR-71. No sé nada sobre el uso de la estructura como disipador de calor en aviones de vuelo rápido.

Hay varias formas de evitar el sobrecalentamiento.

  • El método más simple es usar un material de alta temperatura, como titanio en SR-71 o aleación de acero en Mig-25; en Concorde, se utilizó una aleación de aluminio especial (AU2GN). En el caso de otras aeronaves, se utiliza acero o Ti en los puntos de estancamiento (como los bordes de ataque de las alas), mientras que las otras superficies expuestas están hechas de otros materiales.

  • En el SR-71, el combustible se utilizó como disipador de calor para disipar el calor generado en la estructura del avión.

  • En X-15, se utilizó un aislamiento ablativo para superar los problemas de calentamiento:

El avión estaba cubierto con un aislamiento ablativo diseñado para permitir vuelos a Mach 7,4. Se pulverizó un ablator elastomérico de silicona en un espesor variable apropiado para las cargas de calor locales. Los bordes de ataque estaban protegidos por un material resistente a la erosión relacionado aplicado en secciones preformadas

  • El diseño aerotermodinámico es importante para los aviones de alta velocidad. Por ejemplo, cuando la NASA probó un estatorreactor ficticio en X-15, la torre de montaje casi falla debido al calentamiento por interferencia, con tasas de calentamiento de vanguardia del orden de siete veces en comparación con las estimadas sin interferencia.

X-15

Falla del pilón debido al calentamiento por interferencia del estatorreactor ficticio , imagen de history.nasa.gov

  • Para ayudar a reflejar e irradiar la gran cantidad de calor producido durante el vuelo supersónico, el Concorde tenía una pintura blanca de alta reflectividad que era aproximadamente el doble de reflectante que la pintura blanca de otros aviones.
¿Cómo evitan el sobrecalentamiento los aviones que vuelan rápido?
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