¿Cuál es la temperatura típica del casco de un avión durante el vuelo?

Hay dos factores principales que afectan la temperatura superficial de una aeronave en vuelo: la temperatura del aire y la velocidad de la aeronave.

La temperatura del aire donde navegan los aviones es relativamente fría, alrededor de -54 °C a 35 000 pies .

A medida que un cuerpo como un avión se mueve a través del aire, comprime el aire, lo que hace que aumente la temperatura del aire. El aumento máximo de temperatura será si el aire se detiene por completo, como en un borde de ataque. Esto se llama la temperatura total del aire , y la cantidad que aumenta la temperatura se llama aumento del ariete.

Usando una fórmula simple para encontrar la elevación del ariete:

$$RR = \frac{V^2}{87^2}$$

… dónde$RR$está en Kelvin, y$V$es la verdadera velocidad aerodinámica en nudos.

Usando una velocidad de crucero típica de un avión de pasajeros de 500 nudos, se obtiene una temperatura de 33 grados. Esto eleva la temperatura total del aire a -22 °C, que todavía es bastante frío. En lugares que no sean el borde de ataque, el aumento de temperatura será menor. Es por esto que las bodegas de carga necesitarán calentadores para ser seguras para los animales vivos , incluso estando aisladas y presurizadas. Los aviones de pasajeros simplemente no vuelan lo suficientemente rápido como para producir una cantidad significativa de calor.

Por otro lado, el SR-71 podría volar a más de 1.910 kts, lo que le da una subida de ram de 482 °C. El aire no se vuelve mucho más frío a medida que asciendes a las altitudes donde voló el SR-71, por lo que esto da una temperatura total del aire de más de 400 °C. La velocidad hace una gran diferencia.

Temperatura del aire local

En aviones rápidos, el calentamiento máximo se encuentra en el punto de estancamiento. Aquí la energía cinética del flujo se convierte completamente en presión, que calienta el aire y, en consecuencia, la estructura. Debido a la baja velocidad local y la alta presión en y cerca del punto de estancamiento, la tasa de transferencia de calor también es alta, lo que se suma a la carga de calor.

La fórmula para la temperatura del punto de estancamiento.$T_s$de un gas ideal de temperatura$T_{\infty}$golpear un objeto con el número de Mach Ma es

$$T_s = T_{\infty} + T_{\infty}\cdot\frac{(\kappa-1)\cdot Ma^2}{2}$$ Para el aire la relación de calores específicos $\kappa$es 1.4. La punta del morro del fuselaje de un avión que vuela a Mach 0,85 verá que la temperatura del aire aumenta un 14,45 %. Si el aire en altitud tiene una temperatura de 220°K (-53,15°C), la temperatura del aire en el punto de estancamiento será de 251,8°K (-21,36°C).

Pero más allá del punto de estancamiento, el aire se acelerará y se volverá más rápido que la velocidad de vuelo. Ahora, la presión y, en consecuencia, la temperatura deben descender lo suficiente como para que el flujo permanezca adherido y siga la curvatura del fuselaje delantero. Esta aceleración enfriará el aire, por lo que el flujo justo encima del parabrisas será más frío que el aire ambiente.

A lo largo de la porción cilíndrica del fuselaje, encontramos de nuevo aproximadamente la velocidad de vuelo, pero ahora la fricción cambiará la temperatura cerca de la pared. Nuevamente se convierte la energía cinética, pero el calentamiento es causado por la fricción. Vea los gráficos de la capa límite a continuación:

Capa límite friccional y térmica ( fuente de la imagen )

La temperatura cerca de la pared ahora se llama temperatura de recuperación y es diferente de la temperatura del punto de estancamiento porque hay un pequeño componente de velocidad normal a la superficie que se lleva parte del calor. La temperatura del aire depende de la relación entre la difusión viscosa y la difusión térmica, que se expresa mediante el número de Prandtl Pr . Si Pr>1, la temperatura del aire en la pared es mayor que la temperatura de estancamiento y para Pr<1, es más frío. El número de Prandtl del aire es 0,72, por lo que el aire que rodea el fuselaje es ligeramente más frío que la temperatura de estancamiento.

Temperatura del fuselaje

La temperatura del fuselaje está determinada por el equilibrio entre la conductividad térmica , la radiación y la convección .

• Conductividad: Aquí es importante cuánto la temperatura interna del fuselaje puede calentar la piel. Es probable que la temperatura de la cabina sea de alrededor de 20°C, por lo que se puede esperar algo de calentamiento. Sin embargo, dado que la mayoría de los aviones tienen tapetes aislantes entre el revestimiento exterior y los paneles de las paredes internas, la conductividad desde el interior no es dominante y probablemente aumentará la temperatura del revestimiento unos pocos grados o menos. La baja conductividad térmica del aire ( 0,0204 W por m² y Kelvin ) significa que el calentamiento del interior domina la conductividad.

• Radiación: dado que la parte superior del fuselaje apunta hacia el espacio, su presupuesto de radiación de campo lejano es negativo por la noche y donde apunta en dirección opuesta al sol, por lo que la radiación lo enfriará. Sin embargo, la parte inferior del fuselaje está orientada hacia el suelo o hacia las nubes, que probablemente estén más calientes que el aire ambiente. La radiación no lo enfriará mucho y es más probable que lo caliente. La parte del fuselaje expuesta a la luz directa del sol volverá a estar significativamente más caliente, dependiendo de su color.

• Convección: Este es el factor dominante debido a la alta velocidad del aire alrededor del fuselaje. Aquí, el aire y el fuselaje intercambian calor por radiación de campo cercano y, dado que la capa de aire se repone rápida y continuamente, la temperatura del aire se imprime en el fuselaje.

No me tomé la molestia de calcular el resultado final, pero traté de enumerar los principales contribuyentes y su magnitud. En general, la temperatura del fuselaje está ligeramente por debajo de la temperatura de estancamiento, y un fuselaje oscuro a plena luz del sol o uno con poco aislamiento y un interior caliente estará varios grados por encima de la temperatura de estancamiento.