¿Los agujeros de aire presurizados en aviones supersónicos mitigarían el problema del calor?

La idea de usar pequeños orificios de aire para enfriar una superficie no está completamente 'allá'. En los motores de turbina, los álabes de la turbina se enfrían soplando aire sangrado desde una etapa de compresor sobre los álabes.

^{Aquí, el enfriamiento con aire sangrado tiene sentido, porque el aire en la turbina está más caliente que el aire sangrado comprimido, debido a la energía adicional de la combustión del combustible.}

Sin embargo, no funcionaría para enfriarse por un choque supersónico. La razón de esto es la ley de los gases ideales. Específicamente, vamos a ver una compresión adiabática reversible . Es la compresión de un gas, sin intercambio de calor con el medio ambiente. Debido a la compresión adiabática, la temperatura aumenta de la siguiente manera:

con$µ$el coeficiente de Joule-Thompson, que para el aire tiene un valor positivo. El punto clave de esta ecuación es que la temperatura final solo depende del aumento de presión .

Un avión supersónico crea una onda de choque frente al avión. Esta onda de choque es un fuerte aumento de la presión, lo que resulta en un fuerte aumento de la temperatura. Este aumento de temperatura es lo que calienta el avión.

La película de aire 'protectora' en la que piensa debe tener una presión más alta que esta onda de choque; de ​​lo contrario, el aire entra en lugar de salir de los agujeros. Usando la ecuación anterior, esto significa que el aire que sale de los agujeros debe tener una temperatura más alta que la onda de choque. ¡Tu idea solo hace que tu avión esté más tostado!

La única solución es cambiar de una compresión adiabática a un ciclo termodinámico más complicado: muy probablemente, compresión adiabática en el motor de la aeronave, seguida de intercambio de calor isobárico (presión constante) con el medio ambiente. Los intercambiadores de calor, sin embargo, son estructuras pesadas y voluminosas, y se evitan tanto como sea posible. De hecho, los aviones de pasajeros primero comprimen el aire a una presión mucho mayor que la necesaria , para aumentar artificialmente la temperatura; todo en un esfuerzo por reducir el tamaño del intercambiador de calor.

Suponiendo que tiene un intercambiador de calor hecho de handwavium, podemos recurrir a sus superficies de control. Al aire exterior no le importa si golpean una superficie sólida o una película de aire: la onda de choque crea un diferencial de presión equivalente, que es lo que crea la fuerza en la superficie de control. De hecho, una onda de choque a menudo se sitúa un poco por delante de la superficie, porque hay algo de "aire atrapado" detrás de la onda de choque. Es posible que deba aumentar la presión de sus orificios de aire en el lado de presión de su superficie de control, por lo que el sistema debe incluir algunas válvulas de control.

El boom sónico sigue siendo exactamente el mismo. Un estampido sónico es simplemente 'el aire no podía apartarse lo suficientemente rápido'; no importa si necesita apartarse de un avión sólido o de una película de aire delgada.

No puedo imaginar por qué sus agujeros deberían ser de 50 mm, eso es enorme . Quieres que los agujeros sean lo más pequeños posible. De esta manera, puede colocarlos lo más juntos posible, de modo que cada parte de la piel del avión esté cerca de un orificio y protegida por una película de ese orificio. Piénselo así: ¿qué contribuye el centro de un agujero al enfriamiento de la piel vecina?

No estoy de acuerdo con que exista un "problema de calor".

El Concorde, un avión de pasajeros supersónico, enfrentó una temperatura máxima de 153°C (307°F), y eso es solo sobre una pequeña parte de la nariz. ( fuente )

Aunque parezca mucho, se trata de la temperatura adecuada para hornear muffins en una cocina; una pizza típica se hornea a 425°F. Nadie diría que mi cocina tiene un "problema de calor".

Incluso para aviones extremos como el SR-71, el calor es bastante fácil de manejar y no es realmente una preocupación que necesite un sistema completamente nuevo de orificios de ventilación, tubos, entradas, válvulas, sensores y controles para manejarlo.

Tienes una solución en busca de un problema. El problema no existe.