АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГРЕВ
нагрев
тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или др. газе. А. н.- результат
того, что налетающие на тело молекулы воздуха тормозятся вблизи тела. Если
полёт совершается со сверхзвуковой скоростью, торможение происходит прежде
всего в ударной волне, возникающей перед телом. Дальнейшее торможение молекул
воздуха происходит непосредственно у самой поверхности тела, в т. н. пограничном
слое. При торможении молекул воздуха их тепловая энергия возрастает, т.
е. темп-pa газа вблизи поверхности движущегося тела повышается. Макс. темп-pa,
до к-рой может нагреться газ в окрестности движущегося тела, близка к т.
н. темп-ре торможения:
где
-
темп-pa набегающего воздуха,
- скорость полёта
тела,
- удельная теплоёмкость газа при постоянном
давлении. Так, напр., при полёте сверхзвукового самолёта с утроенной скоростью
звука (ок. 1 км/сек) темп-pa торможения составляет ок. 400°С, а при входе
кос-мич. аппарата в атмосферу Земли с 1-й космич. скоростью (8,1 км/сек)
темп-ра торможения достигает 8000 °С. Если в первом случае при достаточно
длит. полёте темп-pa обшивки самолёта достигнет значений, близких к темп-ре
торможения, то во втором случае поверхность космического аппарата неминуемо
начнёт разрушаться из-за неспособности материалов выдерживать столь высокие
температуры.
Из областей газа с повышенной
темп-рой тепло передаётся движущемуся телу, происходит А. н. Существуют
две формы А. н.- конвективная и радиационная. К о н в е к т и в н ы й н
а г р е в - следствие передачи тепла из внешней, "горячей" части пограничного
слоя к поверхности тела. Количественно конвективный тепловой поток определяют
из соотношения где
- равновесная
темп-pa (предельная темп-pa, до к-рой могла бы нагреться поверхность тела,
если бы не было отвода энергии),
- реальная
темп-pa поверхности,
- коэфф. конвективного
теплообмена, зависящий от скорости и высоты полёта, формы и размеров тела,
а также от др. факторов. Равновесная темп-ра близка к темп-ре торможения.
Вид зависимости коэфф. а от перечисленных параметров определяется режимом
течения в пограничном слое (ламинарный или турбулентный). В случае турбулентного
те-чения конвективный нагрев становится интенсивнее. Это связано с тем
обстоятельством, что, помимо молекулярной теплопроводности, существенную
роль в переносе энергии начинают играть турбулентные пульсации скорости
в погра-ничном слое.
С повышением скорости полёта
темп-ра воздуха за ударной волной и в пограничном слое возрастает, в результате
чего происходит диссоциация и ионизация молекул. Образующиеся при этом
атомы, ионы и электроны диффундируют в более холодную область - к поверхности
тела. Там происходит обратная реакция (рекомбинация), идущая с выделением
тепла. Это даёт дополнит. вклад в конвективный А. н.
При достижении скорости полёта
порядка 5000 м[сек темп-pa за ударной волной достигает значений, при к-рых
газ начинает излучать. Вследствие лучистого переноса энергии из областей
с повышенной темп-рой к поверхности тела происходит радиационный нагрев.
При этом наибольшую роль играет излучение в видимой и ультрафиолетовой
областях спектра. При полёте в атмосфере Земли со скоростями ниже первой
космической (8,1 км/сек) радиационный нагрев мал по сравнению с конвективным.
При второй космич. скорости <(11,2 км/сек) их значения становятся
близкими, а при скоростях полёта 13-15 км/сек и выше, соответствующих возвращению
на Землю после полётов к др. планетам, осн. вклад вносит уже радиационный
нагрев. Частным случаем А. н. является нагрев тел, движущихся в верхних
слоях атмосферы, где режим обтекания является свободномолекулярным, т.
е. длина свободного пробега молекул воздуха соизмерима или даже превышает
размеры тела (подробнее см. Аэродинамика разреженных газов).
Особо важную роль А. н. играет
при возвращении в атмосферу Земли космических аппаратов (напр., "Восток",
"Восход", "Союз"). Для борьбы с А. н. космич. аппараты оснащаются спец.
системами теплозащиты.
Лит.: Основы теплопередачи
в авиационной и ракетной технике, М., 1960; Дорренс У. X., Гиперзвуковые
течения вязкого газа, пер. с англ., М., 1966; Зельдович Я. Б., Райзер Ю.
П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений,
2 изд., М., 1966.
Н. А. Анфимов.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я