ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 48
Скачиваний: 0
Г л а в а 1
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ КОНСТРУКЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Явление нагрева летательного аппарата
Летательные аппараты нагреваются в полете за счет внешних (главным образом) и внутренних источников теп ла. Внешними тепловыми источниками летательного аппа рата являются аэродинамический нагрев, солнечная и пла^ нетная радиация (в частности, радиация Земли и ее атмо сферы). К внутренним источникам нагрева аппарата отно сятся тепловые потери различных бортовых агрегатов при их работе, в том числе тепло от стенок двигателя и выхо дящих из него газов, от электронного и радиооборудова ния и т. п.
Аэродинамический нагрев является конвективным теп ловым процессом. Перенос же тепла от двигателей, обору дования, тепловой энергии Солнца и т. д. в основном про изводится лучеиспусканием. При этом тепло от выходящих. из двигателя газов, солнечная и планетная радиация воз действуют непосредственно на внешнюю обшивку самолета или ракеты. Тепло от стенок двигателя и различного обо рудования передается внутренней конструкции летатель ного аппарата.
Для сверхзвуковых летательных аппаратов наиболее значительным является аэродинамический нагрев, связан ный со спецификой обтекания тел. Известно, что обтекание тел жидкостью (газом) сопровождается торможением ее частиц в слоях, непосредственно прилегающих к поверхно сти. Этот процесс торможения частиц жидкости неизбежно связан с выделением тепла, нагревающего поверхность ле
10
тательного аппарата. При этом процесс теплообмена, по существу, идет здесь .в пограничном слое, где в полной ме
ре проявляется основное свойство реальной |
жидкости |
(га |
з а ) — вязкость. Пограничный слой воздуха, |
или слой |
тре |
ния, представляет собой тонкий слой у поверхности обте каемого тела, в котором скорость обтекания возрастает от нуля на поверхности тела до значения скорости во внеш нем потоке, где можносчитать, что воздух течет без тре ния. Толщина пограничного слоя изменяется практически от нуля у носовой части обтекаемого тела до нескольких сантиметров в районе хвостовой части!
Однако торможение воздуха, а соответственно этому и выделение тепла наблюдаются не только в пограничном слое. Так, температура газа изменяется при сжатии, кото рое происходит, например, при образовании скачков уплот нения.
Скачок уплотнения представляет собой внезапное уве личение давления, а также скачкообразное изменение плот ности воздуха и других термодинамических величин на по верхности, расположенной нормально или под углом к на правлению потока. Если сверхзвуковой поток, обтекая остроносое тело, изменяет свое первоначальное направле ние, взаимодействуя с соседними слоями воздушного пото ка, то возникает косой скачок уплотнения. При обтекании сверхзвуковым потоком тупоносого тела непосредственно перед его носовой частью возникает прямой скачок уплот нения. Скачков уплотнения может быть целая система.
Проходя через один или несколько скачков уплотнения, воздух тормозится, при этом часть механической энергии необратимо переходит в так называемую внутреннюю (тепловую) энергию воздуха с последующим рассеянием тепла в окружающее пространство.
Выделение теплоты при изменении давления наблю дается и в точках полного торможения. Такие точки нахо дятся в передней части летящего аппарата.
Значение температуры в функции скорости, например, для прямого скачка уплотнения определяется по выраже нию
т |
— т |
1т k — |
2 |
||
1екач |
* |
|
11
Из формульи следует, что при числе М невозмущенного потока, равном 2, температура за прямым скачком уплот
нения |
увеличивается примерно в 1,5 раза; при М = 3 — в |
3 раза; |
при М = 4 — в 4,5 раза. |
Необходимо отметить, что нагрев летательного аппара та при течении воздуха со сжатием происходит лишь в оп ределенных местах. Вся обтекаемая потоком поверхность летательного аппарата нагревается вследствие превраще ния части механической энергии потока воздуха в тепло вую за счет трения его частиц о поверхность в пограничHOiM слое.
Торможение газа в пограничном слое не сопряжено со сжатием, т. е. с повышением давления и плотности. Напро тив, у поверхности обтекаемого тела в результате нагрева плотность воздуха даже уменьшается.
Температура при установившемся теплообмене
Тепло, выделяющееся в пограничном слое возле обшив ки, частично передается в его верхние области, где скоро сти течения воздуха не равны нулю и нет полного тормо жения. Вследствие этого температура поверхности обтекае мого тела не достигает величины, определяемой указанной выше формулой температуры тор!можения.
Поэтому температура адиабатического торможения при расчетах не может быть принята за определяющую, вместо нее берется адиабатическая температура стенки, называе мая иначе температурой при нулевой теплопередаче или температурой восстановления. Последняя соответствует равновесной температуре, т. е. той температуре, которая была бы на идеально изолированной поверхности при от сутствии теплообмена путем излучения. Эта температура определяется по формуле
Гал = г (1 + г ^ М 2),
где г — коэффициент восстановления температуры!.
За коэффициент восстановления принимают отношение действительного повышения температуры в пограничном слое у стенки к адиабатическому;
УТ'а.д — т
Тторм — Т
Для ламинарного' течения в пограничном слое г = 0,85, для турбулентного — 0,88—0,89.
12
Разница в значениях |
коэффициента восстановления |
|
температуры при турбулентном и ламинарном |
обтекании |
|
тел при отсутствии теплоизлучения определит |
отличие в |
|
конечных температурах поверхности. Так, при |
М = 2 это |
|
отличие составит примерно |
2,5%, при М = 5 — 4,7%, ври |
М = 10 — 5,6%.
Однако точное определение температуры! летательного аппарата ведется на основе теплового баланса, т. е. учета всех приходящих, уходящих и остающихся количеств тепла.
В процессе нагрева поверхности летательных аппаратов участвуют различные виды тепловых потоков. Основной из них — аэродинамический нагрев летательного аппарата — представляет собой процесс вынужденной тепловой кон векции.
Как известно, тепловой поток конвекции определяется законом Ньютона
|
Яков. == ^ ( Г ор Г те!1), |
где h |
— коэффициент теплоотдачи; |
Гор |
— температура среды; |
Гтел — температура тела.
В случае аэродинамического нагрева .под температурой
среды понимают температуру восстановления |
(Гад). Тогда |
||
Яков== h (Г а д |
■Г 0бш), |
|
|
где Г0бш = Т.тел — температура |
поверхности обшивки |
ле |
|
тательного |
аппарата. |
|
|
Коэффициент теплоотдачи h с помощью критерия Рей |
|||
нольдса Re1 связан с коэффициентом трения |
обшивки |
и |
является сложной функцией ряда параметров: окружаю щей атмосферы!, скорости полета летательного аппарата и температуры поверхности.
Помимо теплоотдачи путем вынужденной конвекции, в общем тепловом балансе поверхности летательного аппа рата заметное место занимает теплоизлучение.
1 Критерий подобия Re характеризует отношение сил инерции и сил вязкости в потоке, газа:
VoI
Re = — ,
P
где I — расстояние, измеренное вдоль контура продольного сечения тела от точки начала пограничного слоя;
р — коэффициент внутреннего трения, или коэффициент вязкости.
13
Нагретая обшивка летательного аппарата излучает тепло в окружающее пространство и к различным элемен там конструкции и ,в свою очередь воспринимает теплоиз лучение Солнца, звезд и внутренних элементов кон струкции.
Тепловой поток излучения определяется по закону Сте фана — Больцмана:
где д'изл — тепловой поток излучения; е — коэффициент излучения, или степень черноты
'тела.
Этот |
вид |
теплообмена |
особенно |
значителен |
при |
высо |
||||||
кой температуре обшивки и |
малом |
коэффициенте |
тепло |
|||||||||
|
|
|
отдачи, т. е. при полетах с боль |
|||||||||
|
|
|
шой скоростью и на значительной |
|||||||||
|
|
|
высоте. На рис. 3 показано вли |
|||||||||
|
|
|
яние |
этого |
вида |
теплообмена |
||||||
|
|
|
на установившуюся |
температуру |
||||||||
|
|
|
поверхности |
летательного |
аппа |
|||||||
|
|
|
рата при его нагреве. Так, |
при |
||||||||
|
|
|
числе М = 6 температура обшив |
|||||||||
|
|
|
ки с учетом теплообмена излуче |
|||||||||
|
|
|
нием |
(в = |
0,5) |
составляет |
вели |
|||||
|
|
|
чину, в два раза меньшую, чем |
|||||||||
|
|
|
при |
отсутствии |
теплоизлучения. |
|||||||
|
|
|
Получение |
|
тепла |
обшивкой |
||||||
|
|
|
вследствие |
солнечной |
радиации, |
|||||||
|
|
|
а также излучения |
Земли |
и |
ее |
||||||
|
|
|
атмосферы, различных звезд воз |
|||||||||
|
|
|
можно |
лишь |
|
в |
определенных |
|||||
|
|
|
условиях и зависит от времени |
|||||||||
Рис. 3. Влияние излучения |
суток, |
наличия |
облачности |
и вы |
||||||||
тепла с |
поверхности на |
соты полета. О значении этих ве |
||||||||||
установившуюся |
темпера |
личин будет сказано ниже. |
|
|
||||||||
туру |
конструкции |
К источникам внезапного теп |
||||||||||
|
|
|
лоизлучения, |
могущим |
оказать |
влияние на величину температуры конструкции летатель ного аппарата, относится также тепловая радиация при атомных взрывах.
Указанные тепловые потоки в дальнейшем будем назы вать просто тепловыми потоками от внешних сосредоточен ных источников нагрева (<?Внеш).
14
И, наконец, на конструкцию летательного аппарата бу дет действовать тепловой поток от бортовых нагретых аг регатов, главным образом от силовой установки и элек тронного оборудования (<7борт)-
Совокупность перечисленный тепловых потоков в каж дом конкретном случае и составляет тепловой баланс кон струкции. Величина аккумулируемого тепла зависит от
О |
1 |
V / / |
/ ____I |
4М |
1 |
2 |
3 |
б
Рис. 4. Графическое определение температуры установившегося теплообмена (а) и значения установившихся температур на различных высо тах и скоростях полета (б)
15
х
теплоемкости конструкции и скорости изменения темпера туры.
В процессе нагревания наибольшая температура об шивки Гобш получается в конце нагрева, когда устанавли вается тепловое равновесие. В этом случае прогрев лета тельного аппарата завершен — конвективная теплопере дача сбалансирована теплоизлучением, т. е.
h { T &A — Т о6ш) -f- (/внеш + ^7борт — |
4 ,9 6 s | |
j = |
0. |
|
||||
Значение температуры обшивки лучше всего опреде |
||||||||
лять графическим способом (рис. 4, а). |
|
|
|
|
||||
В условиях установившегося теплообмена. при |
е = 1 |
и |
||||||
cjборт = 0 температура |
летательного |
аппарата |
(рис. |
4, |
б) |
|||
на высоте |
15 км и |
скорости, |
соответствующей |
|
числу |
|||
М = 2,4, будет примерно 150° С; |
на |
высоте полета 30 |
км и |
|||||
скорости, |
соответствующей М = 3, |
—260° С; |
на |
высоте |
||||
60 км и скорости, соответствующей М = 7,5, —400° С. |
|
Влияние температуры невозмущенной атмосферы на нагрев летательного аппарата
Величина аэродинамического нагрева в значительной степени зависит от состояния невозмущенной атмосферы. В частности, на величину температуры конструкции лета тельного аппарата оказывает сильное влияние темпера тура наружного воздуха невозмущенной атмосферы. Это отчетливо видно', например, из вышеприведенных формул температуры торможения и температуры за прямым скач ком уплотнения.
Обычно при проектировании самолетов и ракет для. определения основных условий полета на заданной высоте пользуются значениями стандартной атмосферы!.
Согласно стандартной атмосфере известно, что в тропо сфере (так называют нижние слои атмосферы) для сред них широт температура падает примерно на 6° С с каждым увеличением высоты на 1 км. Переход в стратосферу с вы соты 11 км сопровождается изотермией (постоянством тем пературы). Существование постоянной температуры на этих высотах объясняется наличием лучистого равновесия, при котором тепловой баланс атмосферы создает верти кальную устойчивость воздуха, предохраняющую ее от кон векции и турбулентности большого масштаба. Изотермия
16