Какова типичная температура корпуса авиалайнера во время полета?

На температуру кожи самолета в полете влияют два основных фактора: температура воздуха и скорость самолета.

Температура воздуха, в которой летают авиалайнеры, относительно низкая, около -54 ° C на высоте 35 000 футов .

Когда тело, подобное летательному аппарату, движется в воздухе, оно сжимает воздух, что вызывает повышение температуры воздуха. Максимальное повышение температуры будет, если воздух полностью остановится, например, на передней кромке. Это называется общей температурой воздуха , а величина, на которую повышается температура, называется атмосферным повышением.

Используя простую формулу , чтобы найти подъем поршня:

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

… куда$RR$в Кельвинах, а$V$- истинная скорость полета в узлах.

Использование типичной крейсерской скорости авиалайнера в 500 узлов дает температуру 33 градуса. Это доводит общую температуру воздуха до -22 ° C, что еще довольно холодно. В других местах, кроме передней кромки, повышение температуры будет меньше. Вот почему в грузовых отсеках потребуются обогреватели, чтобы быть безопасными для живых животных , даже если они изолированы и находятся под давлением. Авиалайнеры просто не летают достаточно быстро, чтобы производить значительное количество тепла.

С другой стороны, SR-71 мог летать со скоростью более 1910 узлов, что дает разгон до 482 °C. Воздух не становится намного холоднее, когда вы поднимаетесь на высоты, где летал SR-71, поэтому общая температура воздуха составляет более 400 ° C. Скорость имеет огромное значение.

Местная температура воздуха

В быстроходных самолетах максимальный нагрев приходится на точку торможения. Здесь кинетическая энергия потока полностью преобразуется в давление, которое нагревает воздух и, следовательно, конструкцию. Из-за низкой местной скорости и высокого давления в точке торможения и вблизи нее скорость теплопередачи также высока, что увеличивает тепловую нагрузку.

Формула для температуры критической точки$T_s$идеального газа при температуре$T_{\infty}$удар по объекту с числом Маха Ma

$$T_s = T_{\infty} + T_{\infty}\cdot\frac{(\kappa-1)\cdot Ma^2}{2}$$ Для воздуха отношение удельных теплоемкостей $\kappa$составляет 1,4. В носовой части фюзеляжа авиалайнера, летящего со скоростью 0,85 Маха, температура воздуха повысится на 14,45%. Если воздух на высоте имеет температуру 220°К (-53,15°С), то температура воздуха в критической точке будет 251,8°К (-21,36°С).

Но после точки торможения воздух ускорится и станет быстрее, чем скорость полета. Теперь давление и, следовательно, температура должны упасть в достаточной степени, чтобы поток оставался прикрепленным и повторял изгиб носовой части фюзеляжа. Это ускорение будет охлаждать воздух, поэтому поток прямо над ветровым стеклом будет холоднее окружающего воздуха.

Вдоль цилиндрической части фюзеляжа снова находим грубую скорость полета, но теперь трение изменит температуру вблизи стенки. Опять преобразуется кинетическая энергия, но нагрев происходит за счет трения. См. графики пограничного слоя ниже:

Фрикционный и тепловой пограничный слой ( источник изображения )

Температура, близкая к стенке, теперь называется температурой восстановления и отличается от температуры критической точки, поскольку существует небольшая составляющая скорости, нормальная к поверхности, которая уносит часть тепла. Температура воздуха зависит от соотношения между вязкой диффузией и термодиффузией, которое выражается числом Прандтля Pr . При Pr>1 температура воздуха у стенки выше температуры торможения, а при Pr<1 – холоднее. Число Прандтля воздуха равно 0,72, поэтому воздух, окружающий фюзеляж, немного холоднее температуры торможения.

Температура фюзеляжа

Температура фюзеляжа определяется равновесием между теплопроводностью , излучением и конвекцией .

• Проводимость: здесь важно, насколько внутренняя температура фюзеляжа может нагревать кожу. Температура в салоне, вероятно, около 20°C, поэтому можно ожидать некоторого нагрева. Однако, поскольку большинство авиалайнеров имеют изоляционные маты между внешней обшивкой и внутренними стеновыми панелями, проводимость изнутри не является доминирующей и, вероятно, повысит температуру обшивки на несколько градусов или меньше. Низкая теплопроводность воздуха ( 0,0204 Вт на м² и Кельвин ) означает, что нагрев изнутри преобладает над теплопроводностью.

• Излучение: поскольку верхняя часть фюзеляжа направлена ​​в космос, его радиационный баланс в дальней зоне отрицателен ночью и там, где он направлен в сторону от солнца, поэтому излучение охлаждает его. Однако нижняя часть фюзеляжа обращена либо к земле, либо к облакам внизу, которые, вероятно, горячее окружающего воздуха. Радиация не сильно его охладит и скорее нагреет. Часть фюзеляжа, находящаяся под прямыми солнечными лучами, снова будет значительно горячее, в зависимости от ее цвета.

• Конвекция: это доминирующий фактор из-за высокой скорости воздуха вокруг фюзеляжа. Здесь воздух и фюзеляж обмениваются теплом за счет излучения ближнего поля, а поскольку слой воздуха пополняется быстро и непрерывно, температура воздуха воздействует на фюзеляж.

Я не стал подсчитывать конечный результат, а попытался перечислить основные вкладчики и их величину. В общем, температура фюзеляжа немного ниже температуры застоя, и темный фюзеляж при ярком солнечном свете или фюзеляж с небольшой изоляцией и горячим салоном будет на несколько градусов горячее температуры застоя.