Qual é a temperatura típica do casco de um avião durante o vôo?

Existem dois fatores principais que afetam a temperatura da pele de uma aeronave em vôo: a temperatura do ar e a velocidade da aeronave.

A temperatura do ar em que os aviões de cruzeiro cruzam é relativamente baixa, em torno de -54 ° C a 35.000 pés .

Como um corpo como um avião se move através do ar, ele comprime o ar, o que faz com que a temperatura do ar suba. O aumento máximo de temperatura ocorrerá se o ar estiver completamente parado, como em uma borda de ataque. Isso é chamado de temperatura total do ar , e a quantidade que a temperatura sobe é chamada de aumento de peso.

Usando uma fórmula simples para encontrar o aumento de peso:

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

… onde $ RR $ está em Kelvin, e $ V $ é a velocidade verdadeira em nós.

Usando uma velocidade de cruzeiro de 500 nós, a temperatura média é de 33 graus. Isso traz a temperatura total do ar para -22 ° C, que ainda está bastante fria. Em locais diferentes da borda principal, o aumento da temperatura será menor. É por isso que os porões de carga precisarão de aquecedores para serem seguros para animais vivos , mesmo sendo isolados e pressurizados. Aviões de passageiros não voam rápido o suficiente para produzir uma quantidade significativa de aquecimento.

Por outro lado, o SR-71 pode voar a mais de 1.910 kts, o que dá um aumento de 482 ° C. O ar não fica muito mais frio à medida que você sobe para as altitudes onde o SR-71 voou, então isso dá uma temperatura total de mais de 400 ° C. A velocidade faz uma enorme diferença.

Temperatura do ar local

Em aeronaves rápidas, o aquecimento máximo é no ponto de estagnação. Aqui a energia cinética do fluxo é completamente convertida em pressão, que aquece o ar e, consequentemente, a estrutura. Devido à baixa velocidade local e à alta pressão no ponto de estagnação e próximo dele, a taxa de transferência de calor também é alta, aumentando a carga de calor.

A fórmula para a temperatura do ponto de estagnação $ T_s $ de um gás ideal da temperatura $ T _ {\ infty} $ acertando um objeto com o número Mach Ma é $$ T_s = T _ {\ infty} + T _ {\ infty } \ cdot \ frac {(\ kappa-1) \ cdot Ma ^ 2} {2} $$ Para o ar, a proporção de calores específicos $ \ kappa $ é 1,4. A ponta do nariz da fuselagem de um avião voando a Mach 0,85 verá a temperatura do ar subir 14,45%. Se o ar em altitude tiver uma temperatura de 220 ° K (-53,15 ° C), a temperatura do ar no ponto de estagnação será de 251,8 ° K (-21,36 ° C).

Mas depois do ponto de estagnação, o ar vai acelerar e se tornar mais rápido que a velocidade de vôo. Agora, a pressão e, conseqüentemente, a temperatura precisam cair o suficiente para estimular o fluxo a permanecer fixo e seguir a curvatura da fuselagem dianteira. Essa aceleração irá resfriar o ar, então o fluxo logo acima do pára-brisa será mais frio do que o ar ambiente.

Ao longo da parte cilíndrica da fuselagem, encontramos novamente a velocidade de vôo, mas agora o atrito vai mudar a temperatura perto da parede. Novamente a energia cinética é convertida, mas o aquecimento é causado por atrito. Veja os gráficos da camada limite abaixo:

Camada limite friccional e térmica (foto fonte )

A temperatura próxima à parede agora é chamada temperatura de recuperação e é diferente da temperatura do ponto de estagnação porque existe uma componente de velocidade pequena normal à superfície que leva um pouco do calor. A temperatura do ar depende da razão entre a difusão viscosa e a difusão térmica, que é expressa pelo Prandtl number Pr . Se Pr > 1, a temperatura do ar na parede é superior à temperatura de estagnação e para Pr <1, é mais frio. O número de ar Prandtl é 0,72, então o ar ao redor da fuselagem é ligeiramente mais frio que a temperatura de estagnação.

Temperatura da fuselagem

A temperatura da fuselagem é determinada pelo equilíbrio entre a condutividade térmica, radiação e convecção .

• Condutividade: Aqui é importante o quanto a temperatura interna da fuselagem pode aquecer a pele. A temperatura da cabine é provavelmente em torno de 20 ° C, portanto, pode ser esperado algum aquecimento. No entanto, uma vez que a maioria dos aviões tem esteiras de isolamento entre a pele externa e os painéis internos da parede, a condutividade interna não é dominante e provavelmente aumentará a temperatura da pele em alguns graus ou menos. A baixa condutividade térmica do ar (0,0204 W por m² e Kelvin ) significa que o aquecimento do interior domina condutividade.

• Radiação: Como a parte superior da fuselagem está apontando para o espaço, seu orçamento de radiação de campo distante é negativo à noite e aponta para longe do sol, então a radiação irá resfriá-lo . A fuselagem inferior, no entanto, está voltada para o solo ou para as nuvens abaixo, que provavelmente são mais quentes do que o ar ambiente. A radiação não esfria muito e é mais provável que aqueça. A parte da fuselagem sob luz solar direta será significativamente mais quente novamente, dependendo de sua cor.

• Convecção: Esse é o fator dominante devido à alta velocidade de o ar ao redor da fuselagem. Aqui, o ar e a fuselagem trocam calor pela radiação de campo próximo e, como a camada de ar é reabastecida rápida e continuamente, a temperatura do ar é impressa na fuselagem.

Eu não fui ao esforço de calcular o resultado final, mas tentei listar os principais contribuintes e sua magnitude. Em geral, a temperatura da fuselagem está ligeiramente abaixo da temperatura de estagnação, e uma fuselagem escura sob luz solar intensa ou uma com pouco isolamento e um interior quente serão vários graus mais quentes que a temperatura de estagnação.