Como as aeronaves velozes evitam o superaquecimento?

Para evitar o superaquecimento, o truque comum é selecionar o material certo:

• O Concorde usou uma liga especial de alumínio, chamada Hiduminium , que tinha maior resistência a temperaturas elevadas e permitia ao Concorde fazer um cruzeiro a Mach 2.02. O alumínio derrete a 660 ° C.
• O MiG-25 usava aço inoxidável em vez de alumínio para possibilitar sua velocidade máxima de Mach 3.1 (velocidade máxima sem dano ao motor foi Mach 2.83). O titânio teria sido ainda melhor, mas era caro e difícil de se trabalhar naquela época. O aço inoxidável funde entre 1400 ° C e 1450 ° C.
• O XB-70 usado
• O SR-71 usado titânio para 85% da sua estrutura para permitir uma velocidade de cruzeiro de Mach 3,2.
• O X-15 foi construído a partir de Inconel -X, uma liga de níquel-cromo que possui excelente resistência a altas temperaturas (começa a derreter a 1393 ° C) e permitiu que subisse para Mach 6.5.
• O Ônibus Espacial usou um isolamento cerâmico no topo da estrutura de alumínio que mantinha o calor longe da estrutura durante a descida. Observe que o ônibus teve que ser conectado a um dissipador de calor para resfriar o sistemas de bordo após o pouso.

O próximo truque é voar mais alto, onde o ar é menos denso. A densidade mais baixa não reduz a temperatura do ar, mas reduz o fluxo de calor para que a célula se acomode a uma temperatura mais baixa. Lembre-se de que o calor eventual é a combinação de convecção, radiação e condutividade de calor. Voar alto permite especialmente que a superfície superior irradie calor livremente para o espaço negro acima.

A aeronave mais quente de todos os tempos foi o North American X-15 A-2. Para uma tentativa de recorde de velocidade, toda a aeronave foi coberta com tintas ablativas rosa , então o processo de sublimação levaria um pouco mais de calor. Para proteger a tinta do oxigênio líquido, um acabamento branco também foi aplicado.

X-15 A-2 logo após ser descartado da portadora do B-52 (picture source ). Observe o pequeno barril sob a aleta inferior: Este foi um ramjet que foi testado nesta ocasião.

Danos ao estabilizador ventral. O ramjet se separou prematuramente devido ao aquecimento por fricção (foto source )

Um terceiro truque é voar rápido apenas por um curto período de tempo. Um míssil ar a ar que busca calor irá facilmente atingir Mach 3, mas apenas por menos de um minuto. Para manter o sensor resfriado, um gás pressurizado (argônio ou nitrogênio) seria expandido (o AIM-9X usa até mesmo um stirling cryo-cooler ). Ao aquecer a estrutura ou usar um dissipador de calor interno, a carga de calor limitada pode ser tolerada, embora apenas por um tempo muito limitado.

Existem várias maneiras de evitar o superaquecimento.

• O método mais simples é usar um material de alta temperatura como o Titanium no SR-71 ou uma liga de aço no Mig-25; em Concorde, foi utilizada uma liga de alumínio especial (AU2GN). No caso de outras aeronaves, aço ou Ti é usado em pontos de estagnação (como bordas de ataque das asas), enquanto as outras superfícies expostas são feitas de outros materiais.

• No SR-71, o combustível foi usado como dissipador de calor para dissipar o calor gerado na fuselagem.

• Em X-15, um isolamento ablativo foi usado para superar problemas de aquecimento:

The airplane was covered with ablative insulation designed to permit flights to Mach 7.4. A silicone elastomeric ablator was sprayed on in variable thickness appropriate to the local heat loads. Leading edges were protected by a related erosion-resistant material applied in preformed sections

• O projeto aerotermodinâmico é importante para aeronaves de alta velocidade. Por exemplo, quando a NASA testou um ramjet dummy em X-15, o poste de montagem quase falhou devido ao aquecimento por interferência, com taxas de aquecimento de ponta da ordem de sete vezes em comparação com aquelas sem interferência sendo estimadas.

Falha de pilão devido ao aquecimento por interferência do ramjet dummy , imagem do history.nasa.gov

• Para ajudar a refletir e irradiar a alta quantidade de calor produzido durante o vôo supersônico, o Concorde tinha uma tinta branca de alta refletividade que era duas vezes mais reflexiva que a tinta branca em outros jatos.

Eu gostaria de responder com foco no SR-71, já que tenho um livro que dá detalhes sobre o design.

Ben Rich era o líder do grupo de propulsão e termodinâmica para o SR-71 e o sucessor de Kelly Johnson como chefe do Skunkworks para programas posteriores. No capítulo "Mais rápido que uma bala apressada" de seu livro de memórias Skunkworks (pg 203 na primeira edição de bolso, 1994), ele escreve:

... I volunteered some unsolicited advice about how we could use a softer titanium that began to lose its strength at 550 degrees. My idea was to paint the airplane black. From my college days I remembered that a good heat absorber was also a good heat emitter and would actually radiate away more heat than it would absorb through friction. I calculated that black paint would lower the wing temperatures 35 degrees by radiation. But Kelly [Johnson, head of Skunkworks and the then-A12 project] snorted impatiently and shook his head... Overnight, however, he apparently had second thoughts..."On the black paint," he said, "you were right about the advantages and I was wrong." He handed me a quarter. It was a rare win. So Kelly approved my idea of painting the airplane black, and by the time our first prototype rolled out the airplane became known as the Blackbird.

O capítulo prossegue com mais detalhes sobre várias seleções de materiais exclusivas:

• linhas hidráulicas de aço inoxidável

• Retalhos de ejetor Hastelloy X

• Cabos de controle Elgiloy

• Linhas de canalização banhadas a ouro

• Parafusos e rebites de titânio

• Borracha especial para as rodas do trem de pouso, que foram então infladas com nitrogênio

• Combustível para jato com um ponto de inflamação mais alto (JP-7)

Página 205:

The fuel acted as an internal coolant. All the heat built up inside the aircraft was transferred to the fuel by heat exchangers. We designed a smart valve -- a special valve that could sense temperature changes -- to supply only the hottest fuel to the engines and keep the cooler fuel to cool the retracted landing gear and avionics.

Página 207:

We designed the cockpit air-conditioning to bleed air off the engine compressor and dump it through a fuel air cooler, then through an expansion turbine, into the cabin at a frigid minus 40 degrees F, which lowered the ovenlike 200-degree cockpit to a balmy Southern California beach day.

Então, eu acho que há três princípios genéricos de design aqui:

• seleção de materiais para resistir a altas temperaturas
• rejeição de tanto calor quanto possível - aqui por radiação da superfície da aeronave e convecção fora do escape do motor através do combustível
• sequestro de calor de áreas críticas, tanto quanto possível