التسخين الديناميكي الهوائي

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

التسخين الديناميكي الهوائي هو تسخين الجسم الصلب الناتج عن مروره بسرعة عالية عبر الهواء. في العلوم والهندسة، يُعد فهم التسخين الديناميكي الهوائي ضروريًا للتنبؤ بسلوك النيازك التي تدخل الغلاف الجوي للأرض، ولضمان سلامة المركبات الفضائية أثناء دخولها الغلاف الجوي ، ولتصميم الطائرات والصواريخ عالية السرعة.

في الطائرات والصواريخ عالية السرعة، يُعرف التسخين الديناميكي الهوائي بتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية نتيجة حركتها النسبية في الهواء الساكن، وانتقالها لاحقًا عبر الغلاف الخارجي إلى هيكل المركبة وداخلها. يتولد جزء من الحرارة نتيجة انضغاط المائع عند نقاط الركود أو بالقرب منها، مثل مقدمة المركبة والحواف الأمامية للأجنحة. كما تتولد حرارة إضافية من احتكاك الهواء على طول الغلاف الخارجي داخل الطبقة الحدية. [ 1 ] يوضح فان دريست هاتين المنطقتين من تسخين الغلاف الخارجي. [ 2 ] يُعرف تسخين الطبقة الحدية للغلاف الخارجي بالتسخين الحركي. [ 3 ]

تأثير تسخين سطح الطائرة على تصميم جناح الطائرة

درجات حرارة سطح طائرة الكونكورد الناتجة عن سكون الهواء، من درجة حرارة محيطة تبلغ -57 درجة مئوية، عند مقدمة الطائرة والحواف الأمامية للجناح، ومن درجة الحرارة الناتجة عن الاحتكاك في الطبقة الحدية باتجاه الخلف. [ 4 ]

يجب تضمين تأثيرات التسخين الديناميكي الهوائي على درجة حرارة الغلاف الخارجي، وانتقال الحرارة اللاحق إلى الهيكل، والمقصورة، وحجرات المعدات، والأنظمة الكهربائية والهيدروليكية وأنظمة الوقود، في تصميم الطائرات والصواريخ الأسرع من الصوت والأسرع من الصوت.

يُعدّ التسخين الديناميكي الهوائي أحد أهمّ التحديات التي تواجه تصميم الجناح. ففي السرعات دون الصوتية، يتمثل الهدفان الرئيسيان لتصميم الجناح في تقليل الوزن إلى أدنى حدّ وزيادة المتانة إلى أقصى حدّ. أما التسخين الديناميكي الهوائي، الذي يحدث عند السرعات فوق الصوتية وفوق الصوتية جدًا، فيُضيف بُعدًا آخر إلى تحليل بنية الجناح. تتكوّن بنية الجناح المثالية من عوارض طولية ، وشرائح طولية ، وأجزاء من الغلاف الخارجي . في الجناح الذي يتعرّض عادةً لسرعات دون صوتية، يجب أن يكون هناك عدد كافٍ من الشرائح الطولية لتحمّل الإجهادات المحورية والانحنائية الناتجة عن قوة الرفع المؤثرة على الجناح. إضافةً إلى ذلك، يجب أن تكون المسافة بين الشرائح الطولية صغيرة بما يكفي لمنع انبعاج ألواح الغلاف الخارجي، وأن تكون الألواح سميكة بما يكفي لتحمّل إجهاد القصّ وتدفق القصّ الموجودين فيها نتيجةً لقوة الرفع المؤثرة على الجناح. مع ذلك، يجب أن يكون وزن الجناح في أدنى حدّ ممكن، لذا يُعدّ اختيار مادة الشرائح الطولية والغلاف الخارجي عاملًا بالغ الأهمية.

عند السرعات فوق الصوتية، يُضيف التسخين الديناميكي الهوائي عنصرًا آخر إلى هذا التحليل الإنشائي. عند السرعات العادية، تتعرض العوارض والأضلاع لحملٍ يعتمد على قوة الرفع، وعزمَي القصور الذاتي الأول والثاني ، وطول العارضة. مع ازدياد عدد العوارض والأضلاع، يقل الحمل على كل عنصر، ويمكن تقليل مساحة الضلع لتلبية متطلبات الإجهاد الحرج. مع ذلك، فإن ارتفاع درجة الحرارة الناتج عن الطاقة المتدفقة من الهواء (المسخن بفعل الاحتكاك السطحي عند هذه السرعات العالية) يُضيف عامل حمل آخر، يُسمى الحمل الحراري، إلى العوارض. يزيد هذا الحمل الحراري من القوة التي تتعرض لها الأضلاع، وبالتالي يجب زيادة مساحة الأضلاع لتلبية متطلبات الإجهاد الحرج.

من المشكلات الأخرى التي يسببها التسخين الديناميكي الهوائي في تصميم الطائرات تأثير درجات الحرارة المرتفعة على خصائص المواد الشائعة. فالمواد الشائعة الاستخدام في تصميم أجنحة الطائرات، كالألومنيوم والفولاذ، تفقد جزءًا من قوتها مع ارتفاع درجات الحرارة. وينخفض ​​معامل يونغ للمادة، وهو النسبة بين الإجهاد والانفعال الذي تتعرض له، مع ارتفاع درجة الحرارة. يُعدّ معامل يونغ عاملاً حاسمًا في اختيار مواد الجناح، إذ تُمكّن قيمته العالية المادة من مقاومة إجهاد الخضوع وإجهاد القص الناتج عن أحمال الرفع والأحمال الحرارية. وذلك لأن معامل يونغ عامل مهم في معادلات حساب حمل الانبعاج الحرج للعناصر المحورية وإجهاد القص الحرج للانبعاج لألواح الغلاف. إذا انخفض معامل يونغ للمادة عند درجات الحرارة المرتفعة الناتجة عن التسخين الديناميكي الهوائي، فسيتطلب تصميم الجناح دعامات أكبر وأجزاء غلاف أكثر سمكًا لتعويض هذا الانخفاض في القوة عند تجاوز الطائرة سرعة الصوت. مع ذلك، توجد بعض المواد التي تحتفظ بقوتها عند درجات الحرارة المرتفعة التي يُحدثها التسخين الديناميكي الهوائي. على سبيل المثال، استُخدمت سبيكة إنكونيل X-750 في أجزاء من هيكل طائرة X-15 ، وهي طائرة أمريكية شمالية حلّقت بسرعات تفوق سرعة الصوت عام 1958. [ 5 ] [ 6 ] يُعدّ التيتانيوم مادة أخرى عالية القوة، حتى في درجات الحرارة المرتفعة، ويُستخدم غالبًا في هياكل أجنحة الطائرات الأسرع من الصوت. استخدمت طائرة SR-71 ألواحًا خارجية من التيتانيوم مطلية باللون الأسود لخفض درجة الحرارة [ 7 ] ومموجة لاستيعاب التمدد. [ 8 ] من المفاهيم التصميمية المهمة الأخرى لأجنحة الطائرات الأسرع من الصوت في بداياتها استخدام نسبة سُمك إلى وتر صغيرة ، بحيث لا تزيد سرعة التدفق فوق سطح الجناح كثيرًا عن سرعة التدفق الحر. ولأن التدفق أسرع من الصوت بالفعل، فإن زيادة السرعة أكثر من ذلك لن يكون مفيدًا لهيكل الجناح. يؤدي تقليل سُمك الجناح إلى تقريب الدعامات العلوية والسفلية من بعضها، مما يقلل من عزم القصور الذاتي الكلي للهيكل. يؤدي ذلك إلى زيادة الحمل المحوري على الدعامات الطولية، وبالتالي يجب زيادة مساحة ووزن هذه الدعامات. وقد استخدمت بعض تصاميم الصواريخ فرط الصوتية التبريد السائل للحواف الأمامية (عادةً الوقود في طريقه إلى المحرك). تطلّب الدرع الحراري لصاروخ سبرينت عدة تعديلات في التصميم لتحمل درجات حرارة تصل إلى 10 ماخ. [ 9 ]

مركبات العودة إلى الوطن

يكفي التسخين الناتج عن سرعات إعادة الدخول العالية جدًا (أكثر من 20 ماخ ) لتدمير المركبة ما لم تُستخدم تقنيات خاصة. صُممت كبسولات الفضاء المبكرة، مثل تلك المستخدمة في مركبات ميركوري وجيميني وأبولو ، بأشكال غير حادة لتوليد موجة صدمية أمامية بعيدة ، مما يسمح بتبديد معظم الحرارة في الهواء المحيط. إضافةً إلى ذلك، احتوت هذه المركبات على مادة قابلة للتبخر تتحول إلى غاز عند درجات حرارة عالية. تمتص عملية التسامي الطاقة الحرارية الناتجة عن التسخين الديناميكي الهوائي وتُؤدي إلى تآكل المادة بدلًا من تسخين الكبسولة. كان سطح الدرع الحراري لمركبة ميركوري الفضائية مطليًا بالألمنيوم مع ألياف زجاجية في طبقات متعددة. عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 1100 درجة مئوية (1400 كلفن) ، تتبخر الطبقات حاملةً معها الحرارة. تصبح المركبة الفضائية ساخنة، ولكن ليس بشكل ضار. [ 10 ] استخدم مكوك الفضاء بلاطات عازلة على سطحه السفلي لامتصاص الحرارة وإشعاعها مع منع توصيلها إلى هيكل الألمنيوم . ساهم تلف الدرع الحراري أثناء إطلاق مكوك الفضاء كولومبيا في تدميره عند عودته إلى الغلاف الجوي.  

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ https://apps.dtic.mil/sti/citations/AD0718560 ، "التسخين الديناميكي الهوائي"، ص 1
  2. ↑ مشكلة التسخين الديناميكي الهوائي، مجلة هندسة الطيران، أكتوبر 1956، الشكل 1: منطقة ساخنة تغطي الجسم بسرعة تفوق سرعة الصوت
  3. ↑ https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/3.43926?journalCode=ja ، "التطور الهيكلي لكونكورد"، ظروف درجة الحرارة الأساسية، ص 176
  4. ↑ تطور الطائرات التجارية، ويتفورد، رقم ISBN 978 1 86126 870 9، ص 175
  5. ^ كاسمان، فرديناند سي دبليو (1999). Die schnellsten Jets der Welt: Weltrekord-Flugzeuge [ أسرع الطائرات في العالم: الطائرات ذات الرقم القياسي العالمي ] (باللغة الألمانية). كولبينغرينج، ألمانيا: أفياتيك فيرلاغ. ص. 105. ردمك  3-925505-26-1.
  6. ↑ فايسهاار، د. تيري أ. (2011). هياكل الفضاء الجوي - مقدمة للمشاكل الأساسية . جامعة بيردو. ص 18. 
  7. ↑ ريتش، بن ر.؛ يانوس، ليو (1994). أعمال سكونك: مذكرات شخصية عن سنواتي في شركة لوكهيد . دار وارنر للنشر. ص 218. ISBN  0751515035.
  8. ↑ جونسون، كلارنس ل.؛ سميث، ماغي (1985). كيلي: أكثر من نصيبي من كل ذلك . واشنطن العاصمة: مطبعة مؤسسة سميثسونيان. ص 141. ISBN  0874744911.
  9. ↑ مختبرات بيل 1974، 9-17
  10. ↑ "كيف عمل مشروع ميركوري" . كيف تعمل الأشياء . 4 مايو 2001. تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 أكتوبر 2011 .

للمزيد من القراءة

  • مور، إف جي، طرق تقريبية لديناميكا الهواء للأسلحة، سلسلة التقدم في علم الفلك والطيران التابعة للمعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية، المجلد 186
  • تشابمان، أ. ج.، انتقال الحرارة، الطبعة الثالثة، شركة ماكميلان للنشر، 1974
  • قسم البحث والتطوير في مختبرات بيل، قسم أبحاث وتطوير ABM في مختبرات بيل، 1974. مجمع ستانلي ر. ميكلسن للحماية