Technische encyclopedie

Winkler Prins (1975)

Gepubliceerd op 15-01-2025

AËRODYNAMISCHE VERHITTING

betekenis & definitie

(Fr.: échauffement aérodynamique; Du.: aerodynamische Aufheizung; Eng.: aerodynamic heating), de verhitting van een lichaam dat zich met grote snelheid door de atmosfeer beweegt. Ten gevolge van stuwing en wrijving in de stroming verkrijgt de lucht in de nabijheid van het lichaam een hogere temperatuur dan die van de (ongestoorde) atmosfeer. In afb. 1 is de temperatuur in het stuwpunt van een lichaam gegeven als functie van het getal van Mach M = V/a; hierin is V de vliegsnelheid en a de geluidsnelheid in de atmosfeer. Voor een ideaal gas, waarvan de soortelijke warmten niet met de temperatuur veranderen wordt de temperatuur in het stuwpunt gegeven door de betrekking:

TS = T {1 + (γ−1)/2 M2 }

waarin T de temperatuur van de ongestoorde stroming (atmosferische temperatuur) en γ = cp/cv de verhouding van de soortelijke warmten bij constante druk resp. constant volume voorstellen (voor lucht geldt: γ = 1,4). Het bovenstaande verband is in de afbeelding door de stippellijn aangegeven.

Als gevolg van dissociatie en ionisatie van de lucht is de stuwpunttemperatuur TS in de werkelijke stroming geringer dan in de stroming van een ideaal gas, waarin deze verschijnselen niet optreden. Uit de getrokken lijn blijkt, dat niettemin ook in de werkelijke stroming de temperaturen zeer hoog worden. De temperatuurverhogingen in afb. 1 aangegeven, treden niet alleen in het stuwpunt van de stroming om een lichaam op. Ook in de grenslaag, waarin de snelheid van de lucht ten opzichte van het lichaam afneemt van de ongestoorde stroomsnelheid tot nul op de wand, wordt de kinetische energie van de lucht omgezet in warmte en treden temperatuurverhogingen op, die van dezelfde orde van grootte zijn als in het stuwpunt.

Indien het lichaam kouder is dan de luchttemperatuur in het stuwpunt en in de grenslaag, treedt warmteoverdracht door convectie op van de lucht naar het lichaam. Door deze warmteoverdracht zal het lichaam na enige tijd een temperatuur aannemen gelijk aan de temperatuur die in afb. 1 is gegeven (afgezien van de warmte die het lichaam bij zeer hoge temperaturen weer door straling aan de omgeving afstaat).

De aërodynamische verhitting is van belang voor vliegtuigen met supersone en hypersone snelheden en voor ruimtevaartuigen bij terugkeer in de dampkring van de aarde. Voor supersone vliegtuigen, die met een getal van Mach M = 2 vliegen, zijn de hoogste temperaturen van de constructie bij de vlucht in de stratosfeer ca. 390 K. Tot deze temperaturen zijn aluminiumlegeringen nog bruikbaar; dit is een belangrijke overweging geweest bij de keuze van de vliegsnelheid van het Brits-Franse supersone verkeersvliegtuig BAC/Sud ‘Concorde’. Voor een supersoon vliegtuig ontworpen voor M = 3 worden de maximale wandtemperaturen ca. 600 K en is titaan het aangewezen constructiemateriaal. Voor hypersone vliegtuigen dienen materialen met een nog grotere hittebestandheid te worden gebruikt (vergelijk materialen voor de turbines van straalmotoren), terwijl bijv. ook de brandstof (waterstof) als koelmiddel kan worden gebruikt. Bij de zeer hoge snelheden waarmee de ruimtevaartuigen in de atmosfeer terugkeren (28.000...40.000 km h−1) treden in het algemeen zodanig hoge temperaturen op, dat de constructie aan de voorzijde moet worden beschermd door een hitteschild (van kunststof). Dit hitteschild neemt de ontwikkelde warmte op door smelting, verdamping en/of verkoling (zie Ablatie).

< >