El calentamiento aerodinámico es el calentamiento de un cuerpo sólido producido por su paso a alta velocidad a través del aire (o por el paso del aire a través de un cuerpo estático), por lo que su energía cinética se convierte en calor por calentamiento adiabático , [1] y por fricción superficial . sobre la superficie del objeto a una velocidad que depende de la viscosidad y la velocidad del aire. En ciencia e ingeniería, es una preocupación más frecuente con respecto a los meteoritos , el reingreso atmosférico de naves espaciales y el diseño de aeronaves de alta velocidad .
Cuando se mueve a través del aire a altas velocidades, la energía cinética de un objeto se convierte en calor a través de la compresión y la fricción con el aire. A bajas velocidades, el objeto también cede calor al aire si el aire está más frío. El efecto de temperatura combinado del calor del aire y del paso a través de él se denomina temperatura de estancamiento ; la temperatura real se denomina temperatura de recuperación. [2] Estos efectos de disipación viscosa a las subcapas vecinas hacen que la capa límite disminuya su velocidad a través de una capa no isoentrópica .proceso. Luego, el calor se conduce hacia el material de la superficie desde el aire a mayor temperatura. El resultado es un aumento en la temperatura del material y una pérdida de energía del flujo. La convección forzada asegura que otro material reponga los gases que se han enfriado para continuar el proceso. [ cita requerida ]
El estancamiento y la temperatura de recuperación de un flujo aumentan con la velocidad del flujo y son mayores a altas velocidades. La carga térmica total del objeto es una función tanto de la temperatura de recuperación como del caudal másico del flujo. El calentamiento aerodinámico es mayor a altas velocidades y en la atmósfera inferior donde la densidad es mayor. Además del proceso convectivo descrito anteriormente, también hay radiación térmica del flujo al cuerpo y viceversa, con la dirección neta gobernada por sus temperaturas relativas entre sí. [ cita requerida ]
El calentamiento aerodinámico aumenta con la velocidad del vehículo. Sus efectos son mínimos a velocidades subsónicas , pero son lo suficientemente significativos a velocidades supersónicas superiores a Mach 2.2 que afectan el diseño y las consideraciones materiales para la estructura del vehículo y los sistemas internos. Los efectos de calentamiento son mayores en los bordes de ataque , pero todo el vehículo se calienta a una temperatura estable si su velocidad permanece constante. El calentamiento aerodinámico se soluciona mediante el uso de aleaciones que puedan soportar altas temperaturas, el aislamiento del exterior del vehículo o el uso de material ablativo .
Una de las principales preocupaciones provocadas por el calentamiento aerodinámico surge en el diseño del ala. Para velocidades subsónicas, dos objetivos principales del diseño del ala son minimizar el peso y maximizar la fuerza. El calentamiento aerodinámico, que ocurre a velocidades supersónicas e hipersónicas, agrega una consideración adicional en el análisis de la estructura del ala. Una estructura de ala idealizada se compone de largueros , largueros y segmentos de piel . En un ala que normalmente experimenta velocidades subsónicas, debe haber una cantidad suficiente de larguerillos para soportar las tensiones axiales y de flexión inducidas por la fuerza de sustentación.actuando en el ala. Además, la distancia entre los largueros debe ser lo suficientemente pequeña para que los paneles de revestimiento no se pandeen, y los paneles deben ser lo suficientemente gruesos para resistir el esfuerzo cortante y el flujo cortante presentes en los paneles debido a la fuerza de sustentación del ala. Sin embargo, el peso del ala debe ser lo más pequeño posible, por lo que la elección del material para los larguerillos y el revestimiento es un factor importante. [ cita requerida ]