What är förhållandet mellan flyghastighet och genererad värme vid konstant drag?
Jag förstår högre hastighet och högre drag betyder högre adiabatisk kompression som leder till uppvärmning av luften och planet som resultat. X-15 behövs ablativ beläggning för att förhindra överhettning. När det gäller rymdfordon är värmeskärmning det mest kritiska problemet. Detta är helt förståeligt eftersom högre hastighet med konstant eller växande lufttäthet betyder högre drag - och detta resulterar i högre hastighet.
Jag skulle vilja veta hur men dessa värden är relaterade.
[för det här syftet med den här frågan, låt oss försumma problemen med motor effektivitet. Vi har en magisk raketmotor som väger ingenting och behöver ingen luft eller bränsle för att producera tryckkraft. Detta är en rent aerodynamisk fråga.]
Vid given tryck är dra direkt proportionell för att lyfta (båda är kvadratiskt proportionell mot lufthastighet och linjärt till luftdensitet). Det betyder att högre lufthastighet gör att höjden höjs, sänker luftdensiteten och därigenom sänker dragningen tills hissen och tyngdkraften jämnar ut.
Låt oss behålla ett sådant flyg: Vi ständigt accelererar (långsamt); och klättring, med en sådan hastighet, att hissen förblir konstant och utspelar sig med gravitation (minus ett minimalt delta för att behålla klättringen). Ökningen av hissen som kommer från stigande flyghastighet kompenseras genom att lufttätheten minskar när båten klättrar.
Med konstant hiss, och dra är direkt proportionell för att lyfta, drar det förblir konstant också.
Behåll konstant drag genom att klättra så, luftdensiteten är omvänt proportionell mot kvadraten av flyghastigheten.
Hur skulle värmeuppbyggnad fungera i den här situationen?
3 svar
Du uttrycker en önskan att förenkla saker genom att anta en viktlös raketmotor, så jag följer med ett viktlöst fordon som bara skapar drag för att övervinna aerodynamisk motstånd.
Detta motstånd har två delar: den ena är adiabatisk kompression när luften före det närliggande fordonet komprimeras och den andra är friktion. Friktion uppträder i starka stötar och i ett skikt av hög skjuvspänning runt fordonet som kallas gränsskiktet. Låt oss också försumma andra värmekällor som solstrålning som blir mer intensiv med höjden.
Om vi tittar på små förändringar, ökar den adiabatiska temperaturen ΔT på grund av en retardation från en hastighet v till noll: $$ ΔT = \ frac {v ^ 2} {2 \ cdot c_p} $$ där $ c_p $ är den specifika värmen vid konstant tryck (enhet $ \ frac {J} {kg \ cdot K} = \ frac {m ^ 2} {s ^ 2 \ cdot K} $). Mängden värme Q som överförs till vårt fordon beror på denna temperaturökning, men också på lufttätheten $ \ rho $ och flödeshastigheten: $$ Q = v \ cdot \ rho \ cdot c_p \ cdotΔT $$ Denser luft innehåller mer värmeenergi, så proportionaliteten med densitet bör vara meningsfullt. Men varför hastighet? Om varmluften fylls i snabbare takt kan mer värme transporteras till fordonets yta per tidsenhet. Nu har vi ett värmeflöde som växer med kuben av flödeshastighet, men det är inte allt. Vi behöver fortfarande förstå hur täthet påverkas. När luften värms upp sjunker densiteten, men flödet i fordonets framåtriktade delar komprimeras också, så tätheten går upp i slutet: $$ \ frac {\ rho} {\ rho _ {\ infty}} = \ vänster (1 + \ frac {\ kappa} {2} \ cdot Ma ^ 2 \ cdot c_p \ right) ^ {\ frac {1} { \ kappa}} $$ med $ \ kappa $ som förhållandet mellan de specifika värmerna och $ Ma $ Mach-numret för flödet. Nu blir det rörigt eftersom alla parametrar ändras med temperaturen, så låt mig korta till NACA rapport 1381 som täcker återuppvärmning av sfärer. Här är värmeöverföringshastigheten proportionell mot hastighetens kub, så att flyga snabbare vid konstant dynamiskt tryck kommer att orsaka en kvadratisk ökning av omgivningsluftens temperatur och en värmeöverföringshastighet som stiger med kubens hastighet på grund av konvektion.
Q: Jag skulle vilja veta hur dessa värden är relaterade men.
The difference between 7.5 kilometers per second (shuttle re-entry speed from low-Earth orbit) and 11 kilometers per second (Orion capsule re-entry speed from the moon) translates into a factor of five in increase of heat rate (for the Orion).
The material's temperature has nothing to do with the performance. The surface temperature at a given heat rate is completely material dependent.
Källa: NASA
Källa: FAA
Ett givet flygplan som rör sig genom atmosfären vid bestämd vikt och hastighet kräver en viss och bestämd mängd energi. Den kända energin kan uttryckas i fotpund, kalorier, btu, etc. Det finns enkla, enkla omvandlingar mellan dessa mätvärden. btu representerar typiskt värmeenergi.
En enkel metod för att bestämma energin i fotpund är att flyga vid en känd HP-inställning och flyga för en viss tidsram. Produkten av den HP tiden den tiden representerar energi. Konvertera det enkelt till btu.
Läs andra frågor om taggar aerodynamics Kärlek och kompatibilitet Skor Gear 12 Stjärntecken Grunderna