How ska snabbflygande flygplan undvika överhettning?

Det finns flera sätt att undvika överhettning.

• Den enklaste metoden är att använda ett högtemperaturmaterial som Titanium i SR-71 eller stållegering i Mig-25; i Concorde användes en speciell aluminiumlegering (AU2GN). Vid andra flygplan används stål eller Ti i stagneringspunkter (som vingsledande kanter), medan de andra utsatta ytorna är gjorda av andra material.

• I SR-71, bränslet användes som en kylfläns för att avleda värmen som genereras i flygplanet.

• I X-15 användes en ablativisolering för att övervinna värmeproblem:

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

• Aerotermodynamisk design är viktigt för höghastighetsflygplan. Till exempel när NASA testade en dummy ramjet i X-15, misslyckades monteringspylon nästan på grund av störningsuppvärmning, med kända uppvärmningsgrader i storleksordningen sju gånger jämfört med de utan störningar som uppskattades.

Fel på pylon på grund av störningsuppvärmning från dummy ramjet , bild från history.nasa.gov

• För att hjälpa till att reflektera och utstråla den höga värme som produceras under supersonisk flygning hade Concorde en vit reflektivitetsfärg som var ungefär dubbelt så reflekterande som den vita färgen på andra strålar.

Jag skulle vilja svara med fokus på SR-71, eftersom jag råkar ha en bok som ger detaljer om sin design.

Ben Rich var ledande för framdrivnings- och termodynamikgruppen för SR-71, och Kelly Johnsons efterträdare som chef för Skunkworks för senare program. I kapitlet "Snabbare än en fortskridande kula" i hans memoir Skunkworks (s. 203 i den första paperbackutgåvan, 1994) skriver han:

... 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.

Kapitlet går in i större detalj om olika unika materialval:

• Hydrauliska linjer av rostfritt stål

• Hastelloy X ejektorflikar

• Elgiloy kontrollkablar

• Guldpläterade rörledningar

• Titanskruvar och nitar

• Speciellt gummi för landningshjulen, som sedan uppblåstes med kväve

• Jetbränsle med en högre blixtpunkt (JP-7)

sid 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.

Pg 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.

Så jag antar att det finns tre generiska konstruktionsprinciper här:

• Materialval för att klara höga temperaturer
• Avvisande av så mycket värme som möjligt - här genom strålning från flygplanets yta och konvektion ut motorns avgasutsläpp via bränslet
• Uppsättning av värme från kritiska områden, så mycket som möjligt