空気力学的加熱

空力加熱とは、固体が空気中を高速で通過することによって生じる加熱のことです。科学と工学において、空力加熱を理解することは、地球の大気圏に突入する流星の挙動を予測したり、宇宙船が大気圏再突入を安全に生き延びることを保証したり、高速航空機やミサイルを設計したりするために不可欠です。

「高速航空機やミサイルの場合、空力加熱とは、静止した空気中での相対運動の結果として運動エネルギーが熱エネルギーに変換され、その後、外皮を通して機体の構造と内部に伝達されることです。一部の熱は、機首や翼の前縁などのよどみ点付近での流体の圧縮によって生成されます。追加の熱は、境界層内の外皮に沿った空気摩擦によって生成されます。」^[1]外皮加熱のこれらの 2 つの領域は、van Driest によって示されています。^[2]外皮の境界層加熱は、運動加熱と呼ばれることがあります。^[3]

超音速および極超音速の航空機やミサイルの設計には、空力加熱が機体表面の温度に与える影響と、それに続く構造、客室、機器ベイ、電気、油圧、燃料システムへの熱伝達を考慮する必要があります。

空力加熱によって引き起こされる主な懸念事項の 1 つは、翼の設計で発生します。亜音速の場合、翼設計の主な 2 つの目標は、重量を最小限に抑えることと強度を最大限にすることです。超音速および極超音速で発生する空力加熱は、翼構造解析において追加の考慮事項となります。理想的な翼構造は、桁、ストリンガー、およびスキン セグメントで構成されます。通常亜音速を経験する翼では、翼に作用する揚力によって引き起こされる軸方向および曲げ応力に耐えるのに十分な数のストリンガーが必要です。さらに、ストリンガー間の距離はスキン パネルが座屈しない程度に小さくする必要があり、パネルは翼の揚力によってパネル内に存在するせん断応力とせん断流に耐えるほど厚くなければなりません。ただし、翼の重量は可能な限り小さくする必要があるため、ストリンガーとスキンの材料の選択は重要な要素です。^{[引用が必要]}

超音速では、空力加熱がこの構造解析に別の要素を追加します。通常の速度では、桁とストリンガーは、揚力、第 1 および第 2 慣性モーメント、桁の長さの関数である荷重を受けます。桁とストリンガーの数が増えると、各メンバーの荷重が軽減され、ストリンガーの面積を縮小して臨界応力要件を満たすことができます。ただし、空気から流れるエネルギー (これらの高速で表面摩擦によって加熱される) によって温度が上昇すると、熱負荷と呼ばれる別の負荷係数が桁に追加されます。この熱負荷によってストリンガーが受ける力が増加するため、臨界応力要件を満たすにはストリンガーの面積を増やす必要があります。^{[引用が必要]}

航空機設計において空力加熱が引き起こすもう 1 つの問題は、一般的な材料特性に対する高温の影響です。航空機の翼設計に使用されるアルミニウムや鋼鉄などの一般的な材料は、温度が極端に高くなると強度が低下します。材料のヤング率は、材料が受ける応力とひずみの比率として定義され、温度が上昇するにつれて低下します。ヤング率は翼の材料を選択する際に重要です。値が高いほど、揚力と熱負荷によって生じる降伏応力とせん断応力に材料が抵抗できるからです。これは、ヤング率が軸部材の臨界座屈荷重と外板パネルの臨界座屈せん断応力を計算する方程式の重要な要素であるためです。空力加熱によって高温になったときに材料のヤング率が低下する場合、航空機が超音速になったときの強度低下に対応するために、翼の設計ではより大きな桁とより厚い外板セグメントが必要になります。空力加熱によって生じる高温でも強度を維持する材料もあります。例えば、インコネル X-750 は、 1958 年に極超音速で飛行した北米の航空機X-15の機体部品に使用されていました。^{[5] [6]}チタンも高温でも強度の高い材料であり、超音速航空機の翼フレームによく使用されます。SR-71 は、温度を下げるために黒く塗装され^[7]、膨張に対応するために波形に加工されたチタン製外板を使用していました。^[8]初期の超音速航空機の翼に関するもう 1 つの重要な設計コンセプトは、厚さと翼弦の比を小さくすることで、翼上の流れの速度が自由流速度から大幅に増加しないようにすることでした。流れはすでに超音速であるため、速度をさらに増加させることは翼構造にとって有益ではありません。翼の厚さを薄くすると、上部と下部のストリンガーが互いに近づき、構造全体の慣性モーメントが減少します。これにより、ストリンガーの軸方向の荷重が増加するため、ストリンガーの面積と重量を増やす必要があります。極超音速ミサイルの設計の中には、先端（通常はエンジンに向かう途中の燃料）の液体冷却を採用しているものもある。スプリントミサイルの耐熱シールドはマッハ10の温度に対応するために何度も設計を繰り返す必要があった。^[9]

非常に高い再突入速度（マッハ20以上）によって引き起こされる加熱は、特別な技術を使用しない限り、宇宙船を破壊するのに十分です。マーキュリー、ジェミニ、アポロで使用されたような初期の宇宙カプセルは、スタンドオフバウショックを生成するために鈍い形状をしており、ほとんどの熱が周囲の空気中に放散できるようにしていました。さらに、これらの宇宙船には、高温でガスに昇華するアブレーション材料が使用されていました。昇華の作用により、空力加熱による熱エネルギーが吸収され、カプセルが加熱されるのではなく、材料が侵食されます。マーキュリー宇宙船の熱シールドの表面には、アルミニウムとグラスファイバーのコーティングが何層にも重ねられていました。温度が1,100 °C（1,400 K）まで上昇すると、層が蒸発して熱を奪います。宇宙船は熱くなりますが、有害ではありません。^[10]スペースシャトルは、アルミニウムの機体への伝導を防ぎながら熱を吸収・放射するために、下面に断熱タイルを使用していました。スペースシャトルコロンビアの打ち上げ中に熱シールドが損傷したことが、再突入時の破壊の一因となりました。

• 熱速度

• ムーア、FG、「兵器の空気力学に関する近似法」、AIAA 宇宙航空学の進歩、第 186 巻
• チャップマン、AJ、熱伝達、第 3 版、マクミラン出版会社、1974 年
• ベル研究所研究開発、ABM 研究開発 ベル研究所、1974 年。スタンレー R. ミケルセン セーフガード コンプレックス