Номер 1.22, страница 6 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 1. Внутренняя энергия - номер 1.22, страница 6.

Условие.

1.22 Почему наружные части сверхзвуковых самолетов приходится охлаждать с помощью специальных приспособлений?

Решение.

Решение

Наружные части сверхзвуковых самолетов приходится охлаждать из-за явления, называемого аэродинамическим нагревом. Этот нагрев происходит по двум основным причинам, которые становятся особенно значительными на сверхзвуковых скоростях.

Первая причина — это трение о воздух. При движении самолета его поверхность трется о молекулы воздуха. В результате этого трения кинетическая энергия самолета преобразуется в тепловую, нагревая обшивку. Этот эффект существует на любой скорости, но его интенсивность растет с ее увеличением.

Вторая, и главная причина, — это адиабатическое сжатие воздуха. Когда самолет движется быстрее скорости звука, перед его передними кромками (носовым обтекателем, кромками крыльев и оперения) образуются ударные волны. Воздух, проходя через эти ударные волны, резко и очень быстро сжимается. Этот процесс сжатия является практически адиабатическим, то есть происходит без теплообмена с окружающей средой. Согласно первому началу термодинамики, работа, совершаемая над газом при его сжатии, идет на увеличение его внутренней энергии, что проявляется в резком росте температуры и давления. Температура воздуха вблизи поверхности самолета может достигать нескольких сотен градусов Цельсия.

Температуру торможения потока ($T_s$), то есть температуру, до которой нагревается воздух, полностью остановленный на поверхности самолета, можно оценить по формуле:

$T_s = T_a (1 + \frac{\gamma - 1}{2} M^2)$

где $T_a$ — температура невозмущенного потока воздуха (на высоте полета), $\gamma$ — показатель адиабаты для воздуха (примерно 1,4), а $\text{M}$ — число Маха (отношение скорости самолета к скорости звука).

Например, при полете на высоте 18 км (где температура около -56°C или 217 К) со скоростью $M = 3$ (как у самолета SR-71 Blackbird), температура обшивки может превышать 300°C. Такой сильный нагрев приводит к серьезным проблемам: снижению прочности конструкционных материалов, таких как алюминиевые сплавы; возникновению термических напряжений в конструкции из-за неравномерного расширения; перегреву и выходу из строя бортового оборудования, топливной системы и созданию угрозы для экипажа.

Для борьбы с этими последствиями и применяются специальные приспособления: используются жаропрочные материалы (например, титановые сплавы), а также активные системы охлаждения, в которых, например, топливо перед подачей в двигатели циркулирует по трубкам под обшивкой, отводя от нее избыточное тепло.

Ответ:

Наружные части сверхзвуковых самолетов необходимо охлаждать из-за сильного аэродинамического нагрева, возникающего в результате трения об воздух и, в основном, адиабатического сжатия воздуха перед летящим со сверхзвуковой скоростью аппаратом. Этот нагрев может приводить к снижению прочности материалов, деформации конструкции и повреждению внутреннего оборудования, что требует применения специальных жаропрочных материалов и активных систем охлаждения.