SR-71是如何处理高速飞行产生的巨大热量的?

时间:2022-07-28 10:19:03   作者:
飞行速度超过3马赫是一个热问题。一切都太热了,包括任何你为了与飞行器互动而减速的空气。你试图让飞行器(和飞行员)在披萨烤箱里存活数小时,而他们却在舒适地享受两个5亿英热/小时的火焰喷射器。

火焰喷射器

当你看到这样的图表,你的第一印象可能是这个飞行器是一个炽热的东西在80000英尺的零下52摄氏度的冰冷空气中切割。所以很自然地,你会认为空气在给飞机降温。

并非如此。空气必须改变车辆的速度才能接触到车辆,这就需要做功。这项工作加热了空气。在3.2马赫时,空气的静止温度是740华氏度,这比上面图表上的每一个(标记)点都要热!(发动机加力燃烧室周围没有标示的机舱,实际上比周围的空气还要热。)

我知道,这似乎难以置信。使用这个方便的图表,自己看看。

图表

基本上,来自飞机的冲击会使周围的空气变热,但飞行器本身会使与之接触的空气变冷。一旦飞机经过,所有受干扰的空气就会翻滚停止,留下一条热空气路径穿过高层大气。

回到披萨烤箱里的生活。基本的解决方案是(a)让机身的大部分保持高温,用钛和不锈钢等材料制造,这些材料在高温时很坚固;(b)从大量的冷燃料开始,然后在燃烧前将关键区域的热量倒入燃料中。当与空中加油机分离时,SR-71一半的重量是燃料。

为SR-71研制了一种特殊的煤油燃料JP-7,使其具有良好的散热性能。它在285摄氏度1大气压下蒸发,这是煤油范围的上限。当飞机在3万英尺的高空加油时,煤油可能会从0摄氏度以下开始。在高速飞行时,它会被用来冷却航空电子设备和座舱,当它到达发动机时,它会达到177摄氏度。然后,它会被用作各种发动机执行器的液压油,主要是可变几何喷嘴。当它到达燃料喷射器时,它已经达到了316摄氏度(但没有沸腾,因为它处于几个大气压下)。在巡航时,燃烧器罐的压力为330千帕(约为海平面压力的3.3倍),因此燃料在离开喷嘴时仍然没有沸腾,但液滴会很快蒸发。

图表2

JP-7主要是以C12H26(十二烷)为中心的碳氢化合物的混合物。上图显示了十二烷的蒸气压与绝对温度倒数的关系。这让它看起来有点难读。例如,0.0024等于417开尔文,也就是143摄氏度。当液体的蒸汽压大于环境压力时,液体就开始沸腾。我标记了十二烷的沸点2900帕,这是80000英尺的绝对压力,和13000帕,这是SR-71燃油箱的最小绝对压力。请注意,在海平面上,JP-7的十二烷成分在162摄氏度开始沸腾,比宣传的285摄氏度要低得多,285摄氏度实际上是物质完全沸腾的时候。

JP-7的燃点是60摄氏度,燃料储存在油箱中,油箱的壁由车辆的外壳构成。由于燃料蒸汽对车辆的顶部皮肤将远超过60℃巡航期间,如果空气被允许在燃料箱中的任何点火源将导致爆燃和破坏车辆。取而代之的是使用260升液氮杜瓦瓶中的氮气来给储罐加压。在下降过程中,当环境压力上升,需要额外的气体来填满油箱的空腔时,这将是一个主要的问题。

但充氮气是不够的。燃料通过车辆的底部表面在油箱中加热,就像锅中的水通过炉子上的火焰加热一样。在这种情况下,液体在容器中超过一米深,因此比锅要花更长的时间来煮沸。在环境巡航压力下,燃料将开始在116℃的油箱中沸腾。通过将油箱加压到超过环境压力10千伏特,可耐受的油箱温度上升了33℃。这个温度限制规定了SR-71在开始失去燃料沸腾之前能够停留在巡航状态的时间限制。

油箱里的燃油泵提高了燃料压力,这样一旦进入燃料系统,沸腾就不再是一个问题。燃料吸收热量的极限是由它的焦化温度决定的,焦化温度是燃料开始在管道内部沉积清漆的温度。我不知道JP-7的具体数字,但肯定高于316℃。还有另一种实验性的碳氢化合物混合物,叫做JP-900,它能抵抗482℃的结焦。这是为一款从未制造出来的更高速度的汽车设计的。

他们无法让风洞的行为与飞机的实际行为相匹配。凯利·约翰逊推测,这是因为在巡航过程中,靠在机身下部蒙皮和内翼上的燃料使机身下部蒙皮的温度低于上部蒙皮。这就导致了飞机因温差膨胀而弯曲,这就会使机翼稍微呈非面形并使飞机在滚动中不稳定。

燃料箱中的燃料加热导致了另一个问题。就像我之前说的,发动机可以在177摄氏度的最高温度下使用燃料,所以当油箱里的燃料加热时,它吸收热量的能力就会下降。机组人员说,他们有时下来寻找一架加油机,并不是因为他们的汽油快用完了,而是因为他们的汽油太热了。

在高速喷气机中,使用燃料作为散热片是很常见的。协和式飞机做到了,F-15、F-16、F-18、F-22和F-35也做到了,可能所有其他超音速飞机都做到了。
声明:本文内容由互联网用户自发贡献自行上传,本网站不拥有所有权,未作人工编辑处理,也不承担相关法律责任。如果您发现有涉嫌版权的内容,欢迎发送邮件至:123456789@qq.com 进行举报,并提供相关证据,工作人员会在5个工作日内联系你,一经查实,本站将立刻删除涉嫌侵权内容。