Reibungswärme bei Flugzeugen

[mcnoch]

Wenn ich die Funktionsweise von All-Aspect IR AAMs richtig verstanden habe, dann schalten sich die IR-Suchköpfe auf die durch die Reibung mit der Luft erwärmten Metallflächen des Flugzeuges auf. Wie hoch ist denn diese Reibungswärme bei den unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Höhen. Gibt es da eine einheitliche Formel oder ist das von Flugzeug-Typ zu Flugzeug-Typ unterschiedlich? Bei der Concorde haben sie mal gezeigt, dass sie temperaturbedingte Ausdehnung so groß war, dass man im Cockpit an einer Stelle eine Hand zwischen die Instrumentenpaneele stecken konnte, wenn die Maschine am Boden stand, während im überschallschnellen Flug die Paneele ganz dicht nebeneinander waren.

Danke,

Matthias Noch

 

[Alpha]

Die Erwärmung hängt von der Fluggeschwindigkeit ab. So kann z.B. bei M0.82@FL260 die Temperatur der umgebenden Luft (outside air temperature, OAT) -32°C betragen und die sozusagen an der Oberfläche "gefühlte" Temperatur +13°C betragen. Hab die Formel aber nicht zur Hand ;)

 

[nik]

hi,

hier liegen zwei denkfehler vor. die ir aam's reagieren u.a. auf die abgaswärme und die wärmestrahlung der triebwerke und nicht auf die oberflächentemperatur der flugzeughaut.

die "spaltmaße" die du im film gesehen hast, basieren auf den druckunterschieden die auf die flugzeugzelle wirken. bei hoher geschwindigkeit erhöht sich der druck auf die aussenhaut.
der temperaturkoeffizient delta t von alu macht sich bei einer temperaturänderung von ca. 50°C kaum bemerkbar. die längenausdehnung wird sich im millimeterbereich bewegen. bin jetzt zu faul nachzusehen, bzw. nachzurechnen.:D

praktisches beispiel:
wenn du das nächste mal mit der bahn fährst und sie fährt mit hoher geschwindigkeit in einen tunnel (druckänderung), dann kannst du die veränderung des "spaltmaßes" zwischen sitzfläche und verkleidung sogar sehen, bzw. steck deine hand dazwischen und fühle es. klemm sie dir aber nicht.:D

nik

 

[Flying_Wings]

Original geschrieben von nik
hier liegen zwei denkfehler vor. die ir aam's reagieren u.a. auf die abgaswärme und die wärmestrahlung der triebwerke und nicht auf die oberflächentemperatur der flugzeughaut.

Dem würde ich zustimmen.

die "spaltmaße" die du im film gesehen hast, basieren auf den druckunterschieden die auf die flugzeugzelle wirken. bei hoher geschwindigkeit erhöht sich der druck auf die aussenhaut.
der temperaturkoeffizient delta t von alu macht sich bei einer temperaturänderung von ca. 50°C kaum bemerkbar. die längenausdehnung wird sich im millimeterbereich bewegen. bin jetzt zu faul nachzusehen, bzw. nachzurechnen.:D

Das allerdings ist ziemlicher Schmarrn ;), da gehe ich lieber nicht weiter drauf ein...
Nur soviel: die Außenhaut, insbesondere die Nase der Condorde heizt sich bei Reisegeschwindigkeit auf bis zu 127°C auf. Bei einem Temperaturunterschied von 107K, einem Temperaturausdehnugskeoffizienten von Aluminium von 23E-06[K-1] und einer Länge der Concorde von 60m kommt man auf ca.15cm. So entsteht dann auch der Spalt im Cockpit!

praktisches beispiel: wenn du das nächste mal mit der bahn fährst und sie fährt mit hoher geschwindigkeit in einen tunnel (druckänderung), dann kannst du die veränderung des "spaltmaßes" zwischen sitzfläche und verkleidung sogar sehen, bzw. steck deine hand dazwischen und fühle es. klemm sie dir aber nicht.:D nik

Das kannst du auch ausprobieren wenn du über eine Wiese fährst, oder im Bahnhof stehst, da passiert nämlich _überhaupt nichts_. :?!

F_W

 

[nik]

hi f-w,

da du das wort "schmarrn" gebraucht hast, möchte ich es dir zurückgeben.:D das ist nun ein ziemlicher schmarrn, was du geschrieben hast, weil du für das "spaltmaß" den umfang der nase zu grunde legen müßtest und nicht die flugzeuglänge.;)
aber lassen wir das. solltest du das nächste mal mit einem ice fahren, dann teste es und du wirst es fühlen. was du eben zur wiese usw. geschrieben hast, ist nun wirklich ein ......., aber lassen wir auch das. wie du schon richtig bemerkt hast, darauf gehe ich auch lieber nicht ein.:D


over and out!

gruß

nik

 

[Flying_Wings]

Original geschrieben von nik
da du das wort "schmarrn" gebraucht hast, möchte ich es dir zurückgeben.:D das ist nun ein ziemlicher schmarrn, was du geschrieben hast, weil du für das "spaltmaß" den umfang der nase zu grunde legen müßtest und nicht die flugzeuglänge.;)

Nicht nur immer in einer Dimension denken, denn was für den Umfang gilt, gilt ebenso auch für die Länge!
Ich hab' zuhause ein Foto rumliegen von dem Spalt rumliegen, muss mal schauen ob ich das hier irgendwie reingestellt bekomme, dann wird vielleicht einiges klarer!

F_W

 

[Alpha]

@nik: Die Reibungswärme wirkt auf einem größeren Teil des Rumpfes, als du vermutest. Die Längenausdehnung der Concorde etwa beruht tatsächlich auf der Oberflächentemperatur. Schon mal gesehen, wie Bahngleise in starken Sommern sich verbiegen können?

Und auch der zweite "Fehler" ist keiner: moderne IR-Flugkörper vermögen sehr wohl den Temperaturunterschied zwischen Rumpf und OAT zu messen und sogar zu tracken. Dazu braucht es schon lange keine Triebwerkswärme mehr. Klar - besser ist ein großes Delta T, wie beim Triebwerk - aber es geht auch ohne.

 

[nik]

Original geschrieben von Alpha
@nik: Die Reibungswärme wirkt auf einem größeren Teil des Rumpfes, als du vermutest. Die Längenausdehnung der Concorde etwa beruht tatsächlich auf der Oberflächentemperatur. Schon mal gesehen, wie Bahngleise in starken Sommern sich verbiegen können?

habe ich nicht bestritten!

 

[Alpha]

Dann haben wir

die "spaltmaße" die du im film gesehen hast, basieren auf den druckunterschieden die auf die flugzeugzelle wirken. bei hoher geschwindigkeit erhöht sich der druck auf die aussenhaut.

wohl falsch verstanden? :D ;)

 

[mcnoch]

@nik

hier liegen zwei denkfehler vor. die ir aam's reagieren u.a. auf die abgaswärme und die wärmestrahlung der triebwerke und nicht auf die oberflächentemperatur der flugzeughaut.

Das war früher so, heutige IR AAMs - die sog. all-aspect AAMs von denen ich sprach – sind in der Lage die Wärmesignatur des Flugzeuges selber zu erkennen und sich darauf aufzuschalten. Andernfalls wären sie ja keine „all-aspect“, da von vorne in aller Regel Abgaswärme oder die Wärmestrahlung der Triebwerke nicht zu erkennen wäre. Die Technik ist heute von den USA (AIM-9X) bis nach China (PL-8) im Einsatz.

Was die Concorde-Sache anbelangt, lag ich in der Tat falsch, aber anders als hier angedeutet. Ich habe versehentlich durcheinander gebracht wann der Spalt da ist und wann nicht. Der Spalt bildet sich natürlich während des überschallschnellen Fluges, da sich dann der Rumpf ausdehnt, am Boden ist der Spalt nicht mehr zu sehen.

Und wo ich heute gerade bei EADS zu Besuch bin habe ich gleich mal gefragt. Die Außenhülle der Concorde heizt sich im Überschallschnellen Flug auf 100°C und darüber auf. Der Spitzenwert von 127°C an der Rumpfspitze darf aber nicht überschritten werden.

Des weiteren klärte man mich auf, dass es zwar allerlei Formeln gibt, aber für jeden Bereich des Flugzeuges eine andere in Ansatz gebracht werden muss, da der Luftfluss und damit der Reibungswiderstand an den verschiedenen Hüllenpartien völlig unterschiedlich sein kann. Auch die Frage ob der Jet manövriert spielt eine große Rolle. Also alles viel komplizierter als für so eine kleine Diskussion hier tauglich.

Glücklicherweise konnte man mir auch gleich die hinter meiner Frage stehende Frage beantworten, nämlich wann AA IR AAMs die optimale Zielerfassungsmöglichkeit haben. Dann, wenn ein sehr schneller Jet aus großer Höhe schnell an Höhe verliert (dive to the deck), da dann die steigende Hüllentemperatur von der dichter Luft weiter erwärmt wird und wärmer Luft die Hülle nicht mehr so stark kühlt. Dieser optimale Augenblick hält aber nur sehr kurz an, dann franst die Wärmesignatur aus, da die Flugzeughülle wiederum die sie umgebende Luft erwärmt.

Gruß,

Matthias Noch

 

[Flying_Wings]

das mit den AAM ist ja nun anscheinend geklärt. Schon wieder was dazu gelernt.
Das mit der Concorde will ich auch nochmal anführen. Soll ja keiner behaupten können dass ihm im FF was falsches erzählt wird ;)
Ich hab' das Foto nochmal hervorgekramt, s.u.
Als Begleittext steht dort "...demonstrating that the gap to the rear of the enineer's panel is wide enough to accomodate a hand when the fuselage has expanded, due to its having been heated heated by airflow at Mach 2..." Ich hoffe, dass die Quelle dann so akzeptiert wird... Wenn das durch Druck verursacht werden würde hätte es die Kiste imho schon längst zerrissen...
DIe Jungs von der EADS waren dann übrigens ziemlich fitt, wenn sie die genauen Temperaturen im Kopf hatten!
Von dem Buch "The Concorde Story" von Christopher Orlebar gibt es jetzt auch eine neue Auflage, die den Absturz und die Wiederaufnahme in den Liniendienst mit beinhaltet. Sehr empefehlenswert für diejenigen, die sich einmal näher mit der Concorde-Geschichte befassen wollen. Zudem auch gut bebildert

F_W

 

[Kenneth]

Nik, was du im Zug beobachtet hast stammt vom Staudruck, der beim schnellen Reinfahren in ein Tunnel erzeugt wird und die Wände und Fenster nach Innen drücken, ein bekanntes Problem wofür mehrere technische Lösungen vorliegen (u.a. Sensoren und Klappenventile im Waggon). Vergiß nicht, dass die Kabine (auch) in einer Concorde eine Druckkabine ist, d.h. sie steht unter Druck. Der Rumpf der Concorde dehnt sich in der Tat wegen der Hitze aus - aber nur wegen der Hitze. Auch der Kabinenboden ist daran angepasst; er ist nur vorne mit dem Rumpf fest verbunden, damit er nicht aufreißt, wenn der Rumpf in der Längsrichtung sich ausdehnt. In einer von den in England ausgestellten Prototypen (Yeovilton oder Duxford) ist dies recht deutlich sichtbar.

 

[nik]

asche auf mein haupt. ich nehme die denkfehler zurück und ordne sie mir zu. :(
bin bis zum erscheinen des fotos von einem spalt längs zur flugrichtung ausgegangen, also zwischen instrumententräger und aussenhaut. auf dem foto sieht man aber, dass der spalt quer zur flugrichtung auftritt.

bleibe aber dabei, dass es sich um eine kombination aus druckunterschied (in gr. höhe innendruck > aussendruck) und erwärmung handeln muss. wäre nur die wärme verantwortlich, müßte die gesamte raumbestimmende konstruktion durchwärmt werden, dass es zu dieser längenausdehnung kommt und da habe ich so meine zweifel.

 

[Alpha]

Na, dann probier doch mal am Boden ein Flugzeug mit Druckkabine so stark aufzublasen, dass es länger/weiter wird...
;)

Selbst bei geschlossenen Ventilen düfte dir das nicht gelingen. Und die Druckdifferenz zwischen Innendruck und Aussendruck ist in Reiseflughöhe nicht so extrem gross, wie du dir wohl gerade vorstellst.

Ist 100%ig rein die Erwärmung.

Übrigend gibt´s die gleiche Ausdehnung bei Flugzeugen ohne Druckkabine und an Stellen, wo die Druckkabine keinen Einfluss hat...

 

[Markus_P]

...als weiteres deutliches Beispiel für die Wärmeausdehnung kann man imho die SR-71 nehmen, die am Boden und bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten "aus allen Ritzen sifft" erst bei Einsatzgeschwindigkeit schliessen sich die Spalte durch die Wärmeausdehnung...

mal noch eine Frage: gleichen nicht moderne IR-Suchköpfe ihr Bild noch mit einer UV-Signatur der LFZ-Oberfläche ab, um Täuschkörper auszuschliessen?? :?!

 

[nik]

Original geschrieben von Alpha
Und die Druckdifferenz zwischen Innendruck und Aussendruck ist in Reiseflughöhe nicht so extrem gross, wie du dir wohl gerade vorstellst.

dann rechne doch mal den druckunterschied auf 1qm aussenhaut bei 100 millibar aus und du wirst staunen, was da als ergebnis herauskommt.:D

 

[Flying_Wings]

Original geschrieben von nik
dann rechne doch mal den druckunterschied auf 1qm aussenhaut bei 100 millibar aus und du wirst staunen, was da als ergebnis herauskommt.:D

also... 1 mb sind 100N/m², 100mb entsprechen dann 10000N/m²

und jetzt rechne mal aus mit wieviel N/m² ein durchschnittlicher Erwachsener den Boden belastet ;)
Wie sehr doch große Zahlen täuschen können...

F_W

 

[mcnoch]

@Flying_Wings

Der eine war ein wahrer Concorde-Enthusiast. Er hatte einen ganzen Packen Bücher über die Concorde und diverseste Dateien über die Concorde und die „Concordesky“ auf seinem PC, inkl. dreier längerer TV-Dokumentationen. Die Daten die er mir gegeben hat, stammten aus einem Buch vom Osprey-Verlag, in dem auch das gleiche Foto war, wie Du es gepostet hast, war also wahrscheinlich das gleiche Buch.

Gruß,

Matthias Noch

 

[Alpha]

@nik: Bei weitem nicht genug, um eine Aluminiumröhre/Druckkabine zu strecken.

 

[uli]

Nu hört schon auf zu streiten, Kinners, rechnen wir mal ein Beispiel durch:

Den Concorderumpf idealisieren wir als einen geschlossenen Aluminiumzylinder, der unter einem Innen(über)druck von einem halben bar steht. Der Zylinder ist 50 m lang und hat 5 m Durchmesser. Die Wandstärke betrage 3 mm.

Durch die Druckkräfte alleine vergrössert sich der Durchmesser um 2,6 mm und der Zylinder wird um 13 mm länger.

Erhöht man die Temperatur des Zylinders um 100 K, z.B. von 20 °C auf 120 °C, dann wird der Zylinder um 120 mm länger und der Durchmesser um 12 mm grössser.

In diesem unserem Falle bewirkt folglich die Temperaturerhöhung eine etwa 10 fach höhere Längsdehnung als die Druckkraft.

Alles klar?

Uli