Opvarmning af rumfartøjer
Hvis jeg ikke tager meget fejl, er det ikke vindmodstanden der opvarmer et rumfartøj på vej ind i atmosfæren, men derimod kompressionen af atmosfærisk luft på forsiden af fartøjet.
Hvornår begynder vinden at varme?
Per Larsen, it-supporter fra Grindsted, stiller et spørgsmål, der har plaget ham i årevis:
"Her er et spørgsmål, som jeg har spekuleret meget over. Det er fuldstændig ude i hampen, og har ikke betydning for noget som helst, men jeg finder teorien bag spørgsmålet ganske spændende.
Alle ved, at når man befinder sig udenfor, bliver man hurtigere afkølet, jo hurtigere vinden blæser, den såkaldte Wind Chill Factor. De fleste ved også, at når et rumfartøj re-entrer atmosfæren, vil modstanden med atmosfæren bevirke, at fartøjet varmes op i en ekstrem grad.
Men dette fænomen kan vel også betragtes som om, at vinden blæser ekstremt hurtigt forbi én?
Så er det jeg tænker: Hvor hurtig skal vinden bevæge sig om f.eks. en krop, før den ikke længere køler men varmer? Og hvor hurtigt skal den blæse for at opretholde en temperatur på 37 grader?"
John Renner fra Niels Bohr Instituttet har rådspurgt sin kollega, lektor Malte Olsen, der er nået frem til følgende svar:
"I første omgang vil legemet ved moderate vindhastigheder hurtigt antage luftens temperatur. Wind Chill Factor er noget der vedkommer levende organismer i form af hurtigere fordampning af vand fra overfladen, samt at det varme luftlag omkring os bliver blæst væk (det luftlag er understøttet af et hårlag og forbedres af mange lag klæder), og vind derfor giver en følelse af kulde.
Aerodynamisk er det først et problem, der omtales i litteraturen for overlydshastigheder, hvor fly kan få temperaturer på forkant vinger og især i luftindsugning til motorer på f.eks. 300 °C eller mere. Man bruger derfor særligt stabile metaller de pågældende steder. Malede symboler eller bogstaver anbringes steder der ikke opvarmes så meget, så malingen ikke bobler op. Problemet er almenkendt fra rumfartøjer, som enten har et varmeskjold af harpikslignende substanser, som smeltes og fordamper (der kan bindes meget varmeenergi i såvel smeltning som fordampning), eller som er udstyret som en spaceshuttle med keramikfliser på de steder, hvor der opstår varme. Falder disse fliser af opvarmes den bærende metalkonstruktion bagved og bliver blød, fartøjet falder så måske ned, som det kendes fra historien.
Hvis man ser bort fra Wind Chill Factor, så skal man nok lige op over lydhastighed. Så er det lige meget, idet det formodentligt vil være dødeligt uden beskyttelse. Det vil nok næsten blæse kødet af knoglerne (i alle tilfælde hår måske arme og ben), og trykforskelle rundt omkring på legemet vil blive meget store. Piloter, som er sprunget ud med overlydshastighed uden specialdragter, er i alle tilfælde meget slemt medtaget, selv om deres dragt, maske og sæde har givet en vis beskyttelse. Den præcise hastighed kan sikkert beregnes nogenlunde numerisk (på computer), hvis man kender kroppens præcise form og stilling. Vi har ikke programmer der kan gøre det. Men svaret er nok lige over lydmuren."
- Per Larsen vinder to billetter til Experimentarium for sit spørgsmål.
Dokumentation
Emner
Fysik
Læs også
Re: Opvarmning af rumfartøjer
Der dannes ved de høje hastigheder der ved re-entry en chokbølge foran genstanden. Hvis jeg husker rigtigt er der et ikke uvæsentlig temperaturspring hen over chokbølgen der bevirker et relativt temperaturfald - mao bliver temperaturen lavere ved overfladen end hvis der ikke ville have været en chokbølge så længe chokbølgen ikke kommer i kontakt med overfladen (så vil der ske store varmeoverførsler).
Dette er en af grundene til at man ser afrundede fremfor spidse næsekegler på fx. interkontinentale missiler og re-entry vehicles (der tit er nærmest flade mod strømningens retning) - således dannes der en chokbølge der går udenom genstanden og derved divergerer en stor del af luftstrømmen udenom, hvilket alt andet lige bevirker et fald i friktion og varmetransmission ved overfladen ift. situationen uden chockbølge.
Det er hovedsaglig friktionen mellem atmosfære og genstand der giver anledning til varmeoverførslen og dermed opvarmningen fra luftstrømmen. Alt dette påvirkes naturligvis af strømingshastigheden, luftens og genstandens temperatur, strømningens karakter og genstandens geometri (etc).
mvh
Jesper
Mere jordnært..
må lufttemperaturen vel også spille en væsentlig rolle!?
Hvis jeg stikker min arm ind i en varmluftsovn, trækker jeg den sq meget hurtigt til mig igen, men selv hvis udendørstemperaturen er 35 grader C, føler jeg en kølende effekt, hvis vinden blæser!
- Hved hvor høj en temperatur vil vinden stadig virke afkølende?
Re: Mere jordnært..
"Ved"! ;-)
Re: Re: Mere jordnært..
Spændende spørgsmål så ikke er blevet besvaret her endnu.
Man skal vel have både vindenshastighed og vindens temperatur, samt omgivelserne og personens temperatur med i regnestykket. Plus hvad vinden indeholder af vand m.m..
Kulturshock.
Jeg har været udsendt til Irak, og en af de største "kulturschock" var at når en person stod op igennem taget på en kørende bil, så var vinden så varm i Irak at jo stærkere man kørte, dvs. at jo mere vindhastigheden øges imod huden jo varmere blev det.
Jeg havde altid været af den opfattelse at når det blæser på huden så afkøledes den (pga. at den opvarmede stilestående luft der ligger tæt opad huden blæses væk) men det er åbenbart kun til en vis grænse og derefter så opvarmes huden.
Jeg ved ikke præcist hvor grænsen går, men jeg ved at ved fx 50-60 grader celcius (i skyggen, temperaturen vil være højere i solen) så varmer vinden i modsætning til at køle huden ned.
Det var faktisk så voldsomt at en person ikke kunne have utildækket hud under kørsel, så selvom det var 60 grader celcius i skyggen, så blev personalet nød til at tildække alt utildækket hud, da huden ellers ville blive forbrændt af den høje varme som vinden var med til at skabe imod huden.
Re: Mere jordnært..
må lufttemperaturen vel også spille en væsentlig rolle!? Hvis jeg stikker min arm ind i en varmluftsovn, trækker jeg den sq meget hurtigt til mig igen, men selv hvis udendørstemperaturen er 35 grader C, føler jeg en kølende effekt, hvis vinden blæser! - Hved hvor høj en temperatur vil vinden stadig virke afkølende?
Du tænker på nøgen menneskehud? Et dødt legeme, en cykel eller gummibold, vil naturligvis med tiden indtage samme temperatur som omgivelserne. Hvis omgivelserne bevæges (varmluftsovn eller en gryde man rører rundt i) sker temperaturudligningen hurtigere. Hvis omgivelserne er fugtig luft, sker varmeoverførslen også hurtigere.
Tilbage til den nøgne hud. Når man opholder sig i normal stuetemperatur, er hudens temperatur langt under 35 C (nok ca 27-28 C), og du burde derfor ikke blive afkølet i en luftstrøm med denne temperaturen 35 C. Grunden til at du alligevel kan blive det, skyldes at luftstrømmen får væske, sved (kroppens eget kølesystem), til at fordampe. Hvis luften er meget fugtig, bliver du faktisk mere opvarmet når det blæser! Sammenlign med hvad du oplever i en våd og tør sauna! I en rigtig våd sauna, kan jeg ikke klare mere end ca 53 C. Er luften i saunaen knastør, har jeg oplevet 120 C, men så brænder luften lidt i næsen!
hvornår vind varmer og ikke køler
For at fokusere på det spurgte spørgsmål.
Ved hvilken temperatur vil kulden påvirkningen afløses af en varmepåvirkning?
Forklaringen på dette kan ske ved at opstille en varmebalance.
Hvis man beregner alle positive (varme) og alle negative (kulde) påvirkninger vil man kunne forudsige hvornår kuldefølelsen bliver til en varmefølelse.
Hvis man bla. beregner og antager luft temperaturen Pr, Re, Cp_luft, osv.
Ved vindpåvirkninger er der primært disse påvirkninger
Negative påvirkninger
Konvektion (normal varmestrøm ved konvektion)
Fordampnings varmestrøm
Sensible varmestrøm (opvarmning af partikler eller andet der rammer overfladen)
Stråling (langbølgede)
Positive påvirkninger
Aerodynamisk konvektion (opvarmningen ved friktionen med luften)
Impinging varmestrøm (kinetiske energi i partikler der rammer overfalden)
Latent varmestrøm (jordens varmestråling)
Stråling (kortbølgede)
Hvis man negligerer fordampning, sensible, stråling (lang og kort), latent og impinging.
Konvektion + Aerodynamisk konvektion = 0
Hvis man antager at kroppen er en cylinder kan man bruge Schmidt og Wenner’s approksimation.
(h er beregnet udfra Pr, Re, Lambda_luft. De afhænger af vindhastigheden)
Konvektion h(Toverflade-Tuendelig), hvor h er antaget til ca. 10
Aerodynamisk konvektion h(Trecovery-Tuendelig)
hvor Trecovery er =Tuendelig+Pr^0,5v^2/(2Cp_luft)
Dette betyder ved antagelse af værdier og geometri giver vindhastigheden, hvor den aerodynamisk konvektion overstiger kulden fra alm. konvektion følgende.
Vindhastigheden for opvarmning istedet for køling bliver ca. 200 m/s (720 km/h) ved en lufttemperature på 20 grader celcius og overnævnte antagelser.
Dette er et meget normalt studie hos flyproducenter fordi de vil undgå is på deres propel og vinger.
Jeg har dog arbejdet med dette i forbindelse med afisning af vindmølle vinger.
Jesper Cort Jensen
Maskiningeniør
Kommentarer (8)