Experimental Study on Heat Transfer Performance of Combined Channel-film Flow Control for Critical Regions of Hypersonic Vehicles

Resumen Técnico: Estudio Experimental sobre el Desempeño de la Transferencia de Calor mediante el Control Combinado de Flujo de Canal-Película para Regiones Críticas de Vehículos Hipersónicos

Planteamiento del Problema
Las regiones críticas de los vehículos hipersónicos (Mach ≥ 5), tales como las puntas de ojivas, bordes de ataque y superficies de control, enfrentan un calentamiento aerodinámico severo caracterizado por ondas de choque fuertes, compresión intensa y densidades de flujo de calor que alcanzan el nivel de MW/m². Estos entornos inducen estructuras de flujo complejas, incluyendo ondas de choque de proa, interacciones entre la onda de choque y la capa límite, y separaciones/reatautamientos locales, lo que puede derivar en fallas térmicas de materiales y degradación del desempeño de guía. Si bien la protección térmica pasiva (p. ej., materiales aislantes) es confiable, presenta dificultades ante la acumulación de calor durante vuelos de larga duración. Los métodos de protección térmica activa, como el enfriamiento por canales internos y el enfriamiento por película externa, ofrecen una mayor eficiencia pero enfrentan limitaciones individuales: los canales internos a menudo no logran suprimir directamente la entrada de calor aerodinámico externo, mientras que las películas externas sufren una rápida atenuación de su eficiencia de enfriamiento aguas abajo debido al arrastre de la corriente principal. Además, los mecanismos de interferencia específicos y el desempeño térmico del uso de dióxido de carbono en estado supercrítico (S-CO₂) en estas regiones críticas y geométricamente complejas bajo condiciones hipersónicas realistas aún no han sido explorados suficientemente.

Metodología
Este estudio llevó a cabo investigaciones experimentales comparativas en un túnel de viento hipersónico de 1.0 m de diámetro a un número de Mach de flujo libre de 8. El modelo de prueba fue una configuración de ojiva equipada con un sistema de placa removible para facilitar tres enfoques distintos de protección térmica activa utilizando S-CO₂ como medio de transferencia de calor:

1. Transferencia de Calor por Canal Interno (HIn): El S-CO₂ fluye a través de canales de red internos para eliminar el calor estructural sin formar un chorro externo.
2. Transferencia de Calor por Película Externa (HOut): El S-CO₂ se inyecta tangencialmente desde una ranura superficial para formar una película protectora, aislando la pared de la corriente principal.
3. Transferencia de Calor Combinada de Canal-Película (HAll): El S-CO₂ absorbe primero el calor dentro de canales internos y posteriormente es expulsado a través de la ranura para formar una película externa, integrando ambos mecanismos.

Los experimentos se realizaron a ángulos de ataque (α) de 0°, 10° y 20°, con una tasa de flujo másico de chorro de aproximadamente 120 g/s. El estudio utilizó visualización Schlieren para observar las estructuras del campo de flujo (ondas de choque de proa, choques inducidos por el chorro, separación de la capa límite y cobertura de la película) y analizó la respuesta de aumento de temperatura de la pared y de flujo de calor en seis grupos de medición (P₁–P₆) a lo largo de la superficie del modelo.

Resultos Clave

• Interferencia del Campo de Flujo: Bajo condiciones sin chorro, el campo de flujo está dominado por una onda de choque de proa desprendida y una separación de la capa límite inducida por el escalón de la ranura de inyección. El enfriamiento por canal interno causa una perturbación mínima al flujo externo. En contraste, tanto el enfriamiento por película externa como el combinado generan choques inducidos por el chorro y capas de cizalladura distintivos, elevando la corriente principal para formar una capa protectora de baja temperatura. El enfoque combinado no expande significativamente el rango de perturbación en comparación con el enfriamiento por película simple.
• Desempeño del Enfoque Único:
  • Canal Interno (HIn): Demostró un control de temperatura de pared general superior, logrando reducciones de temperatura estables de 20–23 K. Sin embargo, careció de una supresión sostenida del flujo de calor; el flujo de calor de la pared eventualmente regresó a valores positivos bajo calentamiento aerodinámico continuo, indicando una capacidad limitada para bloquear directamente la entrada de calor externo.
  • Película Externa (HOut): Proporcionó una fuerte supresión sostenida del flujo de calor, manteniendo un flujo de calor de pared negativo durante toda la prueba. No obstante, su capacidad de control de temperatura fue más débil (reducción de aprox. 10–20 K cerca de la ranura, cayendo a ~2.5 K aguas abajo) y se atenuó rápidamente a lo largo de la dirección del flujo.
• Desempeño del Enfoque Combinado (HAll):
  • Control de Temperatura: Exhibió el mayor desempeño de transferencia de calor en la región cercana a la ranura (P₁), con reducciones de temperatura estables que superaron los 30 K. Esto representó una mejora de >200% sobre el enfriamiento por película simple y de ~30–50% sobre el enfriamiento interno simple en el punto de inyección. Sin embargo, su efectividad se atenuó significativamente aguas abajo (P₃–P₅), desempeñándose ligeramente peor que el enfriamiento interno simple en estas regiones debido al reducido tiempo de residencia del refrigerante y al calentamiento secundario.
  • Supresión de Flujo de Calor: Logró un flujo de calor negativo sostenido del 100% en todos los puntos de medición válidos. El modo combinado mantuvo niveles de supresión de flujo de calor comparables al enfriamiento por película simple y significativamente superiores al enfriamiento por canal interno.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que el enfoque combinado de transferencia de calor de canal-película ofrece un equilibrio sinérgico favorable para la protección térmica de regiones críticas hipersónicas. Al integrar la absorción de calor interna con el aislamiento por película externa, este esquema híbrido logra:

1. Protección Superior Cerca de la Ranura: Proporciona la capacidad de enfriamiento localizado más fuerte donde las cargas térmicas son más intensas.
2. Blindaje Sostenido de Flujo de Calor: Retiene la capacidad del enfriamiento por película para bloquear continuamente la entrada de calor aerodinámico externo, superando la limitación de los canales internos.
3. Eficiencia Equilibrada: Logra un desempeño de protección térmica general mejor que el enfriamiento por película simple, manteniendo una supresión de flujo de calor comparable al enfriamiento por película, lo que sugiere un uso eficiente del medio de trabajo.

Los autores concluyen que, si bien los métodos individuales tienen ventajas distintas (el interno para la reducción de temperatura general, el externo para el bloqueo del flujo de calor), el enfoque combinado de canal-película integra eficazmente estos beneficios, presentando una solución de ingeniería prometedora para la protección térmica activa en regiones críticas de vehículos hipersónicos.