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

Sintesi Tecnica: Studio Sperimentale sulle Prestazioni di Trasferimento di Calore del Controllo Combinato Flusso Canale-Film per Regioni Critiche di Veicoli Ipersonici

Definizione del Problema
Le regioni critiche dei veicoli ipersonici (Mach ≥ 5), come i nasi delle testate, i bordi d'attacco e le superfici di controllo, affrontano un riscaldamento aerodinamico severo caratterizzato da onde d'urto forti, compressione intensa e densità di flusso termico che raggiungono livelli di MW/m². Questi ambienti inducono strutture di flusso complesse, tra cui onde d'urto staccate (bow shocks), interazioni shock-strato limite e separazione/riattaccamento locale, che possono portare al cedimento termico dei materiali e alla degradazione delle prestazioni di guida. Sebbene la protezione termica passiva (ad esempio, materiali isolanti) sia affidabile, essa fatica a gestire l'accumulo di calore durante voli di lunga durata. I metodi di protezione termica attiva, come il raffreddamento a canali interni e il raffreddamento a film esterno, offrono un'efficienza maggiore ma affrontano limitazioni individuali: i canali interni spesso non riescono a sopprimere direttamente l'apporto di calore aerodinamico esterno, mentre i film esterni soffrono di una rapida attenuazione dell'efficienza di raffreddamento a valle a causa dell'trascinamento del flusso principale. Inoltre, i meccanismi di interferenza specifici e le prestazioni termiche dell'uso di anidride carbonica supercritica (S-CO₂) in queste regioni critiche e geometricamente complesse, in condizioni ipersoniche realistiche, rimangono insufficientemente esplorati.

Metodologia
Questo studio ha condotto indagini sperimentali comparative in un tunnel del vento ipersonico di 1,0 m di diametro a un numero di Mach di corrente libera di 8. Il modello di test era una configurazione a ogiva dotata di un sistema di piastre rimovibili per facilitare tre distinti approcci di protezione termica attiva utilizzando S-CO₂ come mezzo di trasferimento del calore:

1. Trasferimento di Calore a Canale Interno (HIn): La S-CO₂ scorre attraverso canali a reticolo interno per rimuovere il calore strutturale senza formare un getto esterno.
2. Trasferimento di Calore a Film Esterno (HOut): La S-CO₂ viene iniettata tangenzialmente da una fessura superficiale per formare un film protettivo, isolando la parete dal flusso principale.
3. Trasferimento di Calore Combinato Canale-Film (HAll): La S-CO₂ assorbe prima il calore all'interno dei canali interni e viene successivamente espulsa attraverso la fessura per formare un film esterno, integrando entrambi i meccanismi.

Gli esperimenti sono stati eseguiti ad angoli di attacco (α) di 0°, 10° e 20°, con una portata di massa del getto di circa 120 g/s. Lo studio ha utilizzato la visualizzazione Schlieren per osservare le strutture del campo di flusso (onde d'urto staccate, urti indotti dal getto, separazione dello strato limite, copertura del film) e ha analizzato le risposte dell'aumento della temperatura della parete e del flusso termico in sei gruppi di misurazione (P₁–P₆) lungo la superficie del modello.

Risultati Chiave

• Interferenza del Campo di Flusso: In condizioni di assenza di getto, il campo di flusso è dominato da un'onda d'urto staccata e dalla separazione dello strato limite indotta dallo scalino della fessura di iniezione. Il raffreddamento a canale interno causa una perturbazione minima al campo di flusso esterno. Al contrario, sia il raffreddamento a film esterno che quello combinato generano urti indotti dal getto e strati di taglio distinti, sollevando il flusso principale per formare uno strato protettivo a bassa temperatura. L'approccio combinato non espande significativamente l'intervallo di disturbo rispetto al singolo raffreddamento a film.
• Prestazioni del Singolo Approccio:
  • Canale Interno (HIn): Ha dimostrato un controllo superiore della temperatura della parete nel complesso, ottenendo riduzioni stabili della temperatura di 20–23 K. Tuttavia, mancava di una soppressione sostenuta del flusso termico; il flusso termico della parete è infine tornato a valori positivi sotto il riscaldamento aerodinamico continuo, indicando una capacità limitata di bloccare direttamente l'apporto di calore esterno.
  • Film Esterno (HOut): Ha fornito una forte soppressione sostenuta del flusso termico, mantenendo un flusso termico della parete negativo per tutta la durata del test. Tuttavia, la sua capacità di controllo della temperatura era più debole (riduzione di circa 10–20 K vicino alla fessura, scendendo a ~2,5 K a valle) e si attenuava rapidamente lungo la direzione del flusso.
• Prestazioni dell'Approccio Combinato (HAll):
  • Controllo della Temperatura: Ha esibito la più alta prestazione di trasferimento di calore nella regione vicino alla fessura (P₁), con riduzioni stabili della temperatura superiori a 30 K. Ciò ha rappresentato un miglioramento di >200% rispetto al singolo raffreddamento a film e di ~30–50% rispetto al singolo raffreddamento interno nel punto di iniezione. Tuttavia, la sua efficacia si è attenuata significativamente a valle (P₃–P₅), con prestazioni leggermente inferiori rispetto al singolo raffreddamento interno in queste regioni a causa della riduzione del tempo di residenza del refrigerante e del riscaldamento secondario.
  • Soppressione del Flusso Termico: Ha raggiunto il 100% di soppressione sostenuta del flusso termico negativo in tutti i punti di misurazione validi. La modalità combinata ha mantenuto livelli di soppressione del flusso termico comparabili al raffreddamento a film singolo e significativamente superiori al raffreddamento a canale interno.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento afferma che l'approccio combinato di trasferimento di calore canale-film offre un favorevole equilibrio sinergico per la protezione termica delle regioni critiche ipersoniche. Integrando l'assorbimento di calore interno con l'isolamento a film esterno, questo schema ibrido ottiene:

1. Protezione Superiore Vicino alla Fessura: Fornisce la capacità di raffreddamento localizzata più forte dove i carichi termici sono più intensi.
2. Schermatura Sostenuta del Flusso Termico: Mantiene la capacità del raffreddamento a film di bloccare continuamente l'apporto di calore aerodinamico esterno, superando il limite dei canali interni.
3. Efficienza Bilanciata: Ottiene una prestazione di protezione termica complessiva migliore rispetto al singolo raffreddamento a film mantenendo una soppressione del flusso termico comparabile al raffreddamento a film, suggerendo un uso efficiente del mezzo di lavoro.

Gli autori concludono che, sebbene i singoli metodi abbiano vantaggi distinti (il canale interno per la riduzione della temperatura complessiva, il film esterno per il blocco del flusso termico), l'approccio combinato canale-film integra efficacemente questi benefici, presentandosi come una soluzione ingegneristica promettente per la protezione termica attiva nelle regioni critiche dei veicoli ipersonici.