Escudo térmico ablativo y conservación de la energía, ¿cuánta materia ablacionada de hecho "se lleva" en lugar de reirradiar el calor absorbido?

Encontré este gráfico de la Santa Biblia ( Conferencia de aerotermodinámica de la NASA ) (también archivado ):

No pretendo entender exactamente lo que describe la diapositiva 69, pero podría sacar la conclusión (de este gráfico) de que es posible una reducción de ~25% del calentamiento por convección a través de la ablación.

Este artículo Incertidumbre por calentamiento radiativo para la entrada hiperbólica en la Tierra, Parte 1: Modelado e incertidumbre de simulación de vuelo, Johnston et al. también contiene tramas de naturaleza similar a la anterior, aunque con menos efecto dramático.

Para una superficie sólida que se mueve en una corriente de aire, se forma una capa límite en una región cercana a la superficie, y la velocidad del aire varía dentro de esa capa límite, desde cero en relación con la superficie hasta la velocidad de la corriente libre fuera de la capa límite, y la El mecanismo físico para ese gradiente de velocidad es la viscosidad del aire o la fricción.

Por lo tanto, se realiza un trabajo sobre el aire en la capa límite, lo que provoca un calentamiento y un aumento de las temperaturas. Para velocidades de flujo libre muy altas, las temperaturas alcanzadas son lo suficientemente altas como para disociar las moléculas de aire, produciendo plasma.

Una capa límite muy caliente conduce calor a la superficie, aumentando su temperatura lo suficiente como para causar pirólisis dentro de una capa del sólido; es decir, una conversión de sólido a gas. El calor latente de esta conversión es la energía que se aleja de la superficie; el gas resultante se incorpora a la capa límite y se aleja del vehículo. Esta es una explicación simple del proceso de ablación.

Creo que el interrogador pregunta cómo se compara la energía latente tomada de la superficie con la radiación de energía que ocurrirá entre el plasma en la capa límite de regreso a la superficie. Esta "re-radiación" ocurre porque la nueva superficie expuesta cuando el material es ablacionado estará a una temperatura más baja que el plasma. También hay re-radiación desde la capa límite hacia regiones alejadas de la nave. Existe una complejidad considerable para una comprensión completa de todo el proceso de ablación.

La respuesta simple es que sabemos que esta energía re-irradiada hacia la superficie debe ser mucho menor que la energía latente, de lo contrario la ablación no funcionaría y la superficie sería destruida. Esto también indica que la re-radiación lejos de la nave también debe ser pequeña, aunque mayor que la que regresa a la superficie, ya que la temperatura ambiente del sumidero es mucho menor que la temperatura de la superficie. Además, el factor de forma para la radiación lejos de la nave es probablemente mayor.

Con todo ello y en respuesta concreta a las preguntas:

¿Cuánto calor "se lleva" de hecho la materia ablacionada como material calentado?

La pregunta "Cuánto" no está definida, ya que podría indicar una respuesta numérica o una respuesta que describa magnitudes relativas. Relativamente, la materia ablacionada se lleva la gran mayoría de la energía cinética disipada del cono de morro en movimiento. Si no, la ablación no funcionaría.

¿Cuánto simplemente vuelve a irradiar hacia la cubierta de plasma?

Una vez más, no tiene claro lo que quiere decir con "cuánto". Además, parece estar separando el material extirpado de la vaina de plasma. En realidad, el material ablacionado contribuye a la vaina de plasma. Pero de nuevo, la cantidad de energía re-irradiada hacia la superficie debe ser una parte menor de la energía total transportada por el material ablacionado, de lo contrario la ablación no funcionaría.

¿Pueden expresarse como una fracción de la energía total disipada al detener la cápsula?

Sí, claro. La fracción debida a la ablación estará cerca de la unidad, ya que la ablación es el principal mecanismo por el cual el cono de la nariz se ralentiza. Una fracción más pequeña se debe a la energía radiada desde el cono de la nariz, por todos los mecanismos, incluida la radiación de la envoltura de plasma y la radiación directamente desde la superficie a la que el plasma es más o menos transparente. El valor numérico particular dependerá de la aplicación particular, por ejemplo, la naturaleza del material ablacionado, la geometría del cono de la nariz, la velocidad en el aire, la altitud y la densidad del aire, y otras variables que hacen que nadie responda en un sentido numérico.

¿Se pueden expresar también en Joules/kg de material ablacionado?

Sí, claro. La energía cinética del cono de morro en movimiento se puede expresar en Joules, y la masa del material extirpado se puede expresar en kg. La caída en la velocidad del cono de la nariz refleja la cantidad de energía cinética disipada, y esta última también se puede expresar como Joules. Esta última magnitud dividida por la masa de material ablacionado en el proceso le da la proporción que desea. Sin embargo, esta relación depende de las muchas variables que mencioné anteriormente, con una variación que depende del papel de la energía radiativa de la nave.