¿Necesita un escudo térmico para ingresar a la atmósfera desde velocidades no orbitales?

Voy a hacer algunas conjeturas informadas y simplificar demasiado el problema:

Primero, ignoraremos el cambio en la aceleración gravitacional durante la caída de 200 km (es solo una diferencia del 5%, así que a quién le importa). A continuación, supondremos que nuestra nave espacial encuentra una resistencia atmosférica insignificante hasta que alcanza la línea de Karman a 100 km. Finalmente supondremos que comienza a desacelerarse una vez que ha llegado a la línea de Karman.

Después de una caída de 100 km, la velocidad de la nave se puede encontrar con las ecuaciones de movimiento, así:

Tomando

Poniendo este valor en:

y resolviendo para v obtenemos:

Que es solo 3100 mph, o Mach 4 (al nivel del mar). A modo de comparación, la velocidad orbital comienza alrededor de 16,800 mph (Mach 22).

Entonces, a partir de este cálculo, podemos afirmar que no, siempre que la nave sea razonablemente aerodinámica, no necesita un escudo térmico para sobrevivir al reingreso. La nave se calentaría un poco, pero sería posible trabajar con ella. Una vez que perdiera suficiente energía para volverse subsónico, sería bastante fácil derribar la nave en paracaídas.

Sin embargo, incluso si nuestra suposición de que la nave espacial comenzaría a desacelerar en la línea de Karman fuera incorrecta, y la nave no comenzara a disminuir la velocidad hasta la altitud 0 (tal vez apuntaban al Mar Muerto), la nave solo estaría yendo a 4400 mph (6 Mach). Con un poco de enfriamiento, un poco de pintura térmica y líneas suaves, aún estaríamos bien sin un escudo térmico. (Aunque enfrenta el problema mayor de sobrevivir a una colisión a 4400 mph con un planeta de tamaño mediano)

Un ejemplo del mundo real de este tipo de reentrada suborbital se puede encontrar en los cohetes sonda . Estas naves reingresan rutinariamente a la atmósfera desde apogeos de 1.000 km a 1.500 km y, en general, sufren un mayor calentamiento en el camino hacia arriba que en el descenso. La mayoría no tiene un escudo térmico dedicado, solo pintura térmica.

La primera etapa del cohete Falcon 9 sale de la atmósfera, alcanza una altitud máxima de unos 140 km y luego vuelve a entrar sin un escudo térmico. Así que no, los escudos térmicos no son estrictamente necesarios para el reingreso suborbital.

Vea este excelente video de Youtube que en realidad muestra la primera etapa de un Falcon 9 realizando la maniobra de reingreso.

Lo que realmente importa es el calor generado al volar a gran velocidad dentro de la atmósfera.

Como en el espacio no existe ningún tipo de arrastre, acelerarás por gravedad, sin límites, hasta llegar a la atmósfera.

Sin preocuparte por la atmósfera , al llegar al suelo estarás viajando a unos 2km/s. Afortunadamente, tenemos una atmósfera que proporcionará resistencia, a costa de generar calor. A partir de esa caída, el objeto entraría en las capas superiores de la atmósfera a aproximadamente 1,5 km/s, y la atmósfera comenzará a ralentizarlo, generando una cantidad considerable de calor que podría romper toneladas de equipos y, posiblemente, derretir la nave espacial. .

Por lo tanto, necesita un escudo térmico, no tan fuerte como uno de retorno en órbita, pero necesita al menos una "carcasa" que pueda sobrevivir a altas temperaturas. (No estoy seguro de qué tan caliente estará el objeto, pero se puede calcular)

La desaceleración puede ser causada por paracaídas, o incluso por un cuerpo o alas de elevación.

¡Salud!