¿Puede una nave espacial entrar en la atmósfera y salir sin aterrizar?

Seguro que puede. Se llama...

aerofrenado

En realidad, esta técnica se usa para hacer que el reingreso sea más seguro en algunas circunstancias. Básicamente, entrar en la atmósfera profunda a una velocidad demasiado alta es bastante destructivo, ya que el calor se vuelve incontrolable. Si un objeto regresa desde lejos y su velocidad orbital es demasiado alta, puede ingresar a las capas exteriores de la atmósfera para experimentar deliberadamente la resistencia del aire y perder velocidad. El objeto perderá algo de velocidad y saldrá de la atmósfera nuevamente, a menor velocidad. Esto se puede usar para perder velocidad para una entrada segura.

También se puede utilizar para "capturar" el objeto. Entonces se llama...

Aerocaptura

Básicamente, es un caso en el que se usa el aerobreaking para reducir la velocidad lo suficiente como para convertir un sobrevuelo en una trayectoria hiperbólica en una captura en una órbita elíptica.

Sin embargo, esto no es lo que quieres.

Lo que desea no se puede hacer con nuestra tecnología, y no parece que vayamos a obtener la tecnología necesaria en el corto plazo.

Si desea un sobrevuelo cerca de la superficie, entonces no es posible con la tecnología actual. Prácticamente necesitas aviones espaciales funcionales para hacerlo. El aire en la superficie es denso y provoca mucha resistencia; si llegas a la superficie demasiado rápido, te quemarás. Para llegar a cualquier lugar cerca de la superficie, debe perder suficiente velocidad para realizar un vuelo atmosférico. La velocidad orbital en LEO (órbita terrestre baja) es de unos 7800 m/s. A modo de comparación, el SR-71 Blackbird apenas alcanzaba los 1000 m/s y tenía problemas de calentamiento muy serios.

Básicamente, para llegar a la superficie con velocidades orbitales, necesitas escudos térmicos increíblemente resistentes y motores increíblemente potentes. Su única otra opción es perder tanta velocidad que pueda tratar el regreso a la órbita como si comenzara desde el suelo.

En realidad, es MÁS complicado llegar a la superficie a alta velocidad que aterrizar y despegar de nuevo.

La entrada y salida de la atmósfera como parte del reingreso se ha realizado desde 1968 con la sonda lunar rusa Zond 6 . Esta técnica, llamada reingreso saltado , implica ingresar a la atmósfera en un ángulo poco profundo para que la nave espacial sea empujada hacia atrás fuera de la atmósfera una o más veces antes del reingreso.

La transición de velocidades orbitales (7,79 km/s) a vuelo atmosférico controlado (600 m/s) quema tanta energía que efectivamente tiene que relanzar para cada transición de vuelta a la órbita. Esto es muy poco práctico.

Recuerdo haber investigado esto cuando jugué demasiado Kerbal Space Program y me involucré lo suficiente como para instalar la versión completamente realista del juego.

La respuesta aceptada con respecto al aerobreaking es bastante buena y cubre los conceptos básicos, pero hay algunas cosas más en marcha que puedo desarrollar y me gustaría. La afirmación de esa respuesta de que la tecnología aún no existe es cierta, pero también hay una tecnología realmente emocionante en el horizonte y esta respuesta resumirá algunos de los métodos que necesitaría para hacer algunas de las cosas que desea.

Contexto - ¿Qué es un vuelo a gran altura?

En términos generales, entrar y salir de una atmósfera es sinónimo de volar a través de ella a la altura y altitud que desees. Entonces, definamos algunos términos.

Lo primero es la velocidad del sonido en el aire, llamada Mach. Por lo general, alrededor de 330 m/s, pero varía con la temperatura y la presión. Mach 1 se refiere a volar a la velocidad del sonido.

Al volar a la velocidad del sonido, la forma en que se comporta el aire cambia y esto da como resultado que el aire se comprima por primera vez. Cuando se comprime se calienta. Si el calor tocara la superficie de una nave, podría derretir la nave. Las naves espaciales durante el reingreso están construidas específicamente (no del todo cierto, pero lo suficientemente cerca) NO para volar. No cortan el aire como un avión, lo hacen con una superficie muy poco aerodinámica que crea un arco de choque que mantiene el calor alejado de la nave. Por lo tanto, por el momento, todas las reentradas no cuentan del todo como controladas (nuevamente, no es del todo cierto, pero lo suficientemente bueno por ahora). Incluso el transbordador espacial no entra como un avión, entra en un ángulo de 40 grados con respecto a la dirección del vuelo hasta que reduce la velocidad lo suficientemente seguro como para volar.

La velocidad orbital es de aproximadamente Mach 25, mucho más allá de Mach 2. Alcanza eso en la atmósfera y dejas de volar y comienzas a elevarte porque en realidad estás en órbita. La buena noticia del Programa Espacial Kerbal es que, si pudiera volar en órbita dentro de la atmósfera (Kerbin, el planeta similar a la Tierra en KSP solo tiene una velocidad de escape de Mach 8, por lo que esto es fácilmente factible), puede entrar en órbita. con cantidades ridículamente bajas de combustible. Probablemente sea la forma más eficiente de combustible para llegar allí y probablemente también funcione en la Tierra, pero hay muchos problemas que resolver, a los que volveré más adelante.

Primero, sin embargo, también tengo que hablar sobre la atmósfera, porque eso también es importante. Por un lado, la atmósfera es más espesa cerca de la superficie, pero la densidad de la atmósfera cae exponencialmente cuanto más te alejas de la tierra. Esto es bueno y malo.

Es malo, porque menos atmósfera significa menos sustentación y menos aire para que usen los motores. Esto establece un techo alto en lo que es seguro para que los aviones vuelen. La altura a tener en cuenta para los motores a reacción es de unos 26 km. Después de eso, no hay suficiente aire para seguir volando.

Sin embargo, lo bueno es que también hay menos aire que cause arrastre y efectos de calentamiento. Sube lo suficiente a la atmósfera y podrás ir más rápido. Vaya más rápido y podrá recoger más aire para usar en sus motores, manteniendo la densidad efectiva lo suficientemente alta como para volar. No podemos hacer esto todavía, pero se puede hacer.

Debido a que la densidad del aire cae exponencialmente, es difícil decir dónde termina la atmósfera. La Estación Espacial Internacional está técnicamente en órbita dentro de la atmósfera de la Tierra, pero en realidad no lo está para la mayoría de los propósitos prácticos. El número a considerar para la mayoría de los propósitos parece ser 100 km.

Reencuadrando el Problema

Entonces, su pregunta es casi idéntica a: ¿cómo hago para que un avión vuele a velocidades entre Mach 2-25 a altitudes de 26 km o más?

Bueno, la respuesta es que no podemos, pero estamos trabajando en ello.

Motores a reacción y más allá

Los motores a reacción funcionan según el principio único de que el aire se acelera a medida que se comprime por debajo de Mach 1 y luego se acelera a medida que se expande, dejando el motor a reacción a más de Mach 1. Este comportamiento diferente por debajo y por encima de la línea de Mach es lo que hace que el jet motor para trabajar. Los motores a reacción hacen esto aspirando aire, comprimiéndolo y luego calentándolo, expulsándolo por la parte trasera.

En teoría, uno pensaría que el motor a reacción deja de funcionar funcionalmente a velocidades superiores a Mach 1, pero estaría equivocado. El aire se ralentiza a medida que ingresa al motor, comprimiéndose y calentándose. El efecto se vuelve tan pronunciado que, si alcanza velocidades altas, la parte de la turbina del motor a reacción se vuelve innecesaria. El aire se aspira y se calienta de todos modos, solo necesita agregar combustible y dejar que se queme.

Este tipo de motor se llama Ramjet y, bueno, los hemos construido, porque los motores del SR-71 en realidad funcionaron de esa manera más allá de cierta velocidad. Básicamente, pones los posquemadores y el motor funciona, con las turbinas actuando como arrastre.

Esto funciona tan bien que hay un problema real. El motor se sobrecalienta por el aire que entra por encima de cierta velocidad y el motor explota. Esto es malo. Sin embargo, un equipo británico, al tratar de desarrollar un motor híbrido de cohete/reactor llamado SABRE, ha resuelto esto y puede sobreenfriar el aire y reciclar el calor en el combustible, lo que permite que los motores a reacción alcancen un Mach teórico 4/5. . (El supercooler existe, el motor aún no, pero se ha aprobado la financiación, busque Reaction Engines, porque es increíble).

Por encima de Mach 4/5, algo le sucede al aire que ingresa. El aire deja de disminuir lo suficiente como para fluir por debajo de la velocidad del sonido y, en cambio, todo el flujo de aire es más rápido que la velocidad del sonido. Pasamos de un Ramjet a un Scramjet.

Los Scramjets se basan en el hecho de que el aire que ingresa se comprime y se calienta, como en el Ramjet, por lo que agregar combustible hace que se expanda más y dé más empuje. No es tan eficiente como un estatorreactor, pero lo suficientemente bueno y es mejor que un motor de cohete hasta que alcanza Mach 10, en teoría.

La investigación en Scramjets está en curso. De los Scramjets que se sabe que existen, la NASA y las Fuerzas Armadas de EE. UU. han construido uno. Debido a la naturaleza de la investigación, es sensible a los militares y, por lo tanto, nadie sabe qué sucedió o si tuvo éxito. Además, Internet sabe que los chinos no tienen uno y no completaron las pruebas recientemente (así que no preguntes, ¿de acuerdo?). Estos parecen mostrar velocidades de Mach 6 y que la tecnología es posible, aunque nadie sabe por qué no se está utilizando para fabricar misiles balísticos intercontinentales baratos.

Finalmente, vale la pena mencionar los motores de cohetes, que llevan su propia masa de reacción, por lo que no es necesario tomarla de la atmósfera. Estos funcionan (aproximadamente) bien donde sea que se usen (aunque cuanto más atmósfera haya, peor será el empuje hacia atrás).

Volando alto

Entonces, el mayor problema de volar rápido es el calor y también la presión dinámica. La presión dinámica es la que ejerce el aire sobre el avión a medida que lo atraviesa. El número a tener en cuenta, que es el motivo por el cual el sistema de lanzamiento del transbordador espacial en realidad se ralentiza durante el lanzamiento, es de 70 000 KPascal. Más que esto, obtienes cosas hermosas como fallas aerodinámicas (también conocido como el término cortés de KSP para las alas arrancadas). Esto es malo.

Puede deducir eso usando física realmente simple usando un argumento de transferencia de impulso (que lo invito a hacer o buscar) y notará que está relacionado con la densidad, por lo que volar rápido en la atmósfera superior no es un gran problema ( aunque obtienes calefacción porque es más rápido que la velocidad del sonido allá arriba).

En la atmósfera inferior, es increíblemente malo y volar a cerca de Mach 1 cerca del suelo en KSP me llevó a 40,000 kPascales cerca del suelo (y alas arrancadas, ¿mencioné las alas arrancadas?). Más arriba, Mach 4/5 no fue un problema.

Cuanto más rápido vuele, más calor generará y más rápido necesitará volar para mantener la presión de aire en sus motores. Por el momento, la disipación de calor dentro de los motores supera con creces la capacidad de los motores para hacerles frente. Dado que eso se está resolviendo, después de eso, parece que el calor en la estructura del avión es el siguiente problema (Mach 4-6) y ambos limitan la velocidad a la que puede ir y también la altura (ya que no puede volar lo suficientemente rápido suficiente aire en los motores para subir más).

Por esta razón, el Skylon Concept, basado en el motor híbrido SABRE de Reaction Engines, vuela hasta 26 km a Mach 4/5 y después de eso funciona como un cohete.

Más allá de Mach 6. No creo que nadie sepa realmente qué sucede con el flujo de aire. Excepto la NASA. Alcanzan esas velocidades en los lanzamientos. Pero suceden algunas cosas extrañas, como cuando los límites de aire supersónicos chocan (esto hace que el escape del cohete, que es como un chorro de aire súper rápido que sale detrás del cohete, se ensanche, porque está interactuando con el cono de choque de aire de la nariz del cohete). En un estudio de factibilidad del Skylon, el único problema que la NASA encontró con el diseño fue que, con los motores en el medio de la nave, las columnas del cohete podrían expandirse y cocinar la cola de la aeronave a más de Mach 12, aunque un pequeño un poco de ajuste de la posición del motor podría hacer que el Skylon lo supere, pero con un peor control.

Por lo tanto, en términos de aeronaves que están en el futuro cercano, el diseño del Skylon es un vuelo controlado por debajo de los 26 km, pero a Mach 4/5, y un vuelo acelerado más allá, lo que es una mejora con respecto a todo lo que existe. Sin embargo, también se supone que el SR-72 propuesto será impulsado por Scramjet y nadie sabe cuáles serán sus especificaciones (o si se construirá), pero si funciona y vuela (recuerde que Scramjets necesita un mínimo de Mach 4 para trabajo), será el avión más rápido y más alto que jamás haya existido.

También vale la pena mencionar el avión Virgin Galactic, que utiliza un sistema de dos etapas, con un vuelo comercial económico hasta el techo y luego un componente de cohete a partir de ahí. Gracias a que el sistema es de dos etapas, las consideraciones de peso de tener dos sistemas de motor no importan (las consideraciones de peso significan que llevar dos motores es extremadamente antieconómico en la mayoría de los casos).

Reentrada

De acuerdo, esta es quizás una opinión personal por jugar demasiado KSP, pero estamos haciendo el reingreso de forma incorrecta. Entonces, escribí que está perfectamente bien volar en la atmósfera superior y, bueno, parece funcionar para mí, si tengo combustible.

Mencioné que todos los reingresos actuales usan un sistema de choque de proa. Esto hace que la onda de compresión de calor de velocidades Mach súper altas no toque la aeronave. Esto evita que el avión se derrita y, peor aún, explote.

La razón por la que se hace esto es que es muy, muy difícil llevar combustible al espacio, por lo que la mayoría de las naves espaciales aterrizan sin combustible a bordo. Esto significa que todos son efectivamente planeadores.

Si tiene la tecnología para vuelos espaciales avanzados (que asumiremos para esta sección), realmente no quiere hacer eso. De hecho, es súper fácil hacer una transición de vuelo o incluso usar muchos frenos de aire (que, de nuevo, las naves espaciales no llevan debido al peso). Diseñé muchos aviones espaciales en KSP que hacían exactamente eso e incluso logré hacerlo con un prototipo de Skylon en modo superrealista cuando no alcanzaba la velocidad orbital, pero se acercaba (nunca entré en órbita en modo de superrealismo con un avión espacial, siempre me faltaba un número de Mach o dos, haga de eso lo que quiera).

Voy a suponer que la forma realista por ahora se hace puramente de esa manera debido a consideraciones de peso y que el método de choque de proa es el método de planeo más seguro y mejor para usar cuando cada kilo cuenta (lo que sucede con los cohetes). (Nunca pude lograr una reentrada deslizante de manera segura, incluso en el indulgente análogo terrestre de Kerbin, que no fue impactado por el arco y estos tienen que ser empinados para evitar rebotar en la atmósfera en las etapas iniciales).

Si le queda algo de empuje en el reingreso (preferiblemente en combustible para cohetes, que no necesita la atmósfera para generar empuje) y algo de envergadura, puede saltar fácilmente sobre la superficie exterior de la atmósfera, reduciendo la velocidad suavemente hasta caes en regímenes de vuelo seguros para ingresar a la atmósfera inferior (hice esto mucho cuando me perdí el centro espacial en el reingreso). Sin embargo, es posible que desee tomar esta sección con un poco más de escepticismo que las demás.

La forma de las cosas - Diseño de aeronaves

Algo que también se sabe, si te metes en el diseño de aeronaves, es que los diseños de aeronaves varían según la velocidad a la que está diseñada para volar (el régimen de vuelo).

Si ves un planeador, esa es la forma óptima para un vuelo a baja velocidad. Las alas rectas grandes y anchas y un cuerpo que sea incluso vagamente aerodinámico servirán.

Los aviones comerciales son buenos diseños para aviones que vuelan a velocidades inferiores a Mach 1 pero cercanas. Se trata de alas grandes, ligeramente inclinadas y ligeramente inclinadas hacia atrás.

Los aviones supersónicos deben tener perfiles muy barridos para disipar el calor y la presión durante el vuelo supersónico y son muy elegantes.

A los aviones hipersónicos les gusta parecer cohetes, más o menos, con muy pocas alas y estas tan inclinadas hacia atrás para evitar problemas de calor y presión, con el cuerpo también extremadamente elegante y balístico.

El problema con el diseño de aviones espaciales es que tienes que diseñar un avión que pueda despegar y aterrizar (de modo que vuele muy despacio ya baja altitud), vuele a velocidades supersónicas y haga como un cohete.

El Concorde era un ejemplo de cómo volar a velocidades bajas y supersónicas, y el diseño era tan malo para vuelos a baja altura que, de no haber sido por un truco relacionado con las alas delta, nunca podría haber aterrizado en un aeropuerto comercial (este explica su tren de aterrizaje delantero de gran tamaño).

Tal como están las cosas, la mayoría de los jets militares supersónicos requieren pistas más largas para despegar y aterrizar, de modo que el avión pueda alcanzar la velocidad antes de despegar y use paracaídas para frenar.

El diseño de Skylon, por ejemplo, es tan malo para volar que necesita una pista de aterrizaje de 3 km y tendrá un sistema de refrigeración por agua para frenar si tiene que abortar, así de rápido irá en tierra y lo malo que es para volar. a bajas velocidades

De esta manera, volar a la atmósfera y volar de regreso es realmente más fácil que diseñar un avión para usar en toda la atmósfera, ya que no tiene que preocuparse por los molestos problemas de sustentación para aterrizar/despegar y puede mantener un perfil de alas muy pequeñas y en flecha hacia atrás ideal para vuelos a altas velocidades. O bien, podría usar un cuerpo autoelevador, como lo hizo la NASA para la prueba Scramject.

Conclusión

No podemos hacer muchas de estas cosas, pero estamos trabajando en ello. Es emocionante y así comprobar la vida para el progreso...

Aterrizar en la superficie de Venus sería fatal, pero flotar sobre la superficie en un dirigible estilo Zeppelin se ha discutido como un medio de visita. Las nubes de ácido sulfúrico complican las cosas, pero en un planeta similar a la Tierra, los pasos serían relativamente sencillos.

1. Entrar en la atmósfera como de costumbre
2. Usar la atmósfera para reducir la velocidad del vehículo a la velocidad de vuelo adecuada; requiere maniobras
3. Comience a inflar la parte del dirigible de la nave espacial
4. Dirija la nave espacial hacia arriba en un puesto cuando el dirigible alcance su capacidad máxima

El momento sería importante, al igual que los materiales y la forma de la nave espacial. La parte que no hemos hecho antes, el despliegue y el rápido inflado de un dirigible, es mucho menos complicada que construir una nave espacial.

Con la tecnología de propulsión actual, el combustible requerido para llegar al espacio es lo suficientemente pesado como para que una nave espacial deba reabastecerse cada vez. Además, el dirigible tendrá medios limitados de dirección, por lo que la utilidad de no aterrizar es cuestionable, pero tal vez el suelo sea lava.

Si tienes energía de sobra, seguro.

Si el vehículo puede sostenerse contra la gravedad solo con empuje durante largos períodos de tiempo, puede hacerlo sin maniobras complicadas. Eso solo requiere mucho empuje continuo. Sin embargo, no lo intentaría con una unidad de reacción, ya que ese tipo de maniobra será costosa. Sería más fácil si tuviera una unidad sin reacción como: unidad de impulso (Star Trek), sin inercia (Lensman), repulsión magnética (muchos extraterrestres de los años 50) o alguna otra unidad de ciencia ficción. De lo contrario, está limitado por la cantidad de masa de reacción que puede transportar.

Otra cosa que ayudaría sería una forma de minimizar las fuerzas G dentro de la nave. Eso hace que los cambios de velocidad sean más cómodos/sobrevivibles.

En términos muy simples, es mucho más fácil salir de la atmósfera si no aterrizas.

Para dejar la gravedad de un planeta, necesita velocidad: si ingresa a la atmósfera desde la órbita, entonces, por supuesto, disminuirá la velocidad debido a la resistencia, pero aún puede retener mucha velocidad, lo que facilita acelerar hasta la velocidad de salida. Si aterrizas, tendrás que empezar de nuevo desde cero (aunque, por supuesto, una vez que estés en tierra, es posible que puedas repostar).

Saliendo estrictamente de su pregunta original sin conocer sus comentarios, especifique más, entonces sí, es posible, y sí, probablemente tengamos la tecnología en este momento para hacerlo.

Si observa el cohete New Shepherd de Blue Origin, está diseñado para arder hacia arriba hasta que su apogeo esté por encima del límite del espacio, liberar la cápsula de la tripulación y luego deslizarse hasta que comience a caer de nuevo a la tierra, y luego hacer un aterrizaje quemado antes Tocando el suelo.

Si tuvieran que modificar un poco el cohete, agregar más empuje a los motores y MUCHO más combustible, podrían hacer volar todo el cohete hasta que llegue al espacio, volver a caer y, en lugar de aterrizar, seguir ardiendo y vuelve a subir y hazlo de nuevo, y potencialmente regresa y aterriza.

Sin embargo, hacer esto sería el equivalente a que un multimillonario sacara todo su dinero en efectivo y decidiera, en lugar de hacer algo útil con el dinero, simplemente encender un fósforo y ver cómo se quema.

La única razón por la que Jeff Bezos haría algo como esto sería romper el récord de "Vete a la mierda, Musk, lo hicimos primero porque podemos". en el mundo.

Una cosa que no he visto mencionada aquí es un escudo térmico inflable .

No dice mucho sobre lo que está tratando de hacer con su nave espacial que no aterriza, pero se podría usar un escudo térmico inflable (o simplemente desmontable) para llevar un cohete / avión espacial completamente lleno de combustible a la atmósfera. , aerofrenarlo a algún tipo de velocidad atmosférica manejable, separar la masa muerta e inútil del escudo térmico, luego permitir que acelere fuera de la atmósfera nuevamente.

Esta es estrictamente una solución de un solo disparo, pero posiblemente podría usarse, por ejemplo, para lanzar una nave de rescate a la atmósfera, recoger a un operativo varado usando un dispositivo de recuperación Fulton y luego subir rápidamente al operativo y regresar al espacio sin necesita una plataforma de lanzamiento.

No es un viaje que me gustaría tomar, no es reutilizable y no será barato, pero es algo casi factible...

Sí, puede construir un sistema de disparo de 4 o 2 bordes para mantener la presión atmosférica a lo largo de la nave espacial. Entonces puede actuar como un transbordador al proporcionar suficiente presión dentro del puente, lo que le permite actuar como una nave espacial tanto de ida como de vuelta.