¿Por qué las naves espaciales se calientan al entrar en la tierra pero no al salir?

El calentamiento aerodinámico depende de qué tan densa sea la atmósfera y qué tan rápido te muevas a través de ella; el aire denso y la alta velocidad significan más calefacción. Cuando se lanza el cohete, parte de una velocidad cero en la parte de la atmósfera que es más densa y acelera hacia aire progresivamente menos denso; por lo tanto, durante el perfil de lanzamiento, la cantidad de calentamiento atmosférico es pequeña. Al volver a entrar, desciende a la atmósfera comenzando no a velocidad cero sino a su velocidad orbital, y a medida que cae hacia la Tierra, aumenta la velocidad a medida que disminuye el radio de su órbita. En el momento en que se encuentra con aire lo suficientemente denso como para causar calentamiento, se está moviendo a una velocidad tremenda y se calienta mucho, mucho.

Recientemente leí sobre naves espaciales que ingresan a la Tierra usando un escudo térmico. Sin embargo, al salir de la atmósfera terrestre, no se calienta, por lo que no necesita un escudo térmico. ¿Por qué esto es tan?

Una nave espacial en el lanzamiento se calienta, pero no en la medida en que lo hace en el reingreso. Y se calienta por la misma razón : arrastre atmosférico , que incluye la compresión adiabática del aire y la fricción atmosférica. La diferencia clave entre el lanzamiento y el reingreso es que son dos perfiles de vuelo diferentes destinados a optimizar la variable de arrastre (menos arrastre en el lanzamiento, más arrastre en el reingreso). ( Esta es una declaración simplificada para abordar la pregunta del OP con respecto a la calefacción del vehículo: el lanzamiento real de cohetes y la dinámica de reentrada son optimizaciones de múltiples variables ) .

En el lanzamiento, el cohete pasa la parte inicial del vuelo tratando de ganar altitud para ingresar a la atmósfera superior, donde el aire es menos denso. Luego cambia a un régimen de velocidad lateral para obtener la velocidad lateral necesaria para obtener la órbita. El perfil del cohete intenta minimizar la resistencia, ya que es una pérdida de combustible. Menos arrastre = menos calentamiento.

Mira el perfil de lanzamiento a continuación. Verá los momentos iniciales del lanzamiento, el cohete no se mueve mucho hacia abajo, en relación con su altitud. Es en las últimas porciones de vuelo que comienza a viajar lateralmente una vez que ha salido de la densa porción inferior de la atmósfera. Incluso puede ver que las fuerzas aerodinámicas máximas Max-Q(arrastre) se experimentan muy bajas en la atmósfera, principalmente debido a la densidad del aire.

Entonces sé que al entrar en la tierra, la nave espacial se calentará debido a varias fuerzas como la gravedad y el arrastre y la fricción que actúan sobre ella, lo que hace que se caliente.

En el reingreso, el perfil de vuelo se optimiza para experimentar una mayor resistencia al tiempo que se mantiene un nivel de deceleración y carga térmica apto para sobrevivir . Hacen esto porque el vehículo necesita perder velocidad orbital (del orden de 16,000 mph) y la forma más económica de hacerlo es dejar que la resistencia atmosférica lo frene. La técnica se llama aerofrenado . Debido a que han diseñado el perfil de vuelo para generar una mayor resistencia (en comparación con el lanzamiento) y debido a la velocidad con la que penetra en la atmósfera, experimenta una acumulación de calor mucho mayor que en el lanzamiento. Más arrastre, más velocidad = más calentamiento.

El calor generado simplemente proviene de la conservación de la energía. La velocidad del vehículo se desprende como calor a través de la ablación (del escudo de reentrada), la compresión adiabática del aire y otros efectos. La energía cinética del vehículo se transforma en energía térmica, lo que provoca la pérdida de velocidad. Al igual que en tu coche, cuando frena, los frenos se habrán calentado mucho porque han convertido la temperatura KEdel vehículo en energía térmica.

Ahora mire los perfiles de reingreso a continuación. Te das cuenta de que tienen una parte casi nivelada en el medio. Ahí es donde se realiza la maniobra de aerofrenado.

Si no usaban aerofrenado, entonces el vehículo tendría que llevar suficiente combustible para cohetes para disparar en contra de la dirección del movimiento hasta que la velocidad relativa fuera lo suficientemente lenta como para bajar sin calentarse y/o desintegrarse el vehículo. Entonces, este método de aterrizaje, sin aerofrenado, es posible (así es como aterrizamos en lunas sin aire), pero extremadamente ineficiente.

Velocidad y eficiencia.

Un objeto que intenta entrar en órbita viajará en una parábola bastante empinada. Cuanto más tiempo pases en la atmósfera, más energía perderás para arrastrar, y cuanto más pierdas para arrastrar, más combustible necesitarás. Entonces, una estrategia sólida para alcanzar la órbita es llegar a la órbita objetivo con una curva mínima y luego quemar hasta que tenga la velocidad lateral correcta. Parte de la razón de esto es que aumentar su velocidad orbital afecta su altitud a 180 grados de distancia, en el lado opuesto de su órbita.

Un objeto que está saliendo de órbita perderá velocidad (urg, vea la nota de edición 1) y generalmente querrá usar la atmósfera para ayudarlo a frenar, ya que el combustible para frenar es el combustible más caro en el viaje. Eso significa que está ingresando a la atmósfera con gran parte de su velocidad orbital restante, y necesita al menos 8 km / s para permanecer en una órbita baja. Cuando viaja tan rápido, el aire simplemente no puede salir de su camino lo suficientemente rápido, y cada vez que comprime algo, también lo calienta.

O si quieres una respuesta más simple: el calentamiento debido a la atmósfera te cuesta energía, debes evitar eso tanto como sea posible al subir y aprovecharlo al volver a bajar.

Lo siento si esta respuesta suena inconexa. https://what-if.xkcd.com/58/ entra en muchos más detalles de los que puedo aquí y con una autoridad considerablemente mejor que la que tengo sobre el tema. También es posible que desee leer https://what-if.xkcd.com/24/ y https://what-if.xkcd.com/28/ para obtener más información sobre los perfiles de lanzamiento y reingreso, respectivamente. .

Nota de edición 1: Supongo que debería ser más claro en esto... un objeto que intenta salir de órbita está tratando de perder velocidad, pero no es exacto decir que está desacelerando todo el tiempo.

Durante la primera parte de una salida de órbita, el objeto disminuye su aceleración mientras su velocidad aumenta, no comienza a desacelerar correctamente hasta que es bastante suborbital. Sin embargo, es probable que ese sea el punto en el que el aerofrenado está haciendo su trabajo, en algún lugar en el área de 40-60 km. Exactamente dónde está la velocidad máxima depende de muchas cosas, incluida la velocidad terminal del objeto y la cantidad de combustible que debe consumir.

El punto que estaba tratando mal de hacer es que un objeto que quiere salir de órbita también quiere perder velocidad para que eso suceda de una manera menos destructiva.

En el lanzamiento, el cambio de velocidad lo proporcionan los motores de los cohetes. A medida que el cohete vuela, arroja masa en forma de escape del cohete; por lo general, más del 90% de la masa inicial del cohete es propulsor. Debido a que el empuje permanece casi constante mientras que la masa disminuye, la aceleración aumenta durante el transcurso del lanzamiento¹, por lo que gran parte del aumento de la velocidad se produce al final del vuelo, cuando el cohete está fuera de la parte más densa de la atmósfera, por lo que se genera mucho menos calor de compresión. generado (aunque David Hammen tiene razón en que el carenado de carga útil requiere una atención significativa al diseño térmico). La aceleración a la velocidad orbital ocurre durante un período de tiempo bastante largo, generalmente de 10 a 15 minutos, según el diseño del lanzador.

Al volver a entrar, el cambio de velocidad lo proporciona la resistencia del aire; esto obviamente no puede ocurrir hasta que la nave espacial que vuelve a entrar se encuentre en una atmósfera relativamente densa. Una vez que comienza a desacelerarse significativamente, hay un efecto de retroalimentación positiva; a medida que la velocidad horizontal de la nave disminuye, pierde altitud más rápidamente², llevándola a un aire más denso, que la desacelera aún más rápidamente. Debido a esto, la gran mayoría de la desaceleración ocurre en un período de tiempo muy corto, alrededor de dos minutos. Toda la energía cinética asociada con la velocidad orbital se convierte en calor en ese período.

¹ La mayoría de los cohetes reales son de varias etapas, lo que complica esto, pero sigue siendo fiel a una aproximación aproximada.

² Complicado en las naves del mundo real por los efectos de sustentación, que cancelan parte de la pérdida de altitud o incluso la invierten en trayectorias de salto de entrada, lo que permite que la fase de reingreso se prolongue en el tiempo, lo que reduce la fuerza g en la tripulación y la temperatura máxima del fuselaje, pero extendiendo la duración total del calentamiento y el estrés.

En teoría, no hay absolutamente ninguna necesidad de calentar una nave espacial .

Esencialmente, podemos mover la nave espacial como una pluma en órbita, verticalmente hacia arriba y hacia abajo... teóricamente . Las otras respuestas no dicen esto explícitamente.

Pero hay un problema muy feo para los ingenieros, la ecuación del cohete Tsiolkovsky y el pozo de gravedad muy profundo de la tierra.

$v_e$está limitada por los propulsores que estamos usando. Realmente estamos usando propulsores químicos casi óptimos con hidrógeno/oxígeno (queroseno para la etapa más baja), por lo que no es posible una optimización real.

$ln \frac{m0}{mf}$también está optimizado en la medida de lo posible, los cohetes se reducen al mínimo absoluto, pero una proporción de 10: 1 está al borde de los límites técnicos.

A pesar de todas las optimizaciones, esto todavía no es suficiente para abandonar la Tierra .

Así que necesitamos varias etapas para alcanzar la órbita. Entonces podemos finalmente salir de la Tierra, pero... ¿cómo regresamos? Necesitaríamos combustible para reducir la velocidad nuevamente, pero realmente no tenemos combustible de sobra.

Entonces, los ingenieros decidieron usar la entrada atmosférica para reducir la velocidad de la nave espacial con un escudo térmico. Un método más suave es el aerofrenado para reducir la velocidad con varias pasadas por la atmósfera. Si tuviéramos una nave antorcha que no funciona con las limitaciones de los cohetes, sería algo muy bueno porque no necesitaríamos la peligrosa e innecesaria fase de reingreso.

Si bien ya se ha respondido correctamente, una sugerencia para tener una mejor idea: el juego Kerbal Space Program . Si bien ciertamente no es una simulación perfecta de un vuelo espacial, es lo suficientemente bueno como para darle una idea bastante buena de la mayor parte.

Gira demasiado pronto y tu cohete se sobrecalienta y se hace pedazos. Incluso volando lo que MechJeb (un mod muy popular) dice que es una trayectoria óptima, obtienes una cantidad apreciable de calentamiento a medida que se desplaza horizontalmente en las franjas de la atmósfera.

Si bien esto puede parecer un desperdicio, algunos experimentos con el lanzamiento del mismo cohete una y otra vez con diferentes parámetros muestran que el calentamiento le cuesta menos combustible que subir más alto primero. El frente liso del cohete es un factor importante aquí, si está tratando de volar una abominación que no presenta una cara lisa a la corriente de aire (el despliegue solo es efectivo a nivel de partes individuales. Combine eso con la necesidad de un gran distancia entre ejes para hacer un rover razonablemente estable en mundos de baja g y puede terminar con rovers que no puede obtener en un carenado) necesita ir más lejos antes de girar.

De hecho, las naves espaciales se calientan cuando abandonan la atmósfera. Sufren un calentamiento aerodinámico como todo lo demás. Sin embargo, hay una gran diferencia: la dirección. A medida que acelera hacia arriba, viaja a través de una atmósfera cada vez más delgada, más y más rápido. Estos se anulan parcialmente entre sí, manteniendo un calentamiento razonable. En el camino hacia abajo, viaja a una atmósfera cada vez más espesa y debe disipar el calor a medida que avanza.

Si fuera, digamos, disparado desde un cañón de riel, experimentaría el mayor calentamiento al principio, donde va muy rápido a bajas altitudes (atmósfera espesa).

Si cree que el reingreso debería ser más simétrico con el lanzamiento en términos de calentamiento, considere esto: en la parte inferior del cohete que se lanza hay una gran bola de fuego furioso que es al menos tan caliente como el reingreso.

Cuando un objeto que orbita la Tierra entra en la trayectoria descendente de reentrada, tiene una gran velocidad, por lo tanto, una gran energía cinética y también tiene una energía potencial de aproximadamente mgh. Debido a que 100 km es una fracción de 6,7 k kilómetros de radio de la Tierra, podemos asumir el potencial energía como la ecuación anterior. Para una órbita de 100 kilómetros de altitud esta velocidad es de aproximadamente 8 km/s.

Entonces, la energía de la nave espacial E = 1/2 m (masa orbital) * V ^ 2 + mg100 km

¡Y casi toda esta energía, menos las pequeñas velocidades del orden de 0,1 km/s cuando se despliegan los paracaídas, debe ser disipada por la fricción de la atmósfera terrestre! Para empeorar las cosas, la densidad de la atmósfera no será significativa hasta que una capa muy delgada de aire comience a unos 50 km de altitud y aumente gradualmente hasta el nivel del mar. ¡Esta enorme fricción en el escudo térmico de la nave espacial durante un período de tiempo muy corto crea un calor extremo y temperaturas muy altas!

Sin embargo, durante el despegue y el ascenso, el cohete y la nave espacial viajan inicialmente a través de densos estratos de aire muy lentamente y, a medida que aumenta la velocidad, el aire se diluye inversamente, ¡por lo tanto, la fricción se mantiene en niveles tolerables!

No creo que nadie haya mencionado todavía la gran impotencia de la sustentación aerodinámica. El transbordador espacial es un vehículo alado que puede planear y, aunque su relación sustentación/arrastre es muy pequeña (menos de 1,0), puede lograr una trayectoria de planeo muy plana a medida que desacelera. De esta manera, puede quemar gran parte de su velocidad mientras aún está en la parte superior de la atmósfera y viajar mucho más lento cuando golpea el aire más denso. Rentry sin ascensor se llama balístico. Crea fuerzas g y velocidades de calentamiento mucho mayores.

La nave espacial que despega ya está fuera de la estratosfera cuando tiene la velocidad que poseen las naves espaciales de reingreso cuando ingresan a la estratosfera. La estratosfera solo se extiende unas 100 millas sobre el nivel del mar.

Dado que un cohete despega verticalmente, despejará la estratosfera en menos de 8 minutos y mucho antes de que tenga la velocidad para causar una fricción apreciable en dicha parte de la atmósfera.

La nave espacial de reentrada, por otro lado, está utilizando la atmósfera para reducir la velocidad orbital. Necesita reducir la velocidad de 8 a 10 km/seg a una velocidad mucho más lenta para desplegar el paracaídas o aterrizar en una pista extendida. Esta es una reducción muy significativa en la velocidad y la fricción en la atmósfera es lo que logra esta reducción. Dado que la fricción genera calor y tendrá que pasar un tiempo considerable en la atmósfera para reducir la velocidad, es necesario un escudo térmico de mosaico evaporativo.