¿Por qué los humanos no se queman mientras se lanzan en paracaídas, mientras que los cohetes sí lo hacen al volver a entrar?

La velocidad de reentrada desde LEO es$~7,800 \frac m s$, desde el espacio lunar es tan alto como$~11,000 \frac m s$[1].

Diferentes libros dan la velocidad terminal de un paracaidista como aproximadamente$56 \frac m s$o$75 \frac m s$[2, 3]. El valor exacto no es importante, pero el hecho de que sea dos potencias de diez más pequeñas que la velocidad de reentrada sí lo es.

La diferencia entre el paracaidismo y el reingreso es que para orbitar, debes ir muy rápido hacia los lados. Básicamente, caes tan rápido de lado que pierdes el suelo cuando caes hacia él ( ver xkcd relacionado ). Un paracaidista, ya sea que se sumerja desde un avión o un globo, tiene solo una velocidad horizontal marginal y una velocidad vertical casi nula para empezar. Luego, el paracaidista acelera a la velocidad terminal, que es bastante lenta en comparación con la velocidad de reingreso (ver arriba).

En comparación, la cápsula Apolo tenía una velocidad terminal de$150 \frac m s$a$7,300 \ m$altitud. Es a partir de ese momento que Apolo se comporta como un paracaidista. Se tiran paracaídas de caída que reducen la velocidad de la nave para$80 \frac m s$, y luego, finalmente, las rampas principales que reducen la velocidad de la embarcación para$8.5\frac m s$[4].

Pero esa es solo la última fase del vuelo. Necesitas de alguna manera reducir la velocidad de$7,800 \frac m s$a$150 \frac m s$primero y descenso desde el espacio a las profundidades de la atmósfera. Crear toboganes que puedan soportar eso y que sean lo suficientemente grandes como para reducir la velocidad de la nave lo suficiente como para que en lo alto de la atmósfera simplemente no sea factible desde el punto de vista de la ingeniería, e incluso si lo fuera, probablemente sería prohibitivo por un peso/delta- punto de vista v.

La primera etapa del Falcon 9 no tiene problemas con el calentamiento de reentrada, aunque también llega al espacio. Pero esa etapa no alcanza la velocidad orbital. solo se trata$2,000\frac m s$en la separación, que es lo suficientemente lenta como para que el calentamiento no sea un problema cuando se reduce (consulte esta pregunta en Space StackExchange ).

1: Entrada Atmosférica. Wikipedia, la enciclopedia libre.
2: Tipler, Paul A. Física universitaria. Nueva York: Worth, 1987: 105.
3: Bueche, Fredrick. Principios de la Física. Nueva York: McGraw Hill, 1977: 64.
4: W. David Woods. Cómo voló Apolo a la Luna. Springer, 2008: 371.

Las distancias y velocidades involucradas son materialmente diferentes. En la escala de un salto en paracaídas, la densidad atmosférica no cambia mucho (y es relativamente alta). Un paracaidista alcanza rápidamente una velocidad terminal en la que la resistencia del aire coincide con la atracción de la gravedad.

En una reentrada, te acercas en una atmósfera mucho menos densa y vas mucho más rápido. A estas velocidades, el arrastre te calienta mucho más rápido. Además, estás chocando contra la atmósfera, y eso significa que estás aumentando la resistencia. Entre estos efectos, se ve sustancialmente más calentamiento. Un paracaidista que cae desde la órbita tendría los mismos problemas para quemarse.

Hay algunas cosas interesantes que se hacen con respecto a las maniobras de reingreso. Los chinos tenían un orbitador lunar que saltó de la atmósfera. La idea era sencilla. Si el orbitador volviera a entrar en nuestra atmósfera directamente, recibiría demasiado calor. En cambio, se le permitió simplemente ingresar a los bordes superiores enrarecidos de nuestra atmósfera, desangrar parte de su velocidad (en calor) antes de saltar de la atmósfera de manera similar a una piedra en un estanque. Esto le dio tiempo para deshacerse de algo de ese calor antes de que un segundo reingreso lo derribara de manera segura.

Un paracaidismo humano desde$h=4000\,\mathrm m$(cf. http://adventure.howstuffworks.com/skydiving1.htm ) necesita deshacerse de su energía potencial$mgh$. Si asumimos que toda esta energía se utiliza para calentar uniformemente al paracaidista, que consiste esencialmente en agua con su conocida capacidad calorífica específica$c_{H_2O}=4182\frac{\mathrm J}{\mathrm{kg}\cdot \mathrm{K}}$, la temperatura aumenta en

Tenga en cuenta que la masa del paracaidista no entró en la estimación simple anterior, solo la altura de observación y el calor específico.

Una nave espacial que vuelve a entrar, por otro lado, no solo comienza desde una altitud más alta (más de 100 kilómetros), sino que además tiene que deshacerse de su energía cinética sustancial. Si no queremos buscar los números de la velocidad orbital, intentemos de memoria. Uno siempre escucha que una órbita toma alrededor de 90 minutos, por lo que la velocidad debe ser al menos (usando la circunferencia de la Tierra un poco más pequeña)$v\ge \frac{40000\,\mathrm{km}}{5400\,\mathrm s}\approx 7400\,\frac{\mathrm m}{\mathrm s}$, entonces la energía por kilogramo de masa es$\frac12v^2\approx 55\,\frac{\mathrm{MJ}}{\mathrm{kg}}$. Vemos que esto es mucho, mucho más que el mero$40\,\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg}}$de nuestro paracaidista.

La nave espacial podría deshacerse de gran parte de la energía cinética usando su motor de cohete, pero eso sería imprudente: se necesitó una gran cantidad de combustible para poner el cohete en órbita en primer lugar (o más bien: en velocidad orbital , después de todo ). la energía potencial es pequeña comparada con la energía cinética en órbita terrestre baja); por lo tanto, se necesita (casi) tanto combustible para lograr el mismo$\Delta v$al reingresar. Pero para tener tanto combustible disponible en órbita, debe haber sido transportado allí en primer lugar. Esto no es factible debido a la relación combustible-carga útil.

Como explicaron otros, la velocidad máxima de un paracaidista es mucho menor que la de los vehículos orbitales. Pero esto se debe a que los paracaidistas saltan desde una altura relativamente pequeña: los saltos récord de Eustace ( https://en.wikipedia.org/wiki/Alan_Eustace ) y Baumgartner ( https://en.wikipedia.org/wiki/Felix_Baumgartner) se realizaron desde una altura de unos 40 km, y la velocidad máxima fue de unos 1,3 km/s, mientras que la velocidad orbital es de unos 7,9 km/s. @Cort Ammon dijo que "un paracaidista que cae desde la órbita tendría los mismos problemas para quemarse". Eso es correcto asumiendo que el paracaidista que cae desde la órbita tiene una velocidad orbital. Sin embargo, la altura de la órbita baja (digamos, 150-200 km) es comparable a la altura récord de los saltos en paracaídas. Si un paracaidista se dejara caer desde tal altura orbital con una velocidad inicial cero, su velocidad máxima sería mucho menor que la velocidad orbital. Para lograr una velocidad comparable a la velocidad orbital, un paracaidista tendría que dejarse caer desde una altura comparable al radio de la Tierra (alrededor de 6000 km).