Si una nave aumentara el área de superficie donde se hace contacto con el aire durante la reentrada, me imagino que la cantidad de calor por unidad de área disminuiría, lo que haría que el uso de escudos térmicos (pesados) fuera un problema menor. Probablemente vendría a expensas de mayores fuerzas g, ¿es el factor limitante? Si no, ¿ dónde me equivoco ?
He trabajado mucho sobre este tema con investigadores e ingenieros en JPL, NASA Langley y NASA Ames. Hay algunas cosas interesantes que surgen del modelado CFM (mecánica de fluidos computacional) de alta fidelidad de entradas o reentradas, y también de la experiencia de vuelo. Este segmento tutorial de la FAA es una buena referencia general para los principios involucrados.
No existe una sola circunstancia de entrada (velocidad de entrada relativa a la atmósfera, ángulo de trayectoria de vuelo de entrada, perfil de temperatura atmosférica, composición atmosférica, etc.) que indique sin ambigüedades cuáles son las condiciones de entrada (perfil de flujo de calor, flujo de calor máximo, carga de calor integrada, fuerza de inercia perfil [perfil de "carga g"], perfil de presión de estancamiento, etc.). Es un problema multivariado.
Una de las circunstancias de entrada importantes es el coeficiente balístico del vehículo , la masa del vehículo dividida por su área efectiva, es decir, el área frontal real multiplicada por el coeficiente de arrastre. Este documento en línea de Dinesh Prabhu (uno de mis colegas de Ames) muestra un tipo de gráfico que usan mucho, este específico para una entrada a la Tierra y geometría de escudo térmico. Los ejes son dos circunstancias de entrada: ángulo de trayectoria de vuelo de entrada y coeficiente balístico . Los tres conjuntos de curvas que puede leer en ese gráfico son condiciones de entrada: tasa máxima de calentamiento, carga de calor integrada y tasa máxima de desaceleración en g.
Un resultado interesante es que para una atmósfera exponencial sin grandes desviaciones del perfil de temperatura típico, ¡ el perfil de desaceleración es solo levemente sensible al coeficiente balístico! "¿¿Como puede ser??" tu dices. Como señaló @Uwe, un área de superficie más grande para aproximadamente la misma masa (y, por lo tanto, un coeficiente balístico más bajo) producirá una mayor fuerza de arrastre, por lo tanto, una mayor tasa de desaceleración.
Si las velocidades y las densidades del aire son las mismas.
Pero no lo son. El vehículo con el coeficiente balístico más bajo comienza a experimentar una desaceleración no trivial a densidades atmosféricas más bajas y, por lo tanto, a altitudes más altas. En el momento en que llega a la altitud donde el más alto vehículo está experimentando una desaceleración no trivial, la parte inferior el vehículo ahora viaja más lento.
El resultado neto es que para la parte inferior vehculo el perfil de tiempo de desaceleracin se parece mucho a la de la mayor- vehículo, justo antes y en altitudes más altas. Esto significa que la parte inferior la desaceleración del vehículo es, en promedio, en una atmósfera menos densa, por lo que la tasa de calentamiento y la carga de calor integrada por unidad de área ciertamente disminuyen.
Este hecho ha llevado al concepto de "ballute" para la entrada atmosférica y la aerocaptura (artículos de ejemplo aquí , aquí y aquí ). El concepto fundamental es que utiliza una estructura similar a un globo para crear un área de superficie enorme , por lo que la mayor parte de la desaceleración ocurre a altitudes muy altas y con densidades atmosféricas muy bajas, por lo que las tasas de calentamiento y las cargas de calor son mucho más bajas. Si bajan lo suficiente, los materiales flexibles pueden manejarlos, por lo que el sistema de desaceleración puede encerrarse en un contenedor relativamente pequeño hasta que se necesite, y su masa total es menor que la de un sistema que debe manejar entornos de calefacción más desafiantes.
La NASA y sus colaboradores todavía están buscando un material que sea lo suficientemente liviano, lo suficientemente flexible y lo suficientemente resistente al calor para que pueda construir un globo que realmente ahorre masa. Durante un tiempo estuvieron considerando el polibenzoxazol , pero descubrieron que había problemas en la fabricación de láminas delgadas, flexibles y uniformes . La búsqueda continúa.
Hay una cantidad fija de energía que tiene que ser disipada. Hasta cierto punto, puede elegir qué tan rápido se hace esto: una mayor resistencia del aire (ya sea entrando en un aire más espeso o teniendo una superficie más grande) lo disipa más rápido, con fuerzas g más altas. Menos resistencia del aire lo disipa más lentamente, pero debes asegurarte de deshacerte de él antes de tocar el suelo. Elegir una disipación más lenta (o al menos no más rápida) con un área más grande (por ejemplo, un vehículo puntiagudo con alas que distribuye la carga a lo largo de los lados y las alas) significará que puede usar un escudo térmico más liviano por unidad de área, pero necesita más, por lo que podría ser más pesado en general. Finalmente, la estabilidad aerodinámica en una amplia gama de velocidades puede limitar las formas que puede usar.
uwe
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