¿Rebotar en la atmósfera en el reingreso?

Sí, una cápsula no puede rebotar literalmente en la atmósfera y su energía cinética debe reducirse por un encuentro con la atmósfera, sino que simplemente atravesaría la atmósfera y regresaría al espacio, sin haber perdido la velocidad suficiente para permanecer en la atmósfera. Después de dar una vuelta parcial al planeta, volverá a entrar en la atmósfera, ahí es donde radica el verdadero problema, la cápsula caerá en el lugar equivocado en el momento equivocado. También puede haber problemas con el agotamiento de las reservas de energía/oxígeno o la falla del escudo térmico, por ejemplo, el diseño puede requerir desechar el escudo térmico para deshacerse del calor acumulado, o depender de la convección en la atmósfera para enfriar el recipiente. Entonces, hay muchas cosas que podrían salir mal si la nave regresa al espacio en lugar de adentrarse en la atmósfera.

Dicho esto, hay algo de falta de terminología precisa y cotidiana para describir el problema de una manera concisa y la gente común no entiende la distinción entre "en órbita" y "en lo alto" de todos modos, la cápsula literalmente regresaría alto en el espacio, y con el encuadre correcto (es decir, un gráfico de altitud frente a tiempo), la trayectoria se vería como un rebote.

La conservación de energía también es válida para las órbitas. Necesitas energía para ir de una órbita más baja a una más alta.

Pero el "rebote" de la atmósfera no agrega energía, algo de energía se pierde por la fricción del aire. Finalmente, abandonará la órbita de todos modos cuando ingrese a la atmósfera superior, incluso por un breve período de tiempo debido a una órbita elíptica. Si no en la primera vez, entonces en las próximas veces en el punto más bajo de la órbita elíptica. Cada paso corto de la atmósfera tomará parte de la energía de la órbita nuevamente. Eliminar algo de la energía de la órbita da como resultado una órbita más baja. Si finalmente la órbita es demasiado baja, la reentrada es inevitable. Pero un reingreso retrasado puede ser peligroso para la tripulación, las reservas de energía eléctrica y oxígeno para la cápsula son muy limitadas.

tl; dr: una entrada atmosférica siempre pierde energía, pero a veces no lo suficiente como para mantener el vehículo / cápsula / meteoro entrante atrapado en la atmósfera. Es posible que la entrada cambie la órbita de modo que vuelva a aparecer por encima de la atmósfera en una órbita de menor energía que antes, lo que podría volver a cruzarse con la atmósfera, o aún podría estar por encima de la velocidad de escape y nunca regresar.

De la experiencia con simuladores de vuelos espaciales, específicamente Orbiter:

El transbordador espacial tenía tendencia a rebotar. Todo el mundo dice que es un "ladrillo volador", lo que significa que no vuela bien. En realidad es un gran avión en su rango de diseño... es solo que su rango de diseño es mach 10+. El perfil de entrada nominal es entrar en la atmósfera a más de 7000 m/s en horizontal y unos -150 m/s en vertical, con un alcance de unos 4000 km, con las alas niveladas y un ángulo de ataque de unos 40 grados con el morro hacia arriba. Si el vehículo mantuviera esta actitud de alas niveladas, generaría tanta sustentación que cancelaría rápidamente la velocidad descendente y comenzaría a subir. Dado que la nave espacial todavía está casi en órbita, todavía tiene casi toda su velocidad horizontal y la aceleración efectiva de la gravedad es bastante baja y no se necesita mucha sustentación para comenzar a volar de regreso. Literalmente es casi como una pared a 80 km de altitud. Si esta actitud continúa, la nave espacial comenzará a volar, aún a una velocidad casi orbital, y formará un arco muy por encima del lugar de aterrizaje. Nunca traté de estirar el planeo tanto como pude, pero basándome en mi experiencia, diría que probablemente no volvería a entrar en la atmósfera hasta que hubiera pasado miles de kilómetros del lugar de aterrizaje y rebotara de nuevo. Cada vez se perdería energía, por lo que la altitud orbital promedio (semieje mayor) disminuiría continuamente. Eventualmente, no rebotaría lo suficientemente alto como para volver al espacio y terminaría de entrar, después de haber dado un salto al otro lado del mundo. pero basándome en mi experiencia, diría que probablemente no volvería a entrar en la atmósfera hasta que hubiera pasado miles de kilómetros del lugar de aterrizaje y rebotara de nuevo. Cada vez se perdería energía, por lo que la altitud orbital promedio (semieje mayor) disminuiría continuamente. Eventualmente, no rebotaría lo suficientemente alto como para volver al espacio y terminaría de entrar, después de haber dado un salto al otro lado del mundo. pero basándome en mi experiencia, diría que probablemente no volvería a entrar en la atmósfera hasta que hubiera pasado miles de kilómetros del lugar de aterrizaje y rebotara de nuevo. Cada vez se perdería energía, por lo que la altitud orbital promedio (semieje mayor) disminuiría continuamente. Eventualmente, no rebotaría lo suficientemente alto como para volver al espacio y terminaría de entrar, después de haber dado un salto al otro lado del mundo.

Dado que esto no es lo que se desea, existen, por supuesto, trucos para evitar los saltos. La definición técnica de sustentación es la parte de las fuerzas aerodinámicas perpendiculares a la dirección del movimiento, al igual que la resistencia es la parte antiparalela al movimiento. La palabra inglesa "ascensor" implica "arriba", pero la definición matemática no lo hace: el ascensor se puede dirigir en cualquier dirección perpendicular a la trayectoria de vuelo.

La sustentación podría cambiarse cambiando el ángulo de ataque, pero hay muchos compromisos entre la estructura de las alas, la colocación de las placas de protección térmica, etc., que tienden a hacer que sea preferible mantener el ángulo de morro hacia arriba de 40 grados. ataque.

Entonces, lo que hizo el transbordador, justo después de la entrada, se inclinó casi 90 grados, de modo que su vector de elevación es casi horizontal. Mantuvo suficiente sustentación en la dirección vertical para controlar la tasa de caída. Si el barco necesitara más resistencia, se inclinaría más para hundirse más rápido y hundirse en el aire más denso más abajo. Por el contrario, si necesitara menos resistencia, se inclinaría menos. A medida que la nave disminuía la velocidad, la sustentación total disminuía (y aumentaba la aceleración efectiva de la gravedad), por lo que tenía que rodar más cerca del nivel de las alas para mantener suficiente sustentación vertical.

Apolo, aunque no tiene ala, tenía un centro de masa fuera del eje. Esto significaba que la cápsula entraría en ángulo y, efectivamente, toda la parte inferior del escudo térmico sería una gran ala circular. Luego se controla de la misma manera, mediante la inclinación para controlar la cantidad de elevación vertical. Esto se llama entrada de elevación, y todas las cápsulas tripuladas modernas hacen algo como esto. Al regresar de la luna, la nave espacial volaba a una velocidad superior a la de escape, por lo que si se elevaba fuera de la atmósfera, podría entrar en una órbita muy alta, tal vez lo suficientemente alta como para tardar horas o días en regresar. (Teniendo en cuenta que en este punto el módulo de servicio ya se había separado y que la energía y el soporte vital restantes eran solo unos minutos, eso habría sido un mal día). Entonces, la guía de Apolo fue diseñada para controlar la resistencia como primera prioridad hasta que estuvo por debajo de la velocidad de la órbita circular local, momento en el cual se consideró capturado e incapaz de rebotar. Luego cambió el enfoque para apuntar a un sitio de amerizaje en particular.

La alternativa para una cápsula es no tener ningún desplazamiento del centro de masa. Esto se conoce como entrada balística (a diferencia de la entrada de elevación anterior). Algunos de los módulos de aterrizaje de Marte utilizaron esto, así como las cápsulas de entrada esféricas originales Vostok y Venera. Este diseño no genera ninguna sustentación y, por lo tanto, nunca corre el peligro de saltarse.

De manera similar, esperaría que un meteoro natural ordinario no tenga una elevación significativa y no esté en peligro de saltarse. Los meteoritos a veces pasan a través de la atmósfera superior con su perigeo original en la atmósfera pero por encima del suelo. A veces, el perigeo es lo suficientemente alto como para que, mientras el meteorito arde y brille, no pierda la velocidad suficiente para dejar caer el perigeo al nivel del suelo y, por lo tanto, regresa al espacio en una órbita de menor energía (pero quizás aún escapando). Te dejo a ti juzgar si consideras que esto "rebota" en la atmósfera, pero yo no.

Las cápsulas tripuladas tienden a usar la entrada por elevación, por una variedad de razones. Primero, es más controlable y, por lo tanto, más fácil/posible apuntar a un sitio de aterrizaje de precisión. En segundo lugar, debido a que se eleva, pasa más tiempo más alto en la atmósfera en aire más delgado de lo que lo haría de otra manera. Esto le permite entrar con menos aceleración de lo que lo haría de otra manera. El transbordador espacial que llega desde la órbita terrestre baja rara vez sintió aceleraciones superiores a 1,5 g, mientras que una entrada balística incluso en la ruta más superficial desde la órbita más baja alcanzará más de 8 g.

La Soyuz está diseñada para usar cualquiera de los dos modos: normalmente usa la entrada por elevación, pero puede volver a la entrada balística bajo ciertas condiciones (generalmente fallas). No es divertido ingresar con más de 8 g, y significa renunciar a la capacidad de control, pero la capacidad de Soyuz para resistir una entrada balística se ha utilizado cuatro veces y ha salvado tripulaciones que de otro modo se habrían perdido.

Puede rebotar en la atmósfera si la velocidad de su nave es mayor que la velocidad de escape a la altura del rebote y la hiperaerodinámica de la nave le permite hiperplanear. Esto ocurrirá si la nave es alguna forma de waverider hipersónico, ya que un waverider genera sustentación.

Si no se genera sustentación, la nave atravesará la atmósfera, siempre que la velocidad exceda la velocidad de escape, la nave abandonará la Tierra y es posible que nunca regrese. Eso no es exactamente un rebote, pero producirá la misma consternación en sus pasajeros, tripulantes, operadores y sus familias.