¿Sería posible evitar el problema del calor por fricción al volver a entrar en la atmósfera realizando "giros en U" (verticales)?

Si levanta un columpio en un parque infantil y lo suelta, se balanceará de un lado a otro por un tiempo, perdiendo algo de altura en cada columpio, principalmente (?) debido al arrastre. Eventualmente ha perdido toda la energía y se detiene.

¿No podría usarse ese principio cuando una nave espacial está reingresando a la atmósfera? Es decir, baje a la atmósfera y luego gire hacia arriba, convirtiendo la energía cinética en energía potencial, pero también pierda algo de energía por la fricción, cuando la velocidad / calor por fricción sea demasiado alta, y enfríe un poco (cuando pierde velocidad al ir hacia arriba la fricción se reduce). Enjuague y repita hasta que haya perdido suficiente energía para evitar que el calor de la fricción atmosférica sea un problema.

Por supuesto, esto requeriría algún tipo de alas con superficies de control, pero el transbordador espacial tenía exactamente eso.

No, tan pronto como su velocidad cae un poco por debajo de la velocidad orbital, comienza a caer de inmediato . Entras en una atmósfera más espesa que te ralentiza mucho más rápido y, a menos que seas extremadamente cuidadoso, primero te conviertes en gelatina con una desaceleración de 10 a 20 g y luego te incinera el calor de esta manera .
Piénsalo de esta manera: mi = 1 2 metro v 2 , la energía cinética de una cápsula Soyuz de 2,5 toneladas, que vuelve a entrar a una velocidad orbital de 8 km/s, tiene una energía equivalente a 20 toneladas de TNT. Esa energía debe ir a alguna parte , no hay forma de evitarlo. Si evita disiparlo temprano, tendrá que disiparlo más tarde, de una forma u otra, y mejor que su manera no involucre cocinar a la tripulación.
@uhoh Es por eso que necesitas alas. La fricción requiere atmósfera, pero la atmósfera también da sustentación, si tienes alas.
@sf La luz de una vela tiene más energía que una granada de mano (he oído). Se trata de cuánto tiempo lleva liberar la energía.
@db ... y dónde. Una vela encendida justo debajo de tu cabeza sin que puedas alejarte te matará tan bien como una granada. La metodología actual con la reentrada es obtener la mayor parte de la energía en el aire que rodea la nave espacial (y se necesita suficiente de ese aire, lo suficientemente denso para contenerlo), una pequeña parte en el ablator del escudo térmico que se evapora rápidamente, y casi nada en casco de la cápsula. Cambie los tiempos y la cápsula se convierte en un horno de cocción lenta. Y si desea que se caliente demasiado lentamente para lastimar a las personas, su reingreso deberá llevar semanas .
@db de hecho (al menos la parte de la energía almacenada) Acerca de las alas Recuerdo haber leído una o más preguntas y respuestas anteriores aquí sobre las alas de reingreso. Los desafíos son el calor. Se derriten antes de proporcionar una cantidad útil de elevación. Si les das escudos térmicos ablativos, ya no son alas. No lo discutiré contigo, pero creo que las matemáticas y la física se han abordado cuantitativamente en otras partes del sitio.
@uhoh Eso es interesante considerando el dron en Marte que logra volar en una atmósfera que es un 98 % (?) menos densa en comparación con la Tierra.
@db no, eso no es interesante en absoluto. La potencia disipada varía según la velocidad al cubo, compare la velocidad orbital con la velocidad de la punta del ala del helicóptero, eleve esa proporción al cubo y vea lo que obtiene.
@uhoh si? Eso significaría que una nave con alas se elevaría y podría dirigirse hacia arriba para disminuir la velocidad/calentamiento por fricción en una atmósfera muy delgada.
@db El ingenio puede volar durante 30 segundos. Las baterías serían suficientes por mucho más tiempo, pero con un uso de energía de 350 vatios durante el vuelo, solo freiría su propia batería, motor y circuitos.
@db Bien, ahora dame algunos conceptos básicos, cuánto duraría esta maniobra, cuál sería la temperatura de la "piel" de la nave y, como resultado, cuánto aumentaría su temperatura interna.
Todos: ¡El ingenio aún no ha volado!

Respuestas (2)

No es posible evitar el calor de la fricción en la reentrada, hay que lidiar con eso de alguna manera. Lo que estás describiendo se llama skip-reentry , y no requiere alas. Esta técnica fue utilizada por la nave espacial soviética Zond y la nave espacial Apolo. Los Zonds usaron la técnica para alterar la trayectoria, Apollo la usó para evitar cargas de calor al extender el reingreso. Es posible que la técnica se vuelva a utilizar para misiones de regreso desde la Luna o Marte debido a las altas velocidades de reingreso.

Tenga en cuenta que esta técnica ayuda a reducir las cargas de fricción, no las elimina, aún tendrá una reentrada atmosférica con cargas térmicas significativas. Esto no es un problema, ya que sabemos cómo lidiar con él.

Ese era un poco el punto con mi pregunta. Deje que la embarcación se caliente un poco y luego gire hacia arriba, lo que reduciría la velocidad y reduciría la fricción, lo que a su vez permitiría que se enfríe. Cuando esté lo suficientemente frío, gire hacia abajo de nuevo.
Bueno, no es exactamente así como funciona @db. La mayoría de los escudos térmicos se ablacionan, es decir, sacrifican material para llevarse el calor; no se calientan, por lo que no necesitan enfriarse.
@db incluso para cosas como el transbordador con mosaicos reutilizables, el calor absorberá tanto hacia adentro como hacia afuera, dejándolo con un problema de enfriamiento dentro de la nave, mientras que el exterior es demasiado delgado para usar enfriamiento conductivo pero demasiado grueso para desplegar radiadores. Un descenso rápido le permite enfriar el escudo térmico (y el interior) con aire más denso a nivel del mar. Un retorno de Marte puede ser muy diferente, por supuesto, con potencialmente horas o días para enfriarse en un verdadero vacío donde un retorno de LEO obtiene minutos como máximo.
@ GdD SR-71 me viene a la mente ;-) Sí, pero eso está motivado por cómo se lleva a cabo el reingreso hoy. Si, por ejemplo, la nave solo se calienta hasta 200 °C y luego hace un "giro en U" y se enfría, el acero o el aluminio podrían soportar la temperatura.
@db el problema es que los vehículos realistas no pueden hacer ese "cambio de sentido".

Lo que está sugiriendo es un reingreso aerodinámico, donde las superficies aerodinámicas se utilizan para reducir la velocidad de descenso a la atmósfera inferior. En el mundo real, los escudos térmicos a menudo tienen una forma que genera sustentación. Pero las alas casi nunca se usan. Eso es porque es muy difícil hacer una nave aeroespacial que sea capaz de mantener un vuelo nivelado a velocidades hipersónicas. Es un error común pensar que la fricción es la principal fuente de calor en el reingreso. En realidad, el vehículo crea una zona de aire extremadamente comprimido delante de sí mismo. Este aumento de presión sobrecalienta la atmósfera. El problema con la aerodinámica eficiente (capacidad de vuelo nivelado) a velocidades cercanas a la órbita es que se necesitan bordes afilados en la parte delantera de las alas. Cuanto más plana es una superficie, más lejos puede contener el plasma de reentrada. Eso significa significativamente menos conducción y menos calentamiento general. Pero cerca de los bordes afilados, ese plasma puede acercarse mucho más a su nave. Esta es la razón por la que los bordes de ataque del transbordador espacial tuvieron que usar una estructura de carbono-carbono mucho más resistente y pesada para mantener la rigidez. En general, los métodos de reingreso convencionales suelen ser más rentables. Mira el video de Scott Manley aquí para obtener más información:

Interesante, gracias.
"Es por eso que las puntas de las alas del transbordador espacial tuvieron que usar una estructura de carbono-carbono mucho más resistente y pesada para mantener la rigidez". Incorrecto, supongo que te refieres a los bordes de ataque, no a las puntas de las alas. Y, como descubrimos, no fue tan difícil.
@OrganicMarble ¡Lo siento! Quise decir vanguardia, pero la palabra simplemente no me vino a la cabeza en ese momento. Ahora edito la publicación.
Pequeño detalle: si explicas un concepto erróneo, explícalo correctamente. La compresión es lo primero, esto provoca la alta presión y temperatura en la región posterior al choque. Para escribir "En realidad, el vehículo crea una zona de presión extremadamente alta delante de sí mismo. Esta compresión sobrecalienta la atmósfera". es solo confuso e intercambia causa y efecto.
Estaba usando "compresión" y "alta presión" indistintamente. ¡Veo cómo eso podría ser confuso! Lo editaré.
¿Sería posible evitar el problema del calor por fricción al volver a entrar en la atmósfera realizando "giros en U" (verticales)?
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