Solicitando una explicación detallada del calor creado durante el reingreso atmosférico,

¿Cuál es(son) la(s) causa(s) raíz(es) del calor y la fricción experimentados durante la reentrada atmosférica (o entrada inicial)?

Entiendo que a medida que los elementos descienden a la tierra, experimentan una fuerza que puede aniquilar escombros y meteoritos. ¿Alguien puede explicar lo que sucede de una manera más profunda?

Además de las buenas respuestas aquí, hay un artículo interesante en Wikipedia que menciona el efecto de la disociación, etc. Todo muy complicado. en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_entry#Shock_layer_gas_physics
El cohete de lanzamiento puso gigajulios de energía en el satélite para acelerarlo a la velocidad orbital. De una forma u otra, debe disipar esa misma energía para devolverla a la velocidad de avance 0. El mecanismo exacto es una respuesta compleja en la termodinámica de los gases, pero la respuesta final es inevitable; de una forma u otra, se necesita disipar MUCHA energía, generalmente como calor.

Respuestas (3)

El término "fricción" es un nombre inapropiado. La fuente de calor es la compresión adiabática : el gas en la trayectoria del objeto que vuelve a entrar se comprime contra su superficie delantera y, como resultado, se calienta.

A nivel molecular, puede pensar en él como el número de moléculas que aumentan en un volumen determinado (comprimido) y, además, aceleran (por colisiones elásticas contra la superficie que se mueve rápidamente). Todo esto se convierte en un aumento masivo de la temperatura; además, estas colisiones constituyen resistencia aerodinámica, lo que provoca la desaceleración de la nave espacial.

Debido a la inercia del gas, toma algún tiempo antes de que se mueva hacia los lados de la superficie delantera (cediendo parte de su calor al objeto que toca en ese momento) y vuela libre por los bordes, la siguiente descompresión (y el enfriamiento resultante ) que ocurre mucho más allá de la superficie del objeto y, por lo tanto, no puede enfriarlo nuevamente. También hay una descompresión adiabática en el lado de salida, que lo enfriaría, excepto que mientras la presión allí puede caer solo 1 bar (de la atmosférica a cero), la presión puede aumentar mucho más en el lado de entrada, causando mucho más calentamiento que enfriamiento. efecto sobre el objeto.

En cierto punto, la cantidad de calor es suficiente para convertir cualquier material de esa temperatura en plasma, por lo tanto, el "rastro de llamas" es tanto el aire excitado como el material del cuerpo (ya sea roca de un meteorito o ablator al volver a entrar en la cápsula). ) se excita hasta el punto de convertirse en plasma y volar, dejando un rastro ardiente en la estela del objeto. El ablador, un material que se quema llevándose consigo el calor, siendo un conductor de calor muy pobre, se usa en naves espaciales para proteger el interior de la nave del sobrecalentamiento a través de la transferencia de calor desde la superficie delantera sobrecalentada.

¿Una succión que atraiga el aire desde la superficie delantera y lo disperse hacia los lados, a una velocidad equivalente a la de descenso, de modo que la compresión nunca ocurra, permitiría que un objeto descienda sin incurrir en este fenómeno?
@ PV22 ... sí, excepto que no obtendrá una velocidad equivalente ni nada remotamente parecido. Puede crear 1 barra de succión (desde ambiente hasta 0) sobre un área que necesariamente debe ser más pequeña que el dispositivo de succión (por lo que no cubrirá toda la nave espacial) mientras obtiene posiblemente cientos de barras en el borde de ataque desde el compresión, en toda la superficie de ataque.
@PV22: el calentamiento es en gran parte proporcional a la velocidad relativa de la nave frente al aire (la temperatura es, en esencia, la velocidad de las partículas de aire; si la partícula golpea una superficie más rápido, pasa más calor), por lo que cualquier movimiento adicional solo empeoraría la situación (mayor velocidad relativa). Haga que la superficie principal sea cónica y, de hecho, distribuirá el calor sobre una superficie más grande y reducirá el punto de calentamiento. También te estrellarás contra el suelo a Mach 15 más o menos. ¡La embarcación de reentrada debe ser NO aerodinámica!
Había quitado esto porque no quería ser otro que tú, pero... ¿qué tal una nariz en forma de cuña o una bobina cónica en el frente para crear turbulencia en el aire antes de que la superficie delantera golpee?
@PV22: 1. ¿De qué piensas hacer estas cosas para que no se quemen? 2. es la misma compresión adiabática que calienta la nave espacial y la frena. Quitas la calefacción, quitas la frenada y chocas a gran velocidad. En el mejor de los casos, puede mover la calefacción a otro lugar, por ejemplo, desde el casco del barco hasta el revestimiento ablativo del escudo térmico. Recuerde que cada kilogramo de masa de la nave en órbita tiene 32 megajulios de energía cinética mientras está en órbita. Debe disipar toda esta energía antes de aterrizar, como calor. ¡Que caliente el aire exterior (y no la cabina de la tripulación) es algo bueno!

Si bien la respuesta de @SF es excelente para detallar cómo funciona el calentamiento de reingreso, no aborda directamente la pregunta sobre las causas principales, por lo que me he tomado el tiempo para responder la pregunta que aclaró en los comentarios:

¿Por qué necesitamos una velocidad de reingreso tan alta?

La velocidad orbital en la órbita terrestre baja (LEO) es de ~7,8 km/s. Para volver a entrar, se realiza una quema corta en el apogeo para bajar el perigeo lo suficientemente profundo en la atmósfera, generalmente en una cantidad de unas pocas docenas de m/s hasta unos pocos cientos de m/s. Aun así, la velocidad de reingreso será superior a 7 km/s. Las cápsulas Apolo tenían más de 11 km/s de velocidad al comenzar el reingreso.

No se puede reducir más la velocidad debido a la llamada "tiranía de la ecuación del cohete". Para reducir la velocidad de 7,8 km/s a 0 m/s, necesita un cohete que sea aproximadamente del mismo tamaño que el cohete que lo puso en órbita. Y para lanzar ese cohete al espacio necesitarías un cohete exponencialmente más grande.

Incluso si pudiera, no es deseable que un objeto caiga muerto desde una altura de 400 km. Si se detuviera por completo a la altura de la ISS de alguna manera, iría a ~ 2500 m / s una vez que pasara la línea Karmann, y ~ 3000 m / s una vez a 50 km de altura. pero en lugar de tener un camino bastante largo a través de la atmósfera que reduce la velocidad de la nave hasta la velocidad terminal, tomaría el camino más corto posible y probablemente no podrá desplegar sus paracaídas para reducir la velocidad, lo que provocaría un litofrenado.

Durante los lanzamientos de SpaceX, la primera etapa llega al espacio y regresa a la Tierra sin un escudo térmico. Esto se debe a que la primera etapa no alcanza la órbita, permanece en una trayectoria suborbital y es mucho más lenta (a partir de una búsqueda rápida en la web, parece ir a unos 2 km/s en la separación) y, por lo tanto, el calentamiento de reentrada no es un problema importante. inquietud. Agregue a eso el hecho de que es un aterrizaje motorizado, descender por un camino bastante empinado no es un problema tan grande: no necesita poder desplegar rampas.

Finalmente, la calefacción de reingreso es mejor que las alternativas. Cuando Apolo regresó de la luna, volvieron a entrar con más de 11 km/s. Esta velocidad podría haberse reducido circularizando primero en LEO y luego volviendo a entrar. Pero el problema está nuevamente en la mecánica orbital: se necesita la misma cantidad de combustible para la inyección translunar que la que se necesitaría para circular alrededor de la Tierra al regresar de la Luna. Esta es una gran cantidad de combustible, y no tomar ese combustible sino un escudo térmico más grande es mucho más fácil (nuevamente, la tiranía de la ecuación del cohete).

El retorno interplanetario (por ejemplo, desde Marte) nuevamente tendrá velocidades de reentrada mucho más altas, y circular alrededor de la Tierra tampoco será una opción. Necesitarías tanto delta-v para dar vueltas como el que necesitabas para salir de la Tierra para llegar a Marte. Simplemente no es factible llevar tales cantidades de combustible en ese viaje.

Por lo tanto, debe tener altas velocidades durante el reingreso. Y con esas velocidades, la respuesta de SF resume bastante bien lo que sucede.

solo una nota para los novatos, el litofrenado es una jerga humorística de los entusiastas del espacio, derivada del aerofrenado donde la atmósfera sirve como medio de frenado para la nave espacial. Es similar en el caso del litofrenado, excepto que se usa la litosfera para generar una pérdida de velocidad extremadamente rápida de la nave espacial (o, en otras palabras, estrellarse).
Además, la trayectoria de descenso debe ser la correcta (afortunadamente, en la mayoría de los casos eso sucede de forma bastante natural). Demasiado paso, y la desaceleración matará/destruirá todo o la nave se estrellará, sin desacelerar a tiempo. Demasiado superficial, y la desaceleración tomará demasiado tiempo, el calor se filtrará a través del escudo térmico y las paredes y freirá todo y a todos los que estén adentro. Muy poco profundo (lo que significa que no permite el sobrecalentamiento), y el descenso llevaría semanas . A la derecha, en una trayectoria moderadamente empinada, la nave se reduce a una velocidad segura antes de que el escudo térmico filtre el calor en el interior.
El litofrenado no es un término humorístico: el litofrenado se usa en naves espaciales reales, por ejemplo, Pathfinder y Luna 9. Aunque cuando se usa para aterrizajes suaves, generalmente involucra zonas de desmoronamiento y amortiguación para evitar daños a la nave espacial. Pero es bueno que menciones el ángulo de descenso.

La causa principal es la alta velocidad de reingreso.

Considere una nave típica que asciende a la órbita terrestre baja y luego regresa.

Durante el ascenso, la aceleración es proporcionada por el empuje del cohete, repartido en varios minutos de vuelo, y la porción de mayor velocidad del vuelo se realiza sobre la parte densa de la atmósfera terrestre. Se produce algo de calor por compresión (como explica la respuesta de SF) y fricción entre la atmósfera y la piel de la nave espacial, pero no una cantidad dramática. A 45 km de altitud, el cohete puede estar yendo "solo" a mach 4 o 5, y la presión del aire es de aproximadamente el 0,2% del nivel del mar.

En el reingreso, ningún impulso de cohete está desacelerando a la nave; toda la desaceleración la hará la resistencia atmosférica. Cuando comience a entrar en la atmósfera por primera vez, estará a unos mach 20; para cuando caiga a 45 km de altitud, seguirá rondando los mach 10.

¿Por qué debe haber una alta velocidad de reingreso?
Debido a que la velocidad en la órbita terrestre baja es superior a 7000 m/s, y desacelerar con un motor de cohete antes de ingresar a la atmósfera requeriría una masa muy grande de propulsor, lo que requeriría un lanzador mucho más grande. La masa de un escudo térmico es mucho menor.
@alampert22: a menor velocidad, el colchón de aire comprimido se disipará hacia los lados antes de alcanzar una presión/temperatura significativa.
¿Por qué necesitas estar en una órbita terminal? ¿No podrías acercarte desde una trayectoria directa?
¿Trayectoria directa desde dónde? Cualquier regreso desde la Luna u otro planeta sería incluso más rápido que LEO.
La gravedad de la Tierra acelerará cualquier objeto a una velocidad de entrada muy alta. Si un trozo de roca con baja velocidad relativa a la tierra fuera atraído por la gravedad de la tierra, se estaría moviendo muy rápido cuando llegara a la atmósfera. Para reducir la velocidad de una nave espacial de 7000 m/s, necesitarías un cohete tan grande como el que la envió en primer lugar.
@alampert22: No es necesario que haya una alta velocidad de reingreso. Solo que un descenso lento requeriría un empuje significativo durante una duración significativa (para contrarrestar el tirón de la gravedad), y dada nuestra tecnología actual, eso no es factible.
@DevSolar: En realidad, parecía semifactible que la nave con alas se deslizara hacia abajo, perdiendo velocidad muy lentamente; La resistencia aerodinámica y la sustentación aérea son cuadráticamente proporcionales a la velocidad y directamente a la densidad, por lo que la nave puede reducir la velocidad de descenso (y la resistencia y el calor) deslizándose hasta que pierda suficiente velocidad para que el aire más denso no genere un calor excesivo (y proporcione suficiente sustentación para evitar el descenso aún más bajo). ¿Por qué solo SEMI factible entonces? Porque el descenso llevaría semanas.
@SF: No estoy convencido de que esto sea factible en absoluto . No soy un aficionado a la aviónica, pero que yo sepa, no hay forma de "deslizarse" en la atmósfera. ¿Tienes alguna fuente para eso?
@DevSolar: No directamente, solo esto , pero AFAIK los objetos de muy alta relación de arrastre a masa no se queman, pierden suficiente velocidad en altitudes orbitales que el reingreso no los sobrecalienta.
@SF .: Sigo pensando que tienes un pensamiento allí. Para deslizarse, necesita superficie. Superficie significa arrastre. Arrastre significa desaceleración. La desaceleración significa un descenso más rápido. Descenso significa espesar el aire. Y eso rasgará sus superficies, a menos que las haya construido muy sólidamente. Lo que significa mayor peso, lo que significa que sus superficies no darán suficiente sustentación... Me gustaría que un experto en aviónica hiciera los números, pero intuitivamente diría que no hay juego.
@DevSolar: verifique los coeficientes de elevación a arrastre de los mejores planeadores. Si el aire es lo suficientemente denso como para dañar las superficies, es mucho, mucho más que suficiente para permitir que la nave suba al aire más delgado.
@SF.: De hecho, he reenviado esto a What-If.xkcd.com. Encontré un par de problemas aquí: 1) No obtendrá control de actitud desde superficies altas. 2) Para el descenso necesita superficie, para el ascenso preferiría algo compacto, por lo que necesita una construcción orbital o superficies móviles , lo que complica aún más las cosas. 3) Sigo pensando que acercarse a la atmósfera desde arriba a velocidades casi orbitales es algo más que subir en un planeador .
Solicitando una explicación detallada del calor creado durante el reingreso atmosférico,
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v