¿Por qué no puedes lanzarte en paracaídas desde la órbita?

Esto seguramente parecerá, al menos a primera vista, una idea completamente estúpida, teniendo en cuenta el habitual "el espacio no está lejos, está lejos ", y que los escudos térmicos que se utilizan en la actualidad deben soportar temperaturas de alrededor de 2000 °C. ¿Ciertamente no puedo esperar que un paracaídas resista condiciones tan violentas?

No, no lo sé, sin embargo, tampoco veo por qué tendría que hacerlo: la idea estándar detrás del reingreso parece ser que cuanto más resistencia desarrollas, menoscalor que necesita soportar, por ejemplo, la forma roma de los vehículos de reingreso o la capacidad de elevación del cuerpo. Un paracaídas crearía mucha más resistencia que cualquier cápsula de reentrada, por lo que haría la mayor parte del frenado muy alto en la atmósfera, donde la densidad aún es extremadamente baja. Incluso allí, acumularía un "cojín" de aire en su interior, que debería desviar la mayor parte del aire real para que no toque el conducto. Y el calor que captura el paracaídas se irradiaría mucho mejor que desde un pequeño escudo térmico debido a la gran superficie. Básicamente, cada centímetro cuadrado del conducto sería responsable de desacelerar solo una pequeña fracción de la masa de la cápsula y, por lo tanto, de su energía cinética.

Esta forma de pensar parece ser también popular en JP Aerospace , cuya nave aérea orbital se supone que desciende simplemente volviendo a entrar en la atmósfera superior y, por lo tanto, se ralentiza sin dañar la estructura extremadamente delicada. (Algo discutido aquí ). Tenga en
cuenta que tengo muchas dudas sobre si esta nave aérea es realmente plausible; Los paracaídas OTOH son un pilar de los vuelos espaciales, pero siempre se usaron solo después de que el vehículo había disminuido la velocidad de la entrada hipersónica, o en el caso del transbordador solo en tierra.

¿Hay una razón fundamental para esto, además de "descenso lento y aburrido" o "simplemente nunca se ha intentado"? Estoy seguro de que alguien debe haberlo considerado en los primeros días de los vuelos espaciales.

Parece que no he explicado correctamente por qué la "desaceleración demasiado violenta" no debería ser un problema aquí. Algunas curvas para el proceso, usando el script de uhoh de la otra pregunta :

Proceso de reentrada desde una órbita terrestre muy baja con un paracaídas de 15m

Claro, ese es un frenado fuerte como lo es cualquier reingreso, pero definitivamente se puede sobrevivir. Y esto sigue siendo solo con un solo paracaídas con una relación cero de elevación a arrastre.

Lo que es crucial aquí es comenzar realmente a una velocidad casi orbital, por lo que el ángulo de entrada inicial es poco profundo. Inevitablemente se volverá más empinado cuando se reduzca la velocidad, pero en ese punto la velocidad ya se ha reducido, así que...

Lo que ayudaría más es ajustar la resistencia durante la entrada, para evitar los picos más fuertes. La forma más fácil sería usar rampas de diferentes tamaños a diferentes alturas (que, como comenta Uwe, probablemente serían necesarias de todos modos). O para agregar algo de sustentación, lo que tampoco parece del todo inverosímil (parapente).

def deriv(X, t):

    x, v = X.reshape(2, -1)

    earthRotation = np.hstack((-x[1], x[0])) / (24*3600)
    airVelo = v - earthRotation

    r, speed, airSpeed = [ np.sqrt((qtty**2).sum())
                          for qtty in [x, v, airVelo]]

    acc_g = -x * GMe *((x**2).sum())**-1.5

    alt = r - re

    rho    = rho0 * np.exp(-alt/hscale)
    Fdrag  = -0.5 * airVelo * airSpeed * CD * Area(alt) * rho
    n_lift = np.hstack((-v[1], v[0]))/speed   # definition of lift
    Flift  = LDR * 0.5 * n_lift * airSpeed**2 * CD * Area(alt) * rho

    acc_d = (Fdrag + Flift)/m0

    return np.hstack((v, acc_g + acc_d))

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.integrate import odeint as ODEint

pi  = np.pi
GMe = 3.986E+14

alt = 120000.   # meters
re  = 6378000.  # meters
v0  = 7560.     # m/s
hscales = [7500.]   # meters
CDs     = [1.7]  #  https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/VirtualAero/BottleRocket/airplane/rktvrecv.html
LDRs    = [0]
def Area(alt):
  return pi * 15**2             # m^2
m0      = 7800. # kg
rho0    = 1.25  # kg/m^3

X0   = np.array([0, re+alt, v0, 0])
dt   = 1.0      # seconds per reported value by the solver (internally variable timesteps)
time = np.arange(0, 501, dt)

answers = []

for CD in CDs:
    for hscale in hscales:
        for LDR in LDRs:

            answer, info = ODEint(deriv, X0, time, full_output = True)
            answers.append(answer)

km = 1E-03

gee = 9.8  # m/s^2

plt.figure()

for answer in answers:
    x, y, vx, vy = answer.T
    r = np.sqrt( x**2 +  y**2 )
    v = np.sqrt(vx**2 + vy**2)
    KE = 0.5 *m0 * v**2

    plt.subplot(3, 1, 1)
    plt.plot(time, km*vx)
    plt.plot(time, km*vy)
    plt.plot(time, km*v )
    plt.title('vx, vy, vtot (km/s) versus time (seconds)', fontsize=16)
    plt.subplot(3, 1, 2)
    plt.plot(time, km*(r-re))
    plt.title('altitude (km) versus time (seconds)', fontsize=16)
    plt.subplot(3, 1, 3)
    plt.plot(time[:-1], np.sqrt(((vx[:-1] - vx[1:])/dt)**2
                         + ((vy[:-1] - vy[1:])/dt - gee)**2)/gee)
    plt.title('gees', fontsize=16)
plt.show()
Todos morirán en cinco minutos. Estás en caída libre. Incluso en LEO, estás acelerando hacia la Tierra entre 9 y 9,8 m/s^2. Tan pronto como ralentizas aunque sea un poco, te caes, aceleras más y más rápido.
Un paracaídas no funcionaría para el amplio rango de presión y velocidad necesario. Incluso si manejas el paracaídas para sobrevivir a la fase caliente del reingreso. La desaceleración debe limitarse a valores que no dañen la carga útil.
Un 'reingreso a baja temperatura' significaría un reingreso muy largo , que llevaría mucho tiempo. Al fin y al cabo, hay que disipar la misma cantidad de energía, y eso se puede hacer de forma rápida y fogosa, o de forma lenta y relajada...
Si está en órbita LEO, necesitaría ~ 9,300 m / s instantáneos delta-v para "detenerse" y regresar directamente hacia abajo. Para llegar a un reingreso a baja temperatura, solo puede ir a X m/s cuando golpea la atmósfera. Básicamente, debe resolver cuánto delta-v necesita gastar para reducir la velocidad lo suficiente como para que el paracaídas no se queme. Es probable que esta respuesta esté universalmente por encima de 8-9 km/s delta-v. Lo que significa que no valdría la pena el gasto para hacerlo viable. Sin mencionar que acelerará hasta alcanzar una densidad crítica que puede causar arrastre en el conducto.
( De SF ): Regla general: un kilogramo de TNT tiene 4,6 MJ/kg de energía específica. Un kilogramo de las piezas de la nave espacial en el reingreso tiene 32 MJ/kg. ¿Intentar poner 7 kg de TNT de fuerza en un paracaídas? Voy a adivinar sin necesidad de intentarlo que la cuerda se romperá o se rasgará. La única forma de evitarlo es reducir la velocidad antes de llegar a ese punto.
@MagicOctopusUrn "7KG de TNT por valor de fuerza" no es una cantidad significativa para discutir, las dimensiones no coinciden. Por supuesto, un paracaídas no puede desacelerar instantáneamente una cápsula, ni tampoco un escudo térmico. (Que de hecho tampoco resistiría la explosión de 7 kg de TNT). El truco es hacerlo un poco lento. En el reingreso, esto es en ambos casos "automáticamente" facilitado por la densidad del aire en continuo aumento. La diferencia es que un paracaídas generaría la misma fuerza ya en un rango de mayor altitud con su gran área, que también sería lo que lo haría más capaz de enfriarse.
Bastante seguro de que no entendiste mi punto... el conducto grande encontraría tanta fuerza al volver a entrar y se convertiría en una mierda absoluta a menos que redujeras la velocidad lo suficiente antes de volver a entrar. Incluso a bajos niveles de atmósfera, a menos que sea una tela increíblemente fuerte.
@MagicOctopusUrn bueno, por eso creo que no entendiste mi punto con la pregunta. El conducto no encontraría tanta fuerza, porque se despliega muy alto en la atmósfera. En ese momento, la cápsula en sí solo experimentaría un frenado imperceptible, pero sobre la superficie del conducto, la fuerza se sumaría a algo significativo, pero aún inofensivo. ( Debe haber un punto en el que sea significativo pero aún inofensivo para cualquier tela, porque la resistencia depende continuamente de la densidad, que depende continuamente de la altura).
Caerás en la densidad rápidamente tan pronto como introduzcas ese arrastre y la fuerza entrará en la ecuación.
También voy a hacer una suposición descabellada y decir que su LDR no será un 0 constante para un paracaídas en el reingreso. Quiero decir, ¿no sería negativo para el reingreso cuando se usa un paracaídas o algo así? Siento que lo haría porque un paracaídas, cuando se usa horizontalmente, generaría una sustentación negativa y grandes cantidades de resistencia hasta que se "equilibrara" y tuviera una orientación vertical, ¿verdad? Siento que falta este modelo de programa que el LDR cambiará rápidamente durante el descenso (una vez más, pido una aclaración, en realidad no lo sé).
@MagicOctopusUrn LDR probablemente no sea exactamente cero, pero si el paracaídas es simétrico, como máximo fluctuará un poco alrededor de cero. ¿Por qué crees que sería negativo? — Lo que bien puede fluctuar mucho más es el CD, pero no sé cómo.
Creo que una variante interesante de esta pregunta se referiría a un cuerpo de elevación como un ala. Eso debería poder disminuir la velocidad en la atmósfera superior y cuando pierde la velocidad suficiente para caer en las áreas más densas de la atmósfera, debería poder aumentar su ángulo de ataque para generar sustentación para impulsarlo de regreso más arriba. Podría llevar mucho tiempo, pero habría pensado que esto funcionaría, ¿no?
¿Por qué no simplemente graficar la tasa de cambio de energía de su buceador? En su modelo, eso aparecerá como calor y sonido y debería darle una respuesta razonable si su caída libre muere en una muerte fulminante.
Además, sospecho de tu diagrama de aceleración; su código python parece sugerir que simplemente está trazando dV/dt; ¿Por qué no comenzarías con 1 g de aceleración? Su gráfico parece mostrar 0g en ambos lados del descenso.
youtube.com/watch?v=9yRWhu0UGYw es una prueba de algo similar realizado en 2014 por la NASA para simular la misma idea en una desaceleración supersónica de Marte.
@cms Sí, eso no fue realmente correcto. No hace mucha diferencia para la desaceleración máxima, porque es principalmente horizontal (¡otra ventaja de frenar alto!), pero tienes razón al señalarlo. Fijado.

Respuestas (4)

Otro factor: Acme le ofrece un paracaídas de unobtanium que puede soportar todas las fuerzas involucradas. ¿Lo que pasa?

Su objetivo es frenar con fuerza a gran altura. Disminuyes la velocidad, ya no estás en órbita, empiezas a caer. Tienes que deshacerte de tu velocidad antes de que te sumerjas demasiado en la atmósfera. ¿Cuánto tiempo tienes para hacer esto? ¡Muy poco! Necesita arrojar algo así como 9,000 m / s antes de bajar demasiado. Eso es alrededor de 1000 g-segundos. Desea mantenerlo en 10 g (bastante peligroso) y debe tomar al menos 100 segundos. No tienes eso.

(Ondulado a mano en lugar de cuantitativo... Sería bueno tener algunos números mejores)

La razón fundamental es que actualmente solo hay tres técnicas para evitar que usted o su nave golpeen el suelo: permanecer en órbita, sustentación aerodinámica (volar/planear/paracaídas/globo) y propulsión directa de cohetes. Los cohetes, tal como los podemos construir, están descartados porque consumen demasiada masa de combustible o la relación empuje/peso es demasiado baja. Los otros dos no se pueden usar a la misma altitud.

No lo dice explícitamente, pero imagino que está pensando en un paracaídas "normal" como el que se usaría en la atmósfera a velocidades lentas y, en cambio, lo usa lo suficientemente alto como para que la densidad reducida proporcione cargas razonables (1-3 g) entonces que la ingeniería y los costos no son más complejos que el escudo térmico.

Lo que sería bueno es si en la parte superior de la atmósfera hubiera un régimen en el que pudiéramos soportar nuestro peso simultáneamente (para no caer en regiones más densas) y no quemarnos por la velocidad. Si es así, nuestra nave podría quedarse allí, perdiendo energía lentamente, y luego descender más cuando las velocidades se hicieran más lentas.

No obstante, JP Aerospace espera que eso no suceda. Podría identificar una altitud en la que su velocidad (orbital) no sea un problema térmico inmediato, pero simplemente no hay forma de usar la atmósfera a esa altitud para soportar su peso y permanecer allí. Ya sea que tenga una envoltura de gas, alas o un paracaídas enorme, seguirá yendo muy rápido a medida que continúe descendiendo hacia un aire exponencialmente más denso. Ahora las cargas y las temperaturas suben rápidamente y dejas la región donde es posible un paracaídas normal/simple.

Un paracaídas crearía mucha más resistencia que cualquier cápsula de reentrada, por lo que haría la mayor parte del rompimiento muy alto en la atmósfera donde la densidad aún es extremadamente baja.

Una envolvente más grande generaría una mayor resistencia, pero no lo suficiente como para reducir las velocidades mucho más altas.

Incluso allí, acumularía un "cojín" de aire en su interior, que debería desviar la mayor parte del aire real para que no toque el conducto. Y el calor que captura el paracaídas se irradiaría mucho mejor que desde un pequeño escudo térmico debido a la gran superficie.

Los cuerpos romos ya son bastante eficientes para disipar el calor. Este documento de la NASA sugiere que el arco de choque elimina el 90% de la carga térmica de ellos. Sólo el 10% restante tiene que ser tratado por materiales. El sobre tendría que ser incluso más eficiente que eso para ser útil. Sospecho que los cables que deben penetrar el amortiguador de proa serán interesantes desafíos de ingeniería.

Sin embargo, los vehículos de reingreso aerodinámicos inflables son una cosa. Tanto la NASA ha invertido en sistemas HIAD/IRVE y los ha volado como China/CASC ha desarrollado la misma tecnología. No estoy seguro de que un cuerpo de elevación inflable no funcione del todo.

¿Quieres "hacer la mayor parte del frenado muy alto en la atmósfera donde la densidad aún es extremadamente baja" usando un paracaídas?

Si desea abandonar la órbita y mantenerse en lo alto de la atmósfera hasta que el cuerpo de reentrada sea lento, necesita un ala en lugar de un paracaídas para generar la fuerza de sustentación necesaria para mantenerse alto durante la desaceleración. Tienes que reemplazar la fuerza centrífuga decreciente aumentando la sustentación aerodinámica.

Este ala debería funcionar en una atmósfera muy delgada en un rango de velocidad muy grande, desde hipersónico a sónico o incluso subsónico. El ala debe tener un área gigantesca y debe adaptarse a la velocidad modificando la forma y el área. La relación de elevación a arrastre debe ser muy buena para perder altura lentamente.

Pero también deberíamos pensar en la conservación de la energía. La energía cinética de la velocidad orbital debe transformarse en otra forma de energía. La energía eléctrica, mecánica o química es imposible como energía resultante. Por lo tanto, el calor es la única forma de energía en la que se puede transformar la energía de la velocidad orbital.

Necesitarías un proceso mágico para transferir el calor a una atmósfera muy delgada sin calentar demasiado el paracaídas, el ala o el parapente. La transferencia al calor debe hacerse en poco tiempo antes de ingresar a las partes más densas de la atmósfera.

¿Cuál es su opinión sobre el escenario que simulé, donde el paracaídas logra el frenado sin sustentación, por encima de 60 km con <8 g de desaceleración máxima?
@Uwe, ¿qué quiere decir con modificación de forma?
@qqjkztd Por modificación de la forma me refiero a algo así como un ala de barrido variable

Técnicamente hablando, el Coronel de la USAF Joseph Kittinger se lanzó en paracaídas desde el espacio cercano durante el Proyecto Excelsior en 1959-1960. Ascendió en globo y descendió en paracaídas, en varias misiones, la más alta de las cuales fue de 31 km (19 millas) sobre el nivel del mar. En 2012, Felix Baumgartner rompió el récord con una caída de 39 km (24 mi) y alcanzando una velocidad de Mach 1,25. Aunque ninguno de los registros está por encima de la línea Karman de 100 km del "espacio", demuestra que la altitud en sí misma no es un problema.

En términos prácticos, la velocidad sí importa, como lo señala la pregunta. Estos intentos fueron glorificados como paracaidismo y no tuvieron que lidiar con la velocidad orbital que tiene una nave espacial. Por lo tanto, lanzarse en paracaídas desde el espacio debe considerarse un truco en lugar de una forma práctica y confiable de devolver a las personas de la órbita.

Anexo: También hubo una propuesta llamada MOOSE :

El diseño fue propuesto por General Electric a principios de la década de 1960. El sistema era bastante compacto, pesaba 200 lb (91 kg) y cabía dentro de un contenedor del tamaño de una maleta. Consistía en un pequeño motor de cohete de dos boquillas suficiente para desorbitar al astronauta, una bolsa de película PET de 6 pies (1,8 m) de largo con un protector térmico ablativo flexible de 0,25 pulgadas (6,4 mm) en la parte posterior, dos botes presurizados para llenarlo con espuma de poliuretano, un paracaídas, equipo de radio y un kit de supervivencia.

[...]

Sin embargo, el sistema MOOSE siempre se pensó como una medida de emergencia extrema cuando no existía otra opción para devolver un astronauta a la Tierra; caer desde la órbita protegido por nada más que un traje espacial y una bolsa de espuma era poco probable que alguna vez se convirtiera en una maniobra particularmente segura o tentadora.

Ni la NASA ni la Fuerza Aérea de los EE. UU. expresaron interés en el sistema MOOSE, por lo que a fines de la década de 1960, el programa se archivó silenciosamente.

¿Por qué no puedes lanzarte en paracaídas desde la órbita?
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