¿Cómo disminuye la velocidad del transbordador espacial durante el reingreso, el descenso y el aterrizaje?

Si está interesado en una explicación más visual y menos técnica del reingreso y aterrizaje del transbordador espacial, di una charla titulada Cómo aterrizar el transbordador espacial... desde el espacio en la reunión Stack Overflow en octubre de 2016.

No me di cuenta de esta pregunta hasta hace un par de días, pero como alguien con una obsesión enfermiza específicamente con las fases de entrada y aterrizaje de los vuelos del transbordador, puedo decir que hay mucha información objetivamente incorrecta en las otras respuestas aquí. A ver si me explico mejor.

Primero, las dos preguntas fáciles, que fueron respondidas bien por otras preguntas, pero también las incluiré aquí para completar:

• ¿Podría el transbordador realizar una vuelta? No. Los motores OMS son demasiado débiles para marcar una diferencia en la atmósfera, y los motores principales (que serían lo suficientemente potentes) solo reciben combustible del tanque externo naranja que se desecha después del lanzamiento.
• ¿Dónde aterrizó? 78 misiones aterrizaron en el Centro Espacial Kennedy, 54 (incluida la primera) en la Base de la Fuerza Aérea Edwards y 1 en White Sands . Hubo otros sitios de aterrizaje designados para emergencias, pero nunca se utilizó ninguno.

Ahora, la gran pregunta de cómo el transbordador volvió a entrar y aterrizó.

La fuente principal que voy a citar en esta respuesta es el Libro de trabajo de guía de entrada, TAEM y aproximación/aterrizaje 21002, que fue un libro de trabajo utilizado para entrenar a los astronautas. Lamentablemente, no tengo un enlace, pero se puede obtener en nasaspaceflight.com a través de una suscripción L2 si está realmente interesado. Voy a abreviar esta fuente como ETAGW .

Mecánica Orbital

Primero, una lección realmente rápida sobre mecánica orbital. Para cambiar la altitud de tu órbita, haces un cambio en la velocidad ($\Delta v$). Si aumenta la velocidad, aumentará la altitud, y si disminuye la velocidad, disminuirá la altitud. Sin embargo, este efecto es más pronunciado a 180° de la posición en la que realizó el cambio. Después de una órbita completa de 360°, estarás aproximadamente a la misma altitud a la que comenzaste.

Esto ilustra el efecto:

Comenzando desde la órbita circular (negra), si reduce la velocidad en el punto A, podría terminar con algo como la órbita roja, y si acelera, podría terminar con algo como la órbita azul.

Quemadura desorbitada

Debido a la naturaleza de la mecánica orbital, como se describió anteriormente, desea realizar su maniobra de salida de órbita en el lado opuesto del planeta desde el lugar de aterrizaje previsto. Esto generalmente ocurrió sobre el Océano Índico para un aterrizaje en el Centro Espacial Kennedy en Florida.

La quema en sí se realizó con la cola volando primero y el lado blanco (superior) mirando hacia la Tierra (escudo térmico/lado negro mirando hacia el espacio). Los dos motores OMS (sistema de maniobra orbital) se utilizaron para lograr el$\Delta v$(en cualquier lugar entre 200 y 550 pies/seg dependiendo de la altitud inicial). La quemadura generalmente tomaba alrededor de 2.5 a 3 minutos. Esto reduciría el perigeo (punto más bajo en una órbita alrededor de la Tierra) a unas pocas millas del suelo (es difícil encontrar una fuente, pero creo recordar que estaba a unas 30-40 millas), lo cual fue suficiente para asegurar el camino orbital los llevaría a una atmósfera espesa.

^{Fuente de imagen}

Los motores OMS son esencialmente versiones más grandes de aviones RCS (sistema de control de reacción). Los jets RCS se utilizaron para cambios de rotación (actitud) y pequeña traslación (velocidad en una dirección dada). Los OMS se utilizaron para realizar cambios orbitales.

Ambos sistemas quemaron la misma mezcla hipergólica (monometilhidrazina (MMH) y tetróxido de dinitrógeno (N2O4)). Si el OMS hubiera fallado, los jets RCS podrían, en teoría, haberse utilizado para reducir la velocidad del transbordador lo suficiente como para volver a entrar.

Voltear la nariz

Algunas respuestas han dicho que el orbitador se inclinaría 140 ° hacia abajo para el giro . Esto es incorrecto. Una vez completada la maniobra de desorbitación, el orbitador cabeceaba unos 220° hasta alcanzar un ángulo de ataque con el morro hacia arriba de 40° (denominado "actitud EI -5" porque debe estar en esa actitud durante al menos cinco minutos). antes de la interfaz de entrada).

Tienen alrededor de 20 minutos entre la salida de órbita y el EI-5, por lo que hay mucho tiempo para lanzar en cualquier dirección. Probablemente se prefirió la nariz hacia arriba porque las ventilaciones de escape de la APU apuntan hacia arriba cerca de la cola. Naturalmente, esto hace que el orbitador quiera lanzarse hacia arriba cuando las APU están funcionando.

Durante este lanzamiento, dispararían los jets RCS delanteros para descargar todo el combustible delantero, a menos que fuera necesario por razones de centro de gravedad. Los jets RCS delanteros no se usaron durante el reingreso, y descargar el combustible reduce los peligros potenciales para los astronautas.

Una vez en posición, comenzaría la guía de entrada en bucle abierto, manteniendo el orbitador en 0° de balanceo (nivel de las alas), 0° de guiñada y 40° de ángulo de ataque (alfa).

Interfaz de entrada

La NASA define la interfaz de entrada (EI) como una altitud de 400.000 pies. No hay un borde duro en la atmósfera, pero esto es alrededor de la altitud donde sus efectos comienzan a ser directamente detectables.

Giros en S

Algunas respuestas han afirmado que el transbordador usó giros en S con el fin de reducir la velocidad. Esta es una explicación muy común, pero demasiado simplificada y posiblemente inexacta.

"La próxima vez que escuche a alguien hablar sobre el transbordador haciendo inversiones de balanceo para purgar energía, no escuche. El transbordador realiza inversiones de balanceo porque tiene una envolvente alfa muy pequeña ". - ETAGW 2.8.1 (el énfasis es de la fuente original)

Al igual que con cualquier avión, las alas del transbordador generan sustentación. A medida que la atmósfera se vuelve más densa, las alas generarán más sustentación, y esta sustentación hacia arriba hará que la velocidad de descenso sea más lenta. De hecho, si el transbordador mantuviera una actitud de alas niveladas, eventualmente comenzaría a ganar altitud, lo que haría que "saltara" a través de la atmósfera varias veces hasta que fuera lo suficientemente lento como para caer. Y aunque técnicamente sería posible un reingreso saltado, sería muy difícil de controlar con precisión.

Entonces, en cambio, cuando la tasa decente comienza a disminuir, el transbordador va a un banco. Al controlar el ángulo de alabeo, pueden controlar cuánta sustentación hacia arriba generan las alas y, por extensión, controlar su tasa de descenso.

^{ETAGW Figura 2-5 que ilustra el vector de sustentación.}

O, por supuesto, con el vector de sustentación apuntando hacia los lados en lugar de hacia arriba, el transbordador comenzará a girar. Debido a la increíble velocidad, el radio de giro es enorme, pero de todos modos gira gradualmente y el orbitador desarrolla un error de azimut (la diferencia entre la dirección actual del orbitador y la dirección hacia el lugar de aterrizaje).

^{ETAGW Figura 2-3 que ilustra el error de acimut.}

Para corregir este error de acimut ($\Delta z$), el orbitador realiza "inversiones de balanceo". En otras palabras, gira en la otra dirección. Estos giros crean la pista de reingreso distintiva de giro en S.

La primera inversión siempre se produce a 10,5°$\Delta z$. Las reversiones subsiguientes ocurren a 17,5° hasta Mach 4 cuando comienza a descender hasta 10° a Mach 3.

Nota: todos los números de mach que se dan en cualquier parte de esta respuesta, o a los que se hace referencia en cualquier parte de los materiales del transbordador espacial, no son números de mach verdaderos. La NASA usa 1000 pies/seg como una aproximación de Mach 1, y todos los números de Mach son múltiplos de esa velocidad.

rango

Obviamente, el objetivo final del reingreso es llegar a la pista deseada a una velocidad adecuada para aterrizar. Si bien el orbitador no tiene ningún motor para ayudar a lograr esto, tiene una enorme cantidad de energía orbital. Por lo tanto, el objetivo pasa a ser la gestión energética y, más concretamente, la gestión del arrastre.

El orbitador tiene dos formas de afectar la resistencia durante la entrada: cambiar el ángulo de ataque (alfa) y cambiar el ángulo de alabeo.

El ángulo de ataque es la forma más rápida de aumentar o disminuir la resistencia, pero al orbitador solo se le permitió desviarse ±3° del alfa nominal (40° para la mayor parte de la entrada). Este es el "sobre alfa muy pequeño" mencionado anteriormente. La limitación está diseñada para garantizar una protección adecuada contra el calor y mantener el control del vehículo.

Cambiar el ángulo de alabeo, como se describe arriba, le permite controlar su velocidad de descenso. Un ángulo de alabeo más pronunciado dará como resultado que se alcance aire más denso más rápido y, por lo tanto, dará como resultado una mayor resistencia. Un ángulo de alabeo más superficial mantendrá al orbitador en aire más denso durante más tiempo y resultará en menos resistencia. Sin embargo, lleva un poco más de tiempo ver el efecto de un cambio de banco que un cambio alfa.

También hay limitaciones de ángulo de inclinación porque, nuevamente, no desea saltar fuera de la atmósfera y no desea caer en el aire denso tan rápido que exceda la resistencia máxima que el vehículo puede manejar, pero es un envolvente más grande que los límites alfa. De hecho, en las primeras etapas de entrada, el orbitador podría incluso haber volado boca abajo (con su vector de sustentación apuntando hacia la Tierra) si fuera necesario debido a una subcombustión como resultado de un mal funcionamiento durante la desorbitación.

Fases de orientación de entrada

No voy a entrar en detalles sobre la guía de entrada, pero diré que las consideraciones principales cambian a medida que cambian la velocidad y la altitud, y la guía de entrada se divide en fases para reflejar esto.

^ETAGW

En el gráfico anterior, la línea central representa el perfil nominal. La línea más baja es el perfil de "deslizamiento de equilibrio", que es la cantidad mínima de resistencia que el orbitador debe mantener para evitar ganar altitud y saltar. La línea en la parte superior izquierda representa un límite térmico (si el orbitador lo supera, podría quemarse). La línea en la parte superior derecha representa un límite de presión dinámica (si el orbitador lo excede, podría romperse debido a las fuerzas aerodinámicas).

1. Entrada previa : esto se considera guía de bucle abierto porque todo lo que hace es mantener 0° de guiñada, 0° de balanceo y 40° de alfa hasta que el factor de carga total se vuelve 0,132 g (aproximadamente 3 pies/seg ² de arrastre), momento en el cual se cierra -Comienza la guía de bucle.
2. Control de temperatura : comienza con una guía de circuito cerrado y termina a una velocidad de Mach 19. Intenta mantener una temperatura constante dentro de los límites de diseño del orbitador.
3. Equilibrium Glide : simplemente proporciona un puente entre el control de temperatura y las fases de arrastre constante. Termina cuando la resistencia alcanza los 33 pies/seg ² . Se llama así porque su forma es similar a la del perfil de deslizamiento de equilibrio.
4. Arrastre constante : Mantiene una velocidad de arrastre constante de 33 pies/seg ² hasta que la velocidad alcanza Mach 10,5.
5. Transición : diseñado para pasar de la alta resistencia y el alfa alto de entrada a la resistencia y el alfa más bajos necesarios para que el orbitador vuele más como un avión. Esta fase termina en Mach 2.5 cuando comienza TAEM.

TAEM

TAEM son las siglas de Terminal Area Energy Management. El objetivo en esta etapa es lograr que el orbitador se alinee con la pista con la energía adecuada para realizar su aproximación final. Una vez más, no voy a entrar en muchos detalles (no dude en hacer otras preguntas si lo desea), pero esto es lo esencial:

Si todo salió bien en la etapa de entrada, TAEM comenzará a unos 82.000 pies y 60 millas náuticas de la pista (trayectoria terrestre prevista, no distancia en línea recta).

Mientras que la guía de entrada utiliza principalmente el ángulo de alabeo para gestionar la energía, TAEM utiliza principalmente el ángulo de ataque. Por debajo de Mach 1, el freno de velocidad (un timón dividido) también ayuda con la gestión de la energía.

^{Fuente: NASA}

Fases del TAEM:

1. Giro en S : por lo general, no se requiere, pero el transbordador realizará giros en S si tiene demasiada energía al comienzo de TAEM (demasiado alto o demasiado cerca de la pista).
2. Adquisición : gira el orbitador hacia un punto de tangencia en el cono de alineación de rumbo (HAC) y luego vuela al nivel de las alas hasta que intercepta el HAC. El punto de tangencia se denomina "waypoint 1" (WP1). Durante esta fase, el orbitador reduce la velocidad por debajo de Mach 1, momento en el que el comandante toma CSS (dirección con palanca de control), que es lo más parecido que tiene el transbordador a un modo "manual".
3. Alineación de rumbo : guía al orbitador alrededor de un "cono" virtual (vea el diagrama a continuación) hasta que esté alineado con la pista. No es realmente un cono, matemáticamente hablando, pero es la forma más fácil de visualizarlo.
4. Prefinal : Establece al orbitador en la senda de planeo exterior.

^{ETAGW Figura 3-13 que ilustra el HAC.}

Aproximación y aterrizaje

La fase de orientación final se denomina "Aproximación y aterrizaje". Comienza cuando el orbitador está por debajo de los 10 000 pies y se establece en la senda de planeo exterior (OGS), pero no más tarde de los 5000 pies, independientemente de la senda de planeo.

El OGS tenía una pendiente de planeo de 20 ° para orbitadores "ligeros" (peso bruto inferior a 222,000 libras) o 18 ° para orbitadores "pesados" (en comparación, los aviones normales usan una pendiente de planeo de 3 °). Pesado o ligero dependía de lo que había en la bahía de carga útil. El punto objetivo nominal para el OGS estaba a 7500 pies del umbral de la pista, pero también había un punto objetivo "cercano" a 6500 pies que se usaba en caso de un viento en contra lo suficientemente fuerte.

El freno de velocidad se usó para mantener 300 KEAS ( velocidad aérea equivalente en nudos ; es efectivamente la misma velocidad aérea indicada) en el OGS hasta 3000 pies, momento en el que calculó cuánto freno de velocidad debería ser necesario para aterrizar y se movió a esa posición. Volvería a calcular una vez más a 500 pies.

A 2000 pies, el orbitador comenzaría una maniobra de "preflare" diseñada para pasar de la OGS a la pendiente de planeo interior (IGS) poco profunda de 1,5°. Esto se logró con un pull-up circular seguido de un decaimiento exponencial en el IGS.

^{ETAGW Figura 4-8 que ilustra la geometría del preflare.}

En realidad, el IGS no se sigue por mucho tiempo, y es más una guía para asegurarse de cruzar el umbral de la pista en la trayectoria adecuada y colocarse en posición para comenzar el enderezamiento final, que es esencialmente lo mismo que un enderezamiento de aterrizaje convencional en un avión normal, excepto que el transbordador aterriza en un ángulo de ataque mucho más alto (alrededor de 8°) debido a sus alas delta (más similar al Concorde).

El tren de aterrizaje se desplegó a 300 pies, y si está interesado en el tren de aterrizaje, una vez escribí una respuesta completa sobre el despliegue del tren de aterrizaje .

El punto de toma de contacto objetivo estaba a 2500 pies por la pista a una velocidad aerodinámica de 195 nudos para los orbitadores ligeros, o 205 nudos para los pesados ​​(dentro de +5/-10 nudos).

El paracaídas de arrastre (una adición hecha a principios de los 90) se desplegaba poco después de la toma de contacto del tren principal, pero no más rápido que 195 nudos, y a veces esperaban hasta la toma de contacto del tren de proa si había viento cruzado. Se desecharía a 60 nudos para garantizar que el mecanismo de fijación del paracaídas no golpeara y dañara los motores principales.

Control

(por ejemplo, ¿cómo pudo el transbordador hacer cambios de actitud?)

En la entrada temprana, el orbitador todavía se controla como una nave espacial, utilizando chorros RCS para controlar la actitud. A medida que aumenta la presión dinámica (q-bar), las superficies aerodinámicas comienzan a activarse y los chorros RCS se apagan de la siguiente manera:

• q-bar = 0,5 libras/pie ² (psf), los elevones comienzan a actuar como ajuste.
• q-bar = 2 psf, los elevones comienzan a actuar como superficies de control activas.
• q-bar = 10 psf, los chorros giratorios RCS están deshabilitados.
• q-bar = 40 psf, los surtidores de paso RCS están desactivados.
• Mach 10, el freno de velocidad se abre en un horario preprogramado para actuar como ajuste de cabeceo.
• Mach 5, el timón se activa, actuando inicialmente principalmente como compensación de alerones.
• Mach 1, los chorros de guiñada RCS están desactivados.

Navegación

(por ejemplo, ¿cómo supo el transbordador dónde estaba?)

La navegación, en términos de la NASA, básicamente significa saber dónde se encuentra (la orientación responde a la pregunta "¿cómo llego a donde quiero ir?"). Durante la entrada, el transbordador usó principalmente unidades de navegación inercial , que se alinearon usando un rastreador de estrellas antes de la quema de salida. A medida que se acercaba al lugar de aterrizaje, también podía incorporar señales de GPS y/o TACAN en los datos de navegación. OV-105 (también conocido como transbordador espacial Endeavour) tenía tres unidades de GPS instaladas y ningún TACAN, mientras que los otros orbitadores tenían tres TACAN y una unidad de GPS.

En el HAC, en cualquier lugar entre 15k y 20k pies de altura, el orbitador captaría el sistema de aterrizaje por microondas (MLS), que actúa como un ILS de muy alta precisión. A partir de esto, pueden determinar su posición con alta precisión y exactitud. Una vez adquirida, se convierte en la fuente principal de datos de navegación para el resto del vuelo.

En los videos de aterrizaje, en realidad se puede ver exactamente cuándo recogen la MLS porque la cinta de altitud pasa de ser un poco entrecortada, luego salta un poco y se vuelve suave. Por ejemplo, mire aquí alrededor de la marca de 20k (la cinta de altitud es la de la derecha).

Por debajo de los 5000 pies, el orbitador también pudo usar un altímetro de radar para obtener información sobre la altitud.

Probablemente sea más información de la que estaba buscando, pero si tiene preguntas sobre cosas que no cubrí, o sobre las que no profundicé lo suficiente, siéntase libre de hacer preguntas separadas para esas.

El procedimiento para que el transbordador espacial vuelva a entrar en la atmósfera terrestre es aproximadamente el siguiente:

1. El transbordador suele volar boca abajo, con la cola vertical mirando hacia la tierra y el morro en la dirección del vuelo.

2. El transbordador primero sale de órbita al girar 180$^{\circ}$(en el eje de guiñada) y disparando los propulsores, reduciendo así la velocidad, un procedimiento llamado retrodisparo (o quemado fuera de órbita).

3. Entonces, el transbordador 'voltea' ~140$^{\circ}$(en el eje de cabeceo), de modo que entra en la atmósfera alrededor de 40$^{\circ}$.

4. En este punto, la atmósfera comienza a espesarse y la parte inferior del transbordador espacial se calienta. Debido al ángulo de ataque muy alto, el transbordador genera mucha resistencia, lo que ayuda a reducir la velocidad.

5. Luego, una serie de giros inclinados en forma de 'S' de hasta 70$^{\circ}$de banco se realizan, manteniendo los 40$^{\circ}$ángulo de ataque. Esto se hace para reducir la velocidad.

6. Después de completar el giro final (ladeo), el comandante asume el control del transbordador (está bajo el control del piloto hasta ahora), quien "vuela" el transbordador (en un ángulo de ataque negativo antes de nivelarse) y aterriza en la pista

Fuente: zlutykvet.cz

El sistema de control de vuelo del transbordador consta de los siguientes componentes:

• Motores de maniobra

• elevones

• Aletas del cuerpo

• Timón partido (que actuaba como freno de velocidad).

Fuente: quest.arc.nasa.gov

No había propulsores inversos. El transbordador generalmente aterrizaba en el Centro Espacial Kennedy en Florida o en su sitio de aterrizaje de respaldo en la Base de la Fuerza Aérea Edwards en California; El reingreso fue un viaje de ida. No hubo vuelta atrás ya que el transbordador espacial era esencialmente un planeador de muy alta tecnología aunque ineficiente durante la secuencia de reingreso y aterrizaje.

Después del aterrizaje, el paracaídas piloto se despliega después de un segundo, lo que abre el paracaídas principal (de arrastre), lo que reduce la velocidad del transbordador. Después de que el transbordador se detiene, el paracaídas de arrastre se desecha.

Fuente: spacehuttleguide.com

Para iniciar el proceso de aterrizaje, el transbordador ejecuta un encendido de desorbitación.

Cuando llega el momento de regresar a la Tierra, el orbitador gira de cola en la dirección de viaje para prepararse para otro encendido de los motores del sistema de maniobra orbital. Este disparo se llama la quemadura de desorbitar. El tiempo de ignición (TIG) suele ser aproximadamente una hora antes del aterrizaje. La quema dura de tres a cuatro minutos y reduce la velocidad del transbordador lo suficiente como para comenzar su descenso.
_{^{Todas las citas proceden de la NASA}}

Para reducir la velocidad una vez en la atmósfera

Para usar el exceso de energía, el orbitador realiza una serie de cuatro inclinaciones pronunciadas, girando hasta 80 grados hacia un lado o hacia el otro, para reducir la velocidad. La serie de bancos le da a la trayectoria del transbordador hacia el aterrizaje una apariencia similar a una letra "S" alargada.

Para controlar el transbordador dentro de la atmósfera terrestre.

Al principio del reingreso, la orientación del orbitador es controlada por los chorros de dirección de popa, parte del sistema de control de reacción. Pero durante el descenso, el vehículo vuela menos como una nave espacial y más como un avión. Sus superficies aerodinámicas, los alerones y el timón, se activan gradualmente a medida que aumenta la presión del aire. A medida que esas superficies se vuelven utilizables, los chorros de dirección se apagan automáticamente.

Para hacer una vuelta

Durante el reingreso y el aterrizaje, el orbitador no funciona con motores. En cambio, vuela como un planeador de alta tecnología , confiando primero en sus chorros de dirección y luego en sus superficies aerodinámicas para controlar el flujo de aire a su alrededor. ^{Énfasis mío}

es decir, es un planeador, no está disponible.

Dónde aterriza: ¡En el suelo, por supuesto!
Mas serio,

• El sitio de aterrizaje principal para la mayoría de las misiones del transbordador fue la instalación de aterrizaje del transbordador en Cabo Cañaveral .
• La Base de la Fuerza Aérea Edwards en Rogers Dry Lake Runways era una alternativa. Edwards también fue el sitio de aterrizaje principal para las primeras varias (¿10 o más?) misiones del transbordador.

Otros sitios de aterrizaje alternativos incluyeron:

• White Sands Missile Range (el único otro sitio que se utilizará)
• Base de la Fuerza Aérea Vandenberg
• Aeropuerto de Lincoln/Base de la Guardia Nacional Aérea de Lincoln .
• Otros lugares fueron destinos de aborto de emergencia para su uso antes de que el transbordador abandonara la atmósfera terrestre.

Fuente: http://science.howstuffworks.com/space-shuttle7.htm

Cuando finaliza una misión y el transbordador está a medio camino alrededor del mundo desde el lugar de aterrizaje (Centro Espacial Kennedy, Base de la Fuerza Aérea Edwards), el control de la misión da la orden de volver a casa, lo que incita a la tripulación a:

1. Cierre las puertas de la bahía de carga. En la mayoría de los casos, han estado volando de frente y boca abajo, por lo que luego disparan los propulsores RCS para girar primero la cola del orbitador.
2. Una vez que el orbitador está primero con la cola, la tripulación enciende los motores OMS para reducir la velocidad del orbitador y volver a caer a la Tierra; tomará alrededor de 25 minutos antes de que el transbordador llegue a la atmósfera superior.
3. Durante ese tiempo, la tripulación dispara los propulsores RCS para inclinar el orbitador de modo que la parte inferior del orbitador mire hacia la atmósfera (alrededor de 40 grados) y se mueven de nuevo con la nariz primero.
4. Finalmente, queman el combustible sobrante del RCS delantero como medida de seguridad porque esta área se encuentra con el mayor calor de reingreso.

Lo que sucede aquí es que la velocidad con la que el transbordador está volando alrededor de la Tierra, que es la velocidad que lo mantiene en órbita, se reduce disparando cohetes en la dirección opuesta. Una vez que la velocidad se reduce lo suficiente, el transbordador comienza a salirse de la órbita y regresar a la Tierra. Todavía no ha comenzado a encontrar una cantidad significativa de atmósfera en el paso 4 anterior.

Debido a que se mueve a aproximadamente 17 000 mph (28 000 km/h), el orbitador golpea moléculas de aire y acumula calor por la fricción [sic] (aproximadamente 3000 grados F o 1650 grados C).

Esta es la siguiente fase de "desaceleración". En este punto, teniendo en cuenta el paso 4 anterior, el transbordador no tiene combustible ni forma de autopropulsarse. Ahora es un planeador cayendo desde el espacio. A medida que el transbordador comienza a golpear las moléculas de aire, la compresión del aire genera calor (más que la fricción, un error en el pasaje citado), que podemos ver como una transferencia de energía de cinética a térmica. La pérdida de energía cinética es una reducción en la velocidad del transbordador, por lo que ahora el transbordador se está desacelerando a velocidades atmosféricas. Es un poco complicado porque el Transbordador necesita aire para reducir la velocidad, pero golpear demasiado aire demasiado rápido podría causar una acumulación rápida de calor y destruir el Transbordador. El ángulo de incidencia correcto con la atmósfera es clave para controlar la tasa de calentamiento frente a la desaceleración.

Cuando el reingreso es exitoso, el orbitador se encuentra con el aire principal de la atmósfera y puede volar como un avión [sic]. El orbitador está diseñado a partir de un diseño de cuerpo de elevación con alas "delta" inclinadas hacia atrás. Con este diseño, el orbitador puede generar sustentación con un área de ala pequeña. En este punto, las computadoras de vuelo vuelan el orbitador. El orbitador realiza una serie de giros inclinados en forma de S para disminuir su velocidad de descenso cuando comienza su aproximación final a la pista.

El orbitador es realmente un planeador en este punto, no un avión. No tiene superficies de control tan sofisticadas como muchos aviones, por lo que los giros en S se utilizan para reducir la velocidad.

Cuando el orbitador está a 2000 pies (610 m) sobre el suelo, el comandante levanta el morro para reducir la velocidad de descenso . El piloto despliega el tren de aterrizaje y el orbitador aterriza. El comandante frena el orbitador y se abre el freno de velocidad en la cola vertical. Se despliega un paracaídas desde atrás para ayudar a detener el orbitador. El paracaídas y el freno de velocidad en la cola aumentan la resistencia del orbitador. El orbitador se detiene aproximadamente a mitad de camino a tres cuartas partes del camino por la pista.

Entonces, aunque el transbordador tiene un sistema de frenos de aire en la cola, generalmente no se usa hasta después del aterrizaje.

Como se señaló en otra parte, no hay posibilidad de dar la vuelta. Una vez que la quema de salida de órbita pasa cierto punto, el reingreso y el aterrizaje están completamente comprometidos. Teniendo en cuenta ese hecho, y el hecho de que todo el proceso de gestión de la velocidad, la alineación para el aterrizaje, el enderezamiento, el aterrizaje y la rodada hasta detenerse tienen que ocurrir correctamente la primera vez sin un margen de error muy amplio, podemos estar impresionados de cómo nunca hemos perdido un Transbordador en el proceso de aterrizaje, y solo un Transbordador durante el reingreso.

Para dar una versión menos científica de lo que ya se dijo: no hay necesidad de reducir significativamente la velocidad antes del reingreso, ya que el reingreso es la forma de reducir la velocidad. Y el Transbordador no estará caliente antes del reingreso, sino que el reingreso lo calienta.

Con algo más de detalle: Sí, el transbordador debe reducir la velocidad antes de aterrizar. Pero la razón de su alta velocidad no es que esté cayendo desde una altura tan alta. Más bien, en realidad no es tan alto: AFAIK, una órbita típica de transbordador está a unos 150 km sobre el suelo. Si compara eso con el diámetro de la Tierra a más de 13000 km, la órbita del transbordador está realmente cerca del suelo. La razón de su alta velocidad (alrededor de 5 millas por segundo ) en relación con el suelo es que necesita esa velocidad para permanecer en órbita y no caer. Es por eso que el transbordador espacial se sienta en un cohete tan grande en el momento del lanzamiento: no es necesario tanto levantar el transbordador alto, sino más bien darle esa gran velocidad necesaria para permanecer en órbita.

Pero no puede aterrizar un transbordador a esa velocidad, por lo que el transbordador debe reducir la velocidad antes de aterrizar. ¿Cómo lo haces? Usar otro propulsor de cohetes sería una idea. Pero eso significaría llevar una gran cantidad de combustible para cohetes a la órbita. Y eso, a su vez, requeriría cohetes mucho más grandes en el lanzamiento para levantar y acelerar la masa añadida al transbordador por esos cohetes de "freno". En cambio, el transbordador utiliza otro enfoque: se ralentiza solo un poco (el "quemado de órbita" explicado en otras buenas respuestas) usando sus propulsores. De esta forma no puede mantener su órbita y se acerca más a la Tierra y su atmósfera. La quema de salida de órbita no reduce significativamente la velocidad del transbordador, pero en la atmósfera su velocidad causa un arrastre significativo.

1. El transbordador espacial se desacelera durante el reingreso usando su parte inferior, volando en un ángulo de ataque muy pronunciado. Aquí hay algunas imágenes que ilustran cómo se ve. El reingreso genera mucho calor y la parte inferior tiene baldosas especiales resistentes al calor para hacer frente a esto.
2. Durante el reingreso, el transbordador no está realmente "volando" tanto usando su parte inferior para reducir la velocidad. En esa etapa, los flaps, los spoilers y el empuje inverso habituales no servirían de mucho. La reentrada se refiere normalmente solo a la parte en la que el transbordador entra en la atmósfera. Después de un tiempo, cuando la velocidad se reduce lo suficiente, el transbordador comienza a volar más como un avión normal y usa los controles normales. Esa fase normalmente no se llama reingreso. Cuando ha aterrizado, tiene un paracaídas que lo frena, así como frenos de ruedas normales que lo ayudan a disminuir la velocidad. Los motores no funcionan durante el aterrizaje, por lo que no hay empuje inverso.
3. El transbordador no tiene forma de dar la vuelta.
4. El transbordador generalmente aterriza en el Centro Espacial Kennedy, mientras que las primeras misiones y algunas posteriores aterrizaron en la base de la Fuerza Aérea Edwards en California. Una misión aterrizó en la base de White Sands en Nuevo México. Wikipedia tiene más información.

Un vistazo rápido a la página del transbordador espacial en Wikipedia responderá a todas sus preguntas.

Por cierto, el transbordador espacial (más específicamente, el orbitador no era (el último vuelo fue en 2011) diferente de cualquier otra nave espacial/cápsula/vehículo orbital/etc.: durante el reingreso, se usó la resistencia aerodinámica para reducir la velocidad del vehículo.

El Orbiter era un cuerpo elevador , con alerones/elevadores y un timón que también funcionaba como freno de velocidad. El Orbiter era un "planeador" durante el reingreso, sin propulsión, por lo que un Go-Around estaba fuera de discusión.