Dinámica de reingreso

He estado leyendo mucho y no he podido encontrar ninguna explicación clara. Tal vez estoy un poco confundido o tal vez solo estoy buscando en los lugares equivocados.

Mi pregunta es, ¿cuáles son algunos principios básicos o pautas para las condiciones de reingreso en una nave espacial? Digamos que tengo un vehículo en una órbita circular a X km y realizo un retroquemado para poner mi perigeo en la punta de la atmósfera terrestre. Usando un diseño de cápsula de cara roma, ¿cuáles son algunas suposiciones o relaciones básicas que puedo usar para estimar la velocidad inicial, el ángulo de entrada (límites del corredor), la desaceleración máxima, el flujo de calor, etc.? He encontrado varios recursos en línea, sin embargo, sigo obteniendo números incorrectos de mis cálculos.

Por lo menos, ¿alguien podría indicarme la dirección correcta? ¿O incluso explicar algunos conceptos que me pueden faltar? Me he ocupado de la mecánica orbital en el pasado, pero esto parece un juego de pelota completamente nuevo.

En este punto, solo necesito algunos números con los que trabajar (carga g máxima, flujo de calor y temperatura máxima) para poder usar esos parámetros para el diseño estructural y de materiales. También será necesario trazar perfiles de vuelo, sin embargo, no es una prioridad principal en este momento.

Aquí hay un ejemplo resuelto para encontrar la desaceleración máxima. De acuerdo con este PDF de la FAA , la desaceleración máxima se puede encontrar usando a máximo = ( V 2 ) ∗ ( H ∗ s i norte ( γ ) ) / ( 2 ∗ mi ) donde V es la velocidad inicial, H es la altura a escala terrestre y γ es el ángulo de la trayectoria de vuelo.

Así que digamos que estoy entrando en la atmósfera de la Tierra a 10 km/s y quiero una carga g máxima de 8 g, o 78,48 m/s 2 . Usando esta ecuación, necesitaré un ángulo de trayectoria de vuelo de 1,75 grados que me parece muy bajo. Las misiones Apolo tenían velocidades similares y, sin embargo, su corredor de entrada se encontraba en torno a los 7 grados.

¿Es posible que el ángulo de entrada inicial de 7º se convierta en un ángulo de trayectoria de vuelo de 1,75º en virtud de la sustentación de la cápsula? Los astronautas de Mercurio en realidad experimentaron cargas g más altas (más de 11 g) que las de Apolo, a pesar de la menor velocidad en la interfaz de entrada, porque la cápsula dio muy poca sustentación.
Buen punto, algo para investigar. Sé que las cápsulas de Apolo tenían una relación L/D de aproximadamente 0,3
Este diagrama sugiere que saltarse el reingreso era típico . Estoy buscando algún texto que lo respalde. Entonces, el ángulo inicial se habría reducido y se habría vuelto negativo brevemente antes de regresar, por lo que tendría que complicar bastante esa ecuación de g de ángulo fijo. images.spaceref.com/Apollo/ALLMS/P02_F32_625.jpg
Aquí hay un gráfico de altitud por tiempo del reingreso de Apolo: kenrockwell.com/Images/nasa/apollo-11/24-july/reentry-curve.gif
Tanto Apollo como Shuttle estaban calificados para saltarse la entrada, pero nunca lo hemos hecho. La nave espacial soviética Zond que regresó de la Luna hace mucho tiempo lo ha hecho, y los rusos están pensando en usar una entrada de salto de forma rutinaria si comienzan a hacer sobrevuelos lunares Soyuz.
Para que se entienda la terminología, "ángulo de trayectoria de vuelo de entrada" tiene significado solo junto con una altitud o radio de interfaz de entrada definido. El ángulo de la ruta de vuelo siempre cambia, ya sea que haya golpeado la atmósfera o no, pero solo hay un ángulo de ruta de vuelo de entrada por entrada. Para Apolo, la interfaz de entrada se definió a 400 000 pies (unos 122 km). Para las misiones a Marte, usamos un radio de 3522,2 km, independientemente de dónde se encuentre la superficie, que es una altitud de 125 km sobre el radio ecuatorial medio. No sé qué utilizó Shuttle. (Supongo que 400,000 pies también).

Respuestas (1)

No existen buenas relaciones informales para obtener lo que desea. Sin embargo, todo lo que necesita es un integrador numérico simple, un modelo de atmósfera con dispersiones y un modelo de vehículo con masa, tamaño y algunos coeficientes aerodinámicos. Luego puede jugar con las condiciones de entrada (velocidad y ángulo de trayectoria de vuelo) para ver las trayectorias. La entrada balística es un buen lugar para comenzar, y una vez que lo haga funcionar, puede agregar una pequeña relación de elevación a arrastre para el control. Las dispersiones son importantes, así como la incertidumbre en el ángulo de la trayectoria de vuelo de entrada, para evaluar si es demasiado poco profundo para evitar de manera confiable un salto involuntario.

Busque en Google "Sutton-Graves" fórmulas simples para calcular el calentamiento por convección del punto de estancamiento, lo que le brinda un orden de magnitud en el calentamiento máximo y la carga de calor integrada. Mucho más difícil de calcular es el calentamiento por radiación, que puede ser tanto como el calentamiento por convección para una entrada a la Tierra. Los códigos para obtener una predicción real del calentamiento son bastante complicados.

¿A qué dispersiones te refieres?
Principalmente dispersiones en la densidad de la atmósfera en función de la altitud. Pero también las dispersiones en la temperatura atmosférica (que afectan a Mach y, por lo tanto, a la resistencia), las dispersiones en el ángulo de la trayectoria de vuelo de entrada, las dispersiones en la actitud del vehículo, las dispersiones en los coeficientes aerodinámicos del vehículo y muchos más. Por lo general, hay cientos de variables dispersas en una simulación Monte Carlo de entrada atmosférica.
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