¿Por qué las naves espaciales se calientan al entrar en la Tierra pero no al salir?

Question

Hace poco leí sobre las naves espaciales que entran en la tierra utilizando un escudo térmico. Sin embargo, al salir de la atmósfera de la Tierra, no se calienta, por lo que todavía no necesita un escudo térmico en ese momento. ¿Por qué es así? Sé que al entrar en la Tierra, la nave espacial se calentará debido a diversas fuerzas como la gravedad, la resistencia y la fricción que actúan sobre ella, lo que hace que se caliente. Esta es la razón por la que una nave espacial que entra en la atmósfera de la Tierra necesitaría un escudo térmico. ¿Por qué una nave espacial que sale de la atmósfera no experimentaría lo mismo? Se agradece cualquier ayuda.

Answer 1

El calentamiento aerodinámico depende de la densidad de la atmósfera y de la velocidad a la que se desplaza; un aire denso y una velocidad elevada implican un mayor calentamiento. Cuando el cohete se lanza, parte de una velocidad cero en la parte de la atmósfera que es más densa y acelera hacia un aire progresivamente menos denso; por tanto, durante el perfil de lanzamiento la cantidad de calentamiento atmosférico es pequeña. En el momento de la reentrada, desciende en la atmósfera partiendo no de una velocidad cero, sino de su velocidad orbital, y a medida que cae hacia la Tierra va ganando velocidad a medida que disminuye el radio de su órbita. En el momento en que se encuentra con aire lo suficientemente denso como para provocar el calentamiento, se mueve a una velocidad tremenda y se calienta mucho, mucho.

Answer 2

Hace poco leí sobre las naves espaciales que entran en la tierra utilizando un escudo térmico. Sin embargo, al salir de la atmósfera terrestre, no se calienta, por lo que no necesita un escudo térmico. ¿Por qué es así?

Una nave espacial en el lanzamiento hace se calienta, pero no en la medida en que lo hace en la reentrada. Y se calienta por la misma razón arrastre atmosférico que incluye la compresión adiabática del aire y la fricción atmosférica. La diferencia clave entre el lanzamiento y la reentrada es que se trata de dos perfiles de vuelo diferentes destinados a optimizar la variable de la resistencia (menos resistencia en el lanzamiento, más resistencia en la reentrada). ( Esta es una afirmación simplificada para responder a la pregunta de la OP sobre el calentamiento del vehículo: la dinámica real de lanzamiento y reentrada de los cohetes es una optimización multivariable. )

En el lanzamiento, el cohete pasa la parte inicial del vuelo intentando ganar altitud para entrar en la atmósfera superior, donde el aire es menos denso. Luego pasa a un régimen de velocidad lateral para ganar la velocidad lateral necesaria para obtener la órbita. El perfil del cohete intenta minimizar la resistencia, ya que es un desperdicio de combustible. Menos resistencia = menos calentamiento.

Mira el perfil de lanzamiento más abajo. Se ve que en los momentos iniciales del lanzamiento el cohete no se mueve mucho hacia abajo, en relación con su altitud. Es en los últimos momentos del vuelo cuando empieza a desplazarse lateralmente una vez que ha salido de la parte densa y baja de la atmósfera. Incluso se puede ver que las fuerzas aerodinámicas máximas, Max-Q (arrastre), se experimentan a muy baja altura en la atmósfera, sobre todo debido a la densidad del aire.

Sé que entonces, al entrar en la Tierra, la nave se calentará debido a diversas fuerzas como la gravedad y el arrastre y la fricción que actúan sobre ella, provocando así su calentamiento.

Al reingresar, el El perfil de vuelo está optimizado para experimentar un aumento de la resistencia aerodinámica manteniendo un nivel de desaceleración y una carga térmica soportables . Lo hacen porque el vehículo necesita desprenderse de la velocidad orbital (del orden de 16.000 mph) y la forma más barata de hacerlo es dejar que la resistencia atmosférica le frene. La técnica se llama aerofreno . Debido a que han diseñado el perfil de vuelo para generar una mayor resistencia aerodinámica (en comparación con el lanzamiento) y porque la velocidad con la que penetra en la atmósfera, experimenta mucho mayor acumulación de calor que en el lanzamiento. Más resistencia, más velocidad = más calentamiento.

El calor generado proviene simplemente de la conservación de la energía. La velocidad del vehículo se desprende en forma de calor mediante la ablación (del escudo de reentrada), la compresión adiabática del aire y otros efectos. La energía cinética del vehículo se transforma en energía térmica, lo que provoca la pérdida de velocidad. Al igual que en tu coche, cuando se detenga, los frenos se habrán calentado mucho porque han convertido la KE del vehículo en energía térmica.

Ahora mira los perfiles de reingreso de abajo. Notarás que tienen una parte casi nivelada en el medio. Ahí es donde se realiza la maniobra de aerofrenado.

Si no utilizaran el aerofreno, el vehículo tendría que llevar suficiente combustible de cohete para disparar en contra de la dirección del movimiento hasta que la velocidad relativa fuera lo suficientemente lenta como para descender sin calentarse y/o desintegrar el vehículo. Así que este método de aterrizaje, sin aerofreno es posible (es como aterrizamos en lunas sin aire), pero extremadamente ineficiente.

Answer 3

Velocidad y eficiencia.

Un objeto que intente entrar en órbita viajará en una parábola bastante pronunciada. Cuanto más tiempo pase en la atmósfera, más energía perderá por el arrastre, y cuanto más pierda por el arrastre, más combustible necesitará. Así que una estrategia sólida para alcanzar la órbita es llegar a la órbita objetivo con una curva mínima y luego quemar hasta tener la velocidad lateral adecuada. Parte de la razón es que el aumento de la velocidad orbital afecta a la altitud a 180 grados de distancia, en el lado opuesto de la órbita.

Un objeto que está desorbitando estará perdiendo velocidad (urg, ver nota de edición 1) y generalmente querrás usar la atmósfera para ayudarte a frenar, ya que el combustible para frenar es el más caro del viaje. Eso significa que entras en la atmósfera con gran parte de tu velocidad orbital restante, y necesitas al menos 8km/s para permanecer en una órbita baja. Cuando viajas a esa velocidad, el aire simplemente no puede apartarse de tu camino lo suficientemente rápido, y cada vez que comprimes algo también lo calientas.

O si quieres una respuesta más sencilla: El calentamiento debido a la atmósfera te cuesta energía, quieres evitarlo al máximo al subir y aprovecharlo al bajar.

Perdone si esta respuesta suena inconexa. https://what-if.xkcd.com/58/ entra en mucho más detalle de lo que yo puedo hacer aquí y con mucha más autoridad que yo en el tema. También es posible que quiera leer https://what-if.xkcd.com/24/ y https://what-if.xkcd.com/28/ para más información sobre los perfiles de lanzamiento y reentrada respectivamente.

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Nota de edición 1: Supongo que debería ser más claro en esto... un objeto que trata de desorbitar está tratando de perder velocidad pero no es exacto decir que está desacelerando todo el tiempo.

Durante la primera parte de la órbita, el objeto disminuye su aceleración mientras su velocidad aumenta, y no empieza a desacelerar adecuadamente hasta que está bastante suborbital. Sin embargo, eso será probablemente alrededor del punto en el que el aerofreno está haciendo su trabajo, en algún lugar en el área de 40-60 km de altura. El punto exacto de la velocidad máxima depende de muchas cosas, como la velocidad terminal del objeto y la cantidad de combustible que hay que consumir.

Lo que trataba de decir, malamente, es que un objeto que quiere desorbitar también quiere perder velocidad para que eso ocurra de una manera menos destructiva.

Answer 4

En el lanzamiento, el cambio de velocidad lo proporcionan los motores del cohete. A medida que el cohete vuela, va tirando masa en forma de escape del cohete - normalmente más del 90% de la masa inicial del cohete es propulsor. Como el empuje se mantiene casi constante mientras la masa disminuye, la aceleración aumenta en el transcurso del lanzamiento¹, por lo que gran parte del aumento de velocidad se produce al final del vuelo, cuando el cohete está fuera de la parte más densa de la atmósfera, por lo que se genera mucho menos calor por compresión (aunque David Hammen tiene razón en que el carenado de la carga útil requiere una atención significativa al diseño térmico). La aceleración hasta la velocidad orbital se produce durante un periodo de tiempo bastante largo, normalmente de 10 a 15 minutos, dependiendo del diseño del lanzador.

En la reentrada, el cambio de velocidad viene dado por la resistencia del aire; obviamente, esto no puede ocurrir hasta que la nave que reentra se encuentre en una atmósfera relativamente densa. Una vez que comienza a desacelerar significativamente, se produce un efecto de retroalimentación positiva: a medida que la velocidad horizontal de la nave disminuye, pierde altitud más rápidamente², lo que la lleva a un aire más denso, que la desacelera aún más rápidamente. Por ello, la mayor parte de la desaceleración se produce en un periodo de tiempo muy corto, de unos dos minutos. Toda la energía cinética asociada a la velocidad orbital se convierte en calor en ese periodo.

¹ La mayoría de los cohetes reales son multietapa, lo que complica esto, pero sigue siendo fiel a una aproximación.

² Complicado en las naves del mundo real por los efectos de sustentación, que anulan parte de la pérdida de altitud o incluso la invierten en las trayectorias de entrada saltada, lo que permite prolongar la fase de reentrada en el tiempo, reduciendo la fuerza g en la tripulación y la temperatura máxima del fuselaje, pero ampliando la duración total del calentamiento y el estrés.

Answer 5

Teóricamente no hay ninguna necesidad de calentar una nave espacial .

Esencialmente podemos mover la nave espacial como una pluma en órbita, verticalmente hacia arriba y hacia abajo... teóricamente . Las otras respuestas no lo dicen explícitamente.

Pero hay un problema muy feo para los ingenieros, el Ecuación del cohete de Tsiolkovsky y el pozo de gravedad muy profundo de la tierra.

$v_e$ está limitada por los propulsores que utilizamos. En realidad estamos utilizando propulsores químicos casi óptimos con hidrógeno/oxígeno (queroseno para la etapa más baja), por lo que no es posible una optimización real.

$ln \frac{m0}{mf}$ también se optimiza al máximo, los cohetes se reducen al mínimo absoluto, pero una proporción de 10:1 roza los límites técnicos.

A pesar de todas las optimizaciones, esto no es suficiente para dejar la Tierra .

Así que necesitamos varios etapas para alcanzar la órbita. Así que podemos salir finalmente de la Tierra, pero... ¿cómo volvemos? Necesitaríamos combustible para volver a frenar, pero en realidad no nos sobra.

Así que los ingenieros decidieron utilizar entrada atmosférica para frenar la nave espacial con un escudo térmico. Un método más suave es aerofreno para reducir la velocidad con varias pasadas por la atmósfera. Si tuviéramos un antorcha que no funcione con las limitaciones de los cohetes, sería algo realmente bueno porque no necesitaríamos la peligrosa e innecesaria fase de reentrada.