Ablativer Hitzeschild und Energieeinsparung, wie viel "trägt" abgetragene Materie die absorbierte Wärme tatsächlich "weg" oder strahlt sie wieder ab?

Ich habe diese Handlung aus der Heiligen Bibel ( NASA Aerothermodynamics Lecture ) gefunden (ebenfalls archiviert ):

Ich behaupte nicht, genau zu verstehen, was Folie 69 beschreibt, aber Sie könnten (aus dieser Grafik) den Schluss ziehen, dass eine ~25%ige Reduzierung der konvektiven Erwärmung durch Ablation möglich ist.

Dieser Artikel Radiative Heating Uncertainty for Hyperbolic Earth Entry, Part 1:Flight Simulation Modeling and Uncertainty, Johnston et al. enthält auch Handlungen ähnlicher Art wie die obige, jedoch mit weniger dramatischer Wirkung.

Für eine feste Oberfläche, die sich in einem Luftstrom bewegt, bildet sich eine Grenzschicht in einem Bereich nahe der Oberfläche, und die Luftgeschwindigkeit variiert innerhalb dieser Grenzschicht von Null relativ zur Oberfläche bis zur Geschwindigkeit des freien Stroms außerhalb der Grenzschicht und der Der physikalische Mechanismus für diesen Geschwindigkeitsgradienten ist die Luftviskosität oder Reibung.

Es wird also Arbeit an der Luft in der Grenzschicht verrichtet, was zu Erwärmung und erhöhten Temperaturen führt. Bei sehr hohen Freistrahlgeschwindigkeiten sind die erreichten Temperaturen hoch genug, um die Luftmoleküle zu dissoziieren und Plasma zu erzeugen.

Eine sehr heiße Grenzschicht leitet Wärme an die Oberfläche und erhöht ihre Temperatur genug, um eine Pyrolyse innerhalb einer Schicht des Feststoffs zu verursachen; dh eine Umwandlung von Feststoff zu Gas. Die latente Wärme dieser Umwandlung ist die von der Oberfläche weggetragene Energie; das entstehende Gas wird in die Grenzschicht eingebaut und vom Fahrzeug weggetragen. Dies ist eine einfache Erklärung des Ablationsprozesses.

Ich glaube, der Fragesteller fragt, wie die latente Energie, die der Oberfläche entnommen wird, mit der Energiestrahlung verglichen wird, die zwischen dem Plasma in der Grenzschicht zurück zur Oberfläche auftritt. Diese "Wiederbestrahlung" tritt auf, weil die neue Oberfläche, die freigelegt wird, wenn Material abgetragen wird, eine niedrigere Temperatur als das Plasma hat. Es gibt auch eine Rückstrahlung von der Grenzschicht in vom Fahrzeug entfernte Bereiche. Ein gründliches Verständnis des gesamten Ablationsprozesses erfordert eine beträchtliche Komplexität.

Die einfache Antwort ist, dass wir wissen, dass diese an die Oberfläche zurückgestrahlte Energie viel geringer sein muss als die latente Energie, sonst würde die Ablation nicht funktionieren und die Oberfläche würde zerstört werden. Dies weist auch darauf hin, dass die Rückstrahlung vom Fahrzeug weg ebenfalls klein sein muss, wenn auch größer als die zurück zur Oberfläche, da die Senkentemperatur der Umgebung viel geringer ist als die Oberflächentemperatur. Außerdem ist der Formfaktor für die Abstrahlung vom Fahrzeug weg wahrscheinlich größer.

Bei alledem und konkret auf die Fragen:

Wie viel Wärme kann abgetragene Materie tatsächlich als erhitztes Material "wegtragen"?

Die Frage "Wie viel" ist nicht definiert, da sie entweder eine numerische Antwort oder eine Antwort angeben könnte, die relative Größen beschreibt. Relativ trägt die abgetragene Materie den überwiegenden Teil der dissipierten kinetischen Energie des sich bewegenden Nasenkegels weg. Wenn nicht, würde die Ablation nicht funktionieren.

Wie viel strahlt es einfach zurück in Richtung der Plasmahülle?

Auch hier ist Ihnen nicht klar, was Sie mit "wie viel" meinen. Außerdem scheinen Sie das abgetragene Material von der Plasmahülle zu trennen. In Wirklichkeit trägt das abgetragene Material zur Plasmahülle bei. Aber auch hier muss die zur Oberfläche zurückgestrahlte Energiemenge nur ein kleiner Teil der Gesamtenergie sein, die von dem abgetragenen Material weggetragen wird, sonst würde die Ablation nicht funktionieren.

Können diese als Bruchteil der Gesamtenergie ausgedrückt werden, die beim Stoppen der Kapsel verbraucht wird?

Ja, natürlich. Der Anteil aufgrund der Ablation wird nahe bei Eins liegen, da die Ablation der Hauptmechanismus ist, durch den der Nasenkonus verlangsamt wird. Ein kleinerer Bruchteil ist auf die Energie zurückzuführen, die durch alle Mechanismen vom Nasenkegel weg abgestrahlt wird, einschließlich Strahlung von der Plasmahülle und Strahlung direkt von der Oberfläche, für die das Plasma mehr oder weniger transparent ist. Der spezielle Zahlenwert hängt von der speziellen Anwendung ab, beispielsweise von der Art des abgetragenen Materials, der Geometrie des Nasenkegels, der Luftgeschwindigkeit, der Höhe und Dichte der Luft und anderen Variablen, die niemand beantworten kann ein Zahlensinn.

Können sie auch in Joule/kg abgetragenes Material ausgedrückt werden?

Ja, natürlich. Die kinetische Energie des sich bewegenden Nasenkegels kann in Joule ausgedrückt werden, und die Masse des abgetragenen Materials kann in kg ausgedrückt werden. Der Geschwindigkeitsabfall des Nasenkegels spiegelt die Menge an verbrauchter kinetischer Energie wider, die auch in Joule ausgedrückt werden kann. Diese letztere Größe dividiert durch die Masse des abgetragenen Materials im Prozess ergibt das gewünschte Verhältnis. Dieses Verhältnis hängt jedoch von den vielen Variablen ab, die ich oben angegeben habe, mit einer Variation, die von der Rolle der Strahlungsenergie des Fahrzeugs abhängt.