Wäre es möglich, das Problem der Reibungswärme beim Wiedereintritt in die Atmosphäre durch (vertikale) "U-Turns" zu vermeiden?

Wenn Sie eine Schaukel auf einem Kinderspielplatz anheben und loslassen, schwingt sie eine Weile hin und her und verliert bei jeder Schaukel etwas Höhe, hauptsächlich (?) aufgrund des Luftwiderstands. Irgendwann hat es alle Energie verloren und stoppt.

Könnte dieses Prinzip nicht angewendet werden, wenn ein Raumschiff wieder in die Atmosphäre eintritt? Das heißt, gehen Sie nach unten in die Atmosphäre und steuern Sie dann nach oben - wandeln Sie kinetische Energie in potentielle Energie um, verlieren Sie aber auch etwas Energie durch Reibung - wenn die Geschwindigkeit / Reibungswärme zu hoch ist, und kühlen Sie sich etwas ab (wenn Sie durch Gehen Geschwindigkeit verlieren). nach oben verringert sich die Reibung). Spülen und wiederholen, bis Sie genug Energie verloren haben, um zu vermeiden, dass die Hitze durch atmosphärische Reibung ein Problem darstellt.

Dies würde natürlich eine Art Flügel mit Steuerflächen erfordern, aber das Space Shuttle hatte genau das.

Nein, sobald Ihre Geschwindigkeit etwas unter die Umlaufgeschwindigkeit fällt, fangen Sie sofort an zu fallen . Sie treten in eine dickere Atmosphäre ein, die Sie viel schneller verlangsamt, und wenn Sie nicht äußerst vorsichtig sind, werden Sie zuerst durch 10 bis 20 g Verzögerung in Gelee verwandelt und dann von der Hitze wie hier verbrannt .
Denk darüber so: E = 1 2 M v 2 Die kinetische Energie einer 2,5 Tonnen schweren Sojus-Kapsel, die mit 8 km/s wieder in die Umlaufbahn eintritt, hat ein Energieäquivalent von 20 Tonnen TNT. Diese Energie muss irgendwohin gehen , kein Weg daran vorbei. Wenn Sie es vermeiden, es früh zu zerstreuen, müssen Sie es später auf die eine oder andere Weise zerstreuen, und es ist besser, wenn Sie die Crew nicht kochen.
@uhoh Deshalb braucht man Flügel. Reibung braucht Atmosphäre, aber Atmosphäre gibt auch Auftrieb, wenn man Flügel hat.
@sf Ein Kerzenlicht hat mehr Energie als eine Handgranate (habe ich gehört). Es geht darum, wie lange es dauert, bis die Energie freigesetzt wird.
@db ... und wo. Eine Kerze, die direkt unter Ihrem Kopf angezündet wird und Sie sich nicht wegbewegen können, wird Sie genauso gut töten wie eine Granate. Die derzeitige Methodik beim Wiedereintritt besteht darin, den größten Teil der Energie in die das Raumfahrzeug umgebende Luft zu bringen (und Sie brauchen genug von dieser Luft - dicht genug, um sie einzuschließen), einen kleinen Teil in den Ablator des Hitzeschilds, der sofort verdunstet, und fast keine hinein Hülle der Kapsel. Ändern Sie die Zeiten und die Kapsel verwandelt sich in einen Slow-Cooking-Ofen. Und wenn Sie möchten, dass es sich zu langsam erwärmt, um Menschen zu verletzen, muss Ihr Wiedereintritt Wochen dauern .
@db in der Tat (zumindest der Teil der gespeicherten Energie) Über die Flügel Ich erinnere mich, dass ich hier eine oder mehrere frühere Fragen und Antworten zu Wiedereintrittsflügeln gelesen habe. Die Herausforderungen sind Hitze. Sie schmelzen, bevor sie einen brauchbaren Auftrieb liefern. Wenn Sie ihnen ablative Hitzeschilde geben, sind sie keine Flügel mehr. Ich werde nicht mit Ihnen darüber streiten, aber ich denke, dass Mathematik und Physik an anderer Stelle auf der Website quantitativ behandelt wurden.
@uhoh Das ist interessant in Anbetracht der Drohne auf dem Mars, die es schafft, in einer Atmosphäre zu fliegen, die im Vergleich zur Erde zu 98 % (?) weniger dicht ist.
@db nein das ist überhaupt nicht interessant. Die Verlustleistung variiert je nach Kubikgeschwindigkeit. Vergleichen Sie die Umlaufgeschwindigkeit mit der Flügelspitzengeschwindigkeit des Hubschraubers, würfeln Sie dieses Verhältnis und sehen Sie, was Sie erhalten.
@oh ja? Das würde bedeuten, dass ein Fahrzeug mit Flügeln Auftrieb erhält und in der Lage sein könnte, nach oben zu steuern, um die Geschwindigkeit / Erwärmung durch Reibung in einer sehr dünnen Atmosphäre zu verringern.
@db Ingenuity kann 30 Sekunden lang fliegen. Die Batterien würden viel länger ausreichen, aber bei 350 Watt Stromverbrauch während des Fluges würde es nur seine eigene Batterie, seinen Motor und seine Schaltung braten.
@db Okay, geben Sie mir jetzt einige Grundlagen, wie lange würde dieses Manöver dauern, wie hoch wäre die "Haut" -Temperatur des Fahrzeugs und wie stark wird seine Innentemperatur als Ergebnis steigen?
Alle: Ingenuity ist noch nicht geflogen!

Antworten (2)

Es ist nicht möglich, Reibungswärme beim Wiedereintritt zu vermeiden, man muss damit irgendwie umgehen. Was Sie beschreiben, wird als Skip-Reentry bezeichnet und erfordert keine Flügel. Diese Technik wurde von der sowjetischen Raumsonde Zond und der Apollo-Raumsonde verwendet. Die Zonds verwendeten die Technik, um die Flugbahn zu ändern, Apollo verwendete sie, um Hitzebelastungen durch verlängerten Wiedereintritt zu vermeiden. Es ist möglich, dass die Technik aufgrund der hohen Wiedereintrittsgeschwindigkeiten für Rückflugmissionen vom Mond oder Mars wieder zum Einsatz kommt.

Beachten Sie, dass diese Technik hilft, Reibungsbelastungen zu reduzieren, sie nicht beseitigt, Sie haben immer noch einen atmosphärischen Wiedereintritt mit erheblichen thermischen Belastungen. Dies ist kein Problem, da wir wissen, wie man damit umgeht.

Das war ungefähr der Punkt bei meiner Frage. Lassen Sie das Schiff etwas aufheizen und steuern Sie es dann nach oben, was es verlangsamen und die Reibung verringern würde, was es wiederum abkühlen lässt. Wenn es kühl genug ist, lenken Sie es wieder nach unten.
Nun, genau so funktioniert es nicht @db. Die meisten Hitzeschilde werden abgetragen, das heißt, sie opfern Material, um Wärme abzuleiten - sie erwärmen sich nicht, also müssen sie nicht abkühlen.
@db selbst für Dinge wie das Shuttle mit wiederverwendbaren Kacheln wird die Wärme sowohl nach innen als auch nach außen durchdringen, was zu einem Kühlproblem im Inneren des Fahrzeugs führt, während das Äußere zu dünn ist, um eine leitfähige Kühlung zu verwenden, aber zu dick, um Heizkörper einzusetzen. Ein schneller Abstieg ermöglicht es Ihnen, den Hitzeschild (und den Innenraum) mit dickerer Luft auf Meereshöhe zu kühlen. Eine Mars-Rückkehr könnte natürlich ganz anders sein, mit möglicherweise Stunden oder Tagen, um sich in einem echten Vakuum abzukühlen, wo eine LEO-Rückkehr höchstens Minuten dauert.
@ GdD SR-71 fällt mir ein ;-) Ja, aber das ist motiviert, wie der Wiedereintritt heute erfolgt. Wenn sich das Fahrzeug zum Beispiel nur auf 200 °C aufheizt und dann eine „Wende“ macht und abkühlt, könnte Stahl oder Aluminium die Temperatur vertragen.
@db das Problem ist, dass realistisch erreichbare Fahrzeuge diese "Wende" nicht wirklich machen können.

Was Sie vorschlagen, ist ein aerodynamischer Wiedereintritt, bei dem aerodynamische Oberflächen verwendet werden, um die Abstiegsgeschwindigkeit in die untere Atmosphäre zu verlangsamen. In der Praxis sind Hitzeschilde oft so geformt, dass sie Auftrieb erzeugen. Aber Flügel werden fast nie verwendet. Das liegt daran, dass es sehr schwierig ist, ein Luft-Raumschiff zu bauen, das in der Lage ist, einen Horizontalflug bei Hyperschallgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten. Es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, dass Reibung die Hauptwärmequelle beim Wiedereintritt ist. Tatsächlich erzeugt das Fahrzeug vor sich selbst eine Zone extrem komprimierter Luft. Dieser Druckanstieg überhitzt die Atmosphäre. Das Problem mit effizienter (horizontalflugfähiger) Aerodynamik bei Geschwindigkeiten nahe der Umlaufbahn besteht darin, dass scharfe Kanten an der Vorderseite der Flügel benötigt werden. Je flacher eine Oberfläche ist, desto weiter entfernt kann sie das Wiedereintrittsplasma halten. Das bedeutet deutlich weniger Leitung und insgesamt weniger Erwärmung. Aber in der Nähe von scharfen Kanten kann dieses Plasma Ihrem Schiff viel näher kommen. Aus diesem Grund mussten die Vorderkanten des Space Shuttles eine viel härtere und schwerere Kohlenstoff-Kohlenstoff-Struktur verwenden, um die Steifigkeit aufrechtzuerhalten. Alles in allem sind herkömmliche Wiedereintrittsmethoden in der Regel kostengünstiger. Sehen Sie sich hier das Video von Scott Manley an, um weitere Informationen zu erhalten:

Interessant, danke.
"Deshalb mussten die Flügelspitzen des Space Shuttles eine viel härtere, schwerere Kohlenstoff-Kohlenstoff-Struktur verwenden, um die Steifigkeit aufrechtzuerhalten." Falsch, ich nehme an, Sie meinen die Vorderkanten, nicht die Flügelspitzen. Und wie wir herausfanden, war es gar nicht so schwer.
@OrganicMarble Entschuldigung! Ich meinte Leading Edges, aber das Wort kam mir in dem Moment einfach nicht in den Sinn. Ich editiere den Beitrag jetzt.
Kleiner Nitpick: Wenn du ein Missverständnis erklärst, dann erkläre es richtig. Die Kompression steht an erster Stelle, dies verursacht den hohen Druck und die hohe Temperatur in der Post-Schock-Region. Um zu schreiben: "In Wirklichkeit erzeugt das Fahrzeug vor sich selbst eine Zone mit extrem hohem Druck. Diese Kompression erhitzt die Atmosphäre." ist nur verwirrend und vertauscht Ursache und Wirkung.
Ich habe "Kompression" und "Hochdruck" synonym verwendet. Ich verstehe, wie das verwirrend sein könnte! Ich werde es bearbeiten.
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