Wenn ein Fahrzeug die Oberfläche vergrößern würde, auf der es beim Wiedereintritt mit Luft in Kontakt kommt, würde die Wärmemenge pro Flächeneinheit meiner Meinung nach abnehmen, wodurch die Verwendung von (schweren) Hitzeschilden weniger problematisch würde. Es würde wahrscheinlich auf Kosten größerer g-Kräfte gehen, ist es der begrenzende Faktor? Wenn nicht, wo liege ich falsch ?
Ich habe viel zu diesem Thema mit Forschern und Ingenieuren von JPL, NASA Langley und NASA Ames gearbeitet. Es gibt einige interessante Dinge, die sich aus der High-Fidelity-CFM-Modellierung (Computational Fluid Mechanics) von Eintritten oder Wiedereintritten und auch aus der Flugerfahrung ergeben. Dieses Tutorial-Segment der FAA ist eine gute allgemeine Referenz für die beteiligten Prinzipien.
Es gibt keinen einzelnen Eintrittsumstand (relative Eintrittsgeschwindigkeit zur Atmosphäre, Eintrittsflugbahnwinkel, atmosphärisches Temperaturprofil, atmosphärische Zusammensetzung usw.), der eindeutig aussagt, was die Eintrittsbedingungen sind (Wärmeflussprofil, maximaler Wärmefluss, integrierte Wärmelast, Trägheitskraft). Profil ["g-Last"-Profil], Staudruckprofil usw.) sein. Es ist ein multivariates Problem.
Einer der wichtigen Eintrittsumstände ist der ballistische Koeffizient des Fahrzeugs , die Masse des Fahrzeugs dividiert durch seine effektive Fläche, dh die tatsächliche Frontfläche mal dem Luftwiderstandsbeiwert. Dieses Online-Papier von Dinesh Prabhu (einem meiner Ames-Kollegen) zeigt eine Art von Diagramm, das sie häufig verwenden, dieses Diagramm, das spezifisch für einen Erdeintritt und eine Hitzeschildgeometrie ist. Die Achsen sind zwei Eintrittsumstände: Eintrittsflugbahnwinkel und ballistischer Koeffizient . Die drei Kurvensätze, die Sie aus diesem Diagramm ablesen können, sind Eingangsbedingungen: Spitzenheizrate, integrierte Wärmelast und Spitzenverzögerungsrate in g.
Ein interessantes Ergebnis ist, dass für eine exponentielle Atmosphäre ohne große Abweichungen vom typischen Temperaturprofil das Verzögerungsprofil nur geringfügig empfindlich auf den ballistischen Koeffizienten reagiert! "Wie kann das sein??" du sagst. Wie @Uwe betonte, erzeugt eine größere Oberfläche bei ungefähr derselben Masse (und damit einem niedrigeren ballistischen Koeffizienten) eine größere Widerstandskraft und damit eine größere Verzögerungsrate.
Wenn die Geschwindigkeiten und Luftdichten gleich sind.
Aber das sind sie nicht. Das Fahrzeug mit dem niedrigeren ballistischen Koeffizienten beginnt bei niedrigeren atmosphärischen Dichten und damit größeren Höhen eine nicht triviale Verzögerung zu sehen. Wenn es auf die Höhe herunterkommt, wo die höher- Fahrzeug eine nicht triviale Verzögerung erfährt, je niedriger Fahrzeug fährt jetzt langsamer.
Das Nettoergebnis ist das für die unteren Fahrzeug sieht der zeitliche Verlauf der Verzögerung sehr ähnlich aus wie beim höher- Fahrzeug, nur früher und in höheren Lagen. Das bedeutet, dass die Unter- Die Verzögerung des Fahrzeugs erfolgt im Durchschnitt in einer weniger dichten Atmosphäre, sodass die Erwärmungsrate und die integrierte Wärmelast pro Flächeneinheit tatsächlich abnehmen.
Diese Tatsache hat zum „Ballute“-Konzept für atmosphärischen Eintritt und Aerocapture geführt (Beispielpapiere hier , hier , und hier ). Das grundlegende Konzept besteht darin, dass Sie eine ballonähnliche Struktur verwenden, um eine riesige Oberfläche zu schaffen, sodass der größte Teil der Verzögerung in sehr großen Höhen und bei sehr geringen atmosphärischen Dichten auftritt, sodass die Erwärmungsraten und Wärmelasten viel geringer sind. Wenn sie niedrig genug werden, können flexible Materialien damit umgehen, sodass das Verzögerungssystem in einem relativ kleinen Behälter eingeschlossen werden kann, bis es benötigt wird, und seine Gesamtmasse ist geringer als die eines Systems, das schwierigeren Heizumgebungen standhalten muss.
Die NASA und Mitarbeiter suchen immer noch nach einem Material, das leicht genug, flexibel genug und ausreichend hitzebeständig ist, um eine solche Ballute zu bauen, die tatsächlich Masse einspart. Eine Zeit lang erwogen sie Polybenzoxazol, stellten jedoch fest, dass es Probleme bei der Herstellung dünner, flexibler und gleichmäßiger Folien gab. Die Suche geht weiter.
Es gibt eine feste Energiemenge, die abgeführt werden muss. Sie können bis zu einem gewissen Grad wählen, wie schnell dies geschieht - mehr Luftwiderstand (entweder indem Sie in dickere Luft gelangen oder eine größere Oberfläche haben) zerstreut ihn schneller, mit höheren g-Kräften. Weniger Luftwiderstand zerstreut es langsamer, aber Sie müssen sicherstellen, dass Sie alles loswerden, bevor Sie den Boden berühren. Die Wahl einer langsameren (oder zumindest nicht schnelleren) Ableitung mit einer größeren Fläche (z. B. ein spitzes Fahrzeug mit Flügeln, das die Last entlang der Seiten und Flügel verteilt) bedeutet, dass Sie einen leichteren Hitzeschild pro Flächeneinheit verwenden können, aber Sie müssen mehr davon, also könnte es insgesamt schwerer sein. Schließlich kann die aerodynamische Stabilität über einen großen Geschwindigkeitsbereich die verwendbaren Formen einschränken.
Uwe
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