Welche Höchsttemperaturen treten beim Wiedereintritt auf?

Wir alle wissen, dass der Wiedereintritt von Raumfahrzeugen extreme Hitze verursacht – Plasma, Ablator, Flammenspur, all dieser Jazz. Ich würde gerne wissen, mit welcher Hitze wir es zu tun haben - könnte jemand einige Zahlen nennen, wie die maximale Temperatur, die in der Luft oder auf der Hitzeschildoberfläche auftritt, oder an der heißesten Stelle während des Wiedereintritts im Allgemeinen? Mit wie viel Grad Celsius haben wir es eigentlich zu tun?

Nur die Erde und nur bemannte Raumfahrzeuge? Zum Beispiel überlebte die Galileo-Sonde, die in Jupiters Atmosphäre eindrang, unerhörte Temperaturen und Beschleunigungen....
@Andy: Die beste Antwort würde einen Überblick darüber enthalten.
(aber ja, nur die Erde, nicht unbedingt bemannt.)
Bei atmosphärischen Wiedereintrittsgeschwindigkeiten ist es möglicherweise nicht sinnvoll, von einer einzigen Temperatur zu sprechen. Nichtgleichgewichtseffekte im Gas bedeuten, dass es eine Translationstemperatur (was wir normalerweise als Temperatur bezeichnen) sowie Vibrations- und elektronische Temperaturen geben kann, die alle aufgrund der hohen Geschwindigkeiten, hohen Energien und der verdünnten Luft unterschiedlich sein können . Auf dieser Seite finden Sie eine Diskussion der verschiedenen verwendeten Modelle.
@ tpg2114: Ich habe dies gefragt und an nicht-ablative Hitzeabschirmung für Fracht gedacht, die relativ immun gegen Hitze ist (nicht brennbare Rohstoffe). Es scheint, dass Wolfram in allen Fällen dem Wiedereintritt standhalten würde.
Es geht nicht darum, dem Wiedereintritt standzuhalten – das Problem ist der Schutz des Inhalts. Es ist einfach, einen Hitzeschild herzustellen, der ein paar tausend Grad K übersteht, aber das wird dem schwachen Fleischbeutel im Inneren nicht helfen, der bei nur 300 ° K die Stirn runzelt :D Der Grund, warum wir eine ablative Abschirmung verwenden, ist, dass der Schild beim Ablatieren die Wärme mitnimmt selbst. Es ist dasselbe wie etwas mit Eis zu kühlen, was wirklich ein ablativer Niedertemperatur-Hitzeschild ist: D
@Luaan: Das ist mir sehr wohl bewusst. Ich dachte an Rohmetalle, die von Asteroiden abgebaut wurden. Wenn der Inhalt schmilzt, kein Problem, er verfestigt sich nach dem Spritzen.
Es ist immer noch eine große Sache – es ist der Unterschied zwischen der Herstellung des reinen Materials und der Beschaffung von Erz, das raffiniert werden muss. Aber auf jeden Fall gibt es wenig Grund, warum es Sie interessieren würde, denke ich. Am Ende dreht sich alles um Ihr Abstiegsprofil - wenn Sie nicht schnell viel Geschwindigkeit verlieren müssen, brauchen Sie keinen "stressigen" Wiedereintritt (obwohl es Grenzen gibt, wie einfach nicht angetriebene Objekte wieder eintreten können). Und vergessen Sie nicht, dass die meisten Dinge ihre Dichte mit der Temperatur ändern - Sie möchten nicht, dass Ihr geschmolzenes Metall aus dem "Raumschiff" explodiert: D
@Luaan: In Anbetracht des Delta-V sowie der Fülle an Sonnen- und anderer Energie im Weltraum glaube ich, dass es ein fehlgeleiteter Ansatz ist, Erz auf die Erde zu bringen. Es sollte räumlich verfeinert werden. OTOH ja, Volumenänderungen sind sicherlich ein Problem, ebenso wie die strukturelle Haltbarkeit im Moment des Aufpralls im Meer.
Wenn Sie über die Landung ungeschützter Rohstoffe sprechen , denken Sie daran, dass viele große Meteore in der Höhe aufgrund von Verzögerung und möglicherweise thermischer Belastung zerbrechen. Also können wir die nicht einfach aus dem Orbit werfen. (Kann relevant sein, wenn es darum geht, rohe Gesteinsblöcke oder irgendetwas zu landen, das kein verarbeiteter Barren ist.)
@Andy: Ich denke genau darüber nach, welcher -minimale- Schutz erforderlich wäre, damit es nicht passiert.
Oh natürlich. Aber das ist es, wovon ich spreche – soweit wir das beurteilen können, sind Asteroiden so ziemlich bereits veredelt – die im Erz auf der Erde gefundenen Verunreinigungen sind im Weltraum viel seltener (insbesondere Sauerstoff und Schwefel).

Antworten (5)

Die Stardust -Probenrückkehrsonde hatte einen interessanten Wiedereintritt in die Erdatmosphäre. Bei der Rückkehr aus einer Sonnenumlaufbahn wurde die maximale Verzögerung mit 34 g angegeben .

Die Höchsttemperaturen an der Oberfläche werden auf etwa 3.200 Kelvin oder 2.900 Grad C geschätzt. Es sollte angemerkt werden, dass die Eintrittssonde keine Aufzeichnung von Wiedereintrittsdaten hatte, so dass diese Messung aus einer spektroskopischen Untersuchung des Hitzeschildes während des Abstiegs geschätzt wurde, was eine interessante Tagesarbeit gewesen sein muss.

Die spektroskopische Messung wurde durch das umgebende glühende Plasma durchgeführt, und der Bereich der Messung bedeutet, dass die Temperatur ein Durchschnitt über den gesamten Schild ist. Dies stellt daher keine direkte Messung von der heißesten Stelle des Hitzeschilds dar, ist aber dennoch ein interessanter Messwert.

Die älteren ballistischen Mittelstreckenraketen konnten noch heißer werden: An der Stagnationszone wurden Temperaturen bis zu 12000 °F (6650 °C) gemessen. Das NASA eBook „ Coming Home: Reentry and Recovery from Space “ gibt einige faszinierende Einblicke in die Herausforderungen, denen man begegnet.

Das Wärmeschutzsystem des Space Shuttles ist für Temperaturen bis 1510 °C ausgelegt.
Direkt über dem TPS befindet sich eine Grenzschicht aus Luft, außerhalb davon können Temperaturen von 5500 °C erreicht werden. Die NASA verwendete HYTHIRM , um Wärmebilder des Orbiters während des Wiedereintritts zu machen:

Wärmebild von STS mit Temperaturen von bis zu 1650 °C an Nase und Flügelvorderkante

Das Shuttle hat im Vergleich zu anderen Raumfahrzeugen eine sehr niedrige Wiedereintrittstemperatur.
@Antzi Ja, weil es eine riesige Oberfläche hat. Denken Sie daran, dass es beim Wiedereintritt nur darum geht , Geschwindigkeit zu verlieren , es ist nicht der Raumfahrt eigen. In die Atmosphäre zu schlagen ist einfach immer noch die billigste Art, Umlaufgeschwindigkeit zu verlieren. Da das Shuttle eine riesige Oberfläche hat, kann es sich eine weniger drastische Annäherung leisten. Gleichzeitig verwendet es keine ablative Abschirmung, muss also niedrigere Wiedereintrittstemperaturen haben - die Wärme wird nicht entsorgt, sondern nur "gespeichert", und das begrenzt die Kapazität (vergleiche die Kühlung mit flüssigem Wasser mit der Kühlung über Verdunstung / Eis schmelzen). Es geht um die Wiederverwendbarkeit.
Es nutzt auch seine flugzeugähnlichen Eigenschaften, um länger in der Luft zu bleiben, wodurch der Wärmefluss aufgrund der geringeren Luftdichte reduziert wird. Dies ist nicht nur beim Shuttle der Fall (das Sojus tut dasselbe, um G-Kräfte zu reduzieren), aber es hat ein besseres L / D-Verhältnis als Kapseln.

Dieser Artikel sagt, dass der jüngste Orion-Test 2200 Grad C erfahren hat, und dieses alte Apollo-Datenblatt sagt 5000 Grad F (2760 Grad C) auf Apollo 4 (ein Test mit Mondrückkehrgeschwindigkeit).

CFD-Simulationen zeigen, dass die Luft im Bugstoß der Sternenstaubsonde bei 71 km Temperaturen von etwa 50.000 °K erreichte und bei 51 km auf 10.000 °K abfiel (dünne rote Linie). Es muss daran erinnert werden, dass die Luft in diesen Höhen extrem dünn ist, was glücklicherweise zu einer schlechten Wärmeübertragung auf das Fahrzeug führt.

Die Oberflächentemperatur war, wie in Andys Antwort erwähnt, aufgrund der ablativen Kühlung viel niedriger. Die Oberfläche ist zum Abbrennen ausgelegt, daher hängt die Oberflächentemperatur weitgehend von der Zersetzungstemperatur des abtragenden Materials ab.

Gute Zahlen, die uns an unsere Vorstellung von "Temperatur" (und ihren Extremen) erinnern, weichen in exotischeren Umgebungen von unseren üblichen Sinnen ab. Und vielleicht um anschließend nach "Spitzenheizung" oder "Spitzenwärmefluss" zu fragen :)
@uhoh danke für die Bearbeitung, aber die Verwendung des Gradsymbols mit Kelvin ist seit 1967 falsch. physical.nist.gov/cuu/Units/kelvin.html en.wikipedia.org/wiki/Kelvin Die Bearbeitung ist belanglos, also werde ich es tun nicht die Mühe, es zurück zu rollen.
Wow, du hast recht! Ich brauchte die Kommas, um zu sehen, wie groß die Zahlen waren, weil ich geboren wurde, bevor das Gradsymbol für Kelvin falsch war und die SE-Schrift so klein ist :) Ich hätte danach aufhören sollen. Es macht Sinn, Kist eine Einheit für sich und braucht keinen °Helfer. Danke für die Auskunft!

„Der schwierigste Eintritt in die Atmosphäre, der jemals versucht wurde“, war durch die Galileo-Sonde . Die Temperatur könnte sich auf die Plasmatemperatur oder die Hitzeschildtemperatur beziehen, aber letztere ist im Allgemeinen begrenzt, weil a) nichts über ~4000 °C fest bleibt und b) viele Hitzeschilde ablatieren und verdampfen, um einen Teil davon zu absorbieren die thermische Energie.

Jedenfalls musste die Galileo Probe eine Verzögerung von 230-250 g aushalten. Zitate behaupten, dass es "15.500 ° C" ausgehalten hat, was ich angesichts des oben Gesagten nicht ganz verstehe, aber es hat ein schnelles Gewichtsverlustprogramm durchlaufen, bei dem 80 kg Masse in etwa 2 Minuten abgenommen wurden. Einige andere Statistiken, die auf der ersten Seite dieses Pay-Walled-Papiers zu sehen sind (das vollständige Papier ist auf Marcia McNutts Lieblingswebsite erhältlich, obwohl es sich hauptsächlich um technische Details darüber handelt, wie sie die immer geringer werdende Dicke des Hitzeschilds gemessen haben):

  • 30 kW/cm 2 Wärmefluss
    • "300.000 Sonnen" (300.000 x Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche)
  • 300 kJ/cm 2 Wärmebelastung
  • Eintrittsgeschwindigkeit von Mach 50 (47,4 km/s)
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