Wiedereintrittsdynamik

Ich habe viel herumgelesen und konnte keine eindeutigen Erklärungen finden. Vielleicht bin ich etwas verwirrt oder suche einfach an den falschen Stellen.

Meine Frage ist, was sind einige Grundprinzipien oder Richtlinien für die Wiedereintrittsbedingungen in ein Raumschiff? Nehmen wir an, ich habe ein Fahrzeug in einer kreisförmigen Umlaufbahn bei X km und ich führe eine Retro-Verbrennung durch, um mein Perigäum an die Spitze der Erdatmosphäre zu bringen. Was sind einige grundlegende Annahmen oder Beziehungen, die ich bei Verwendung eines stumpfen Kapseldesigns verwenden kann, um die Anfangsgeschwindigkeit, den Eintrittswinkel (Korridorgrenzen), die maximale Verzögerung, den Wärmefluss usw. abzuschätzen? Ich habe online mehrere Ressourcen gefunden, aber ich bekomme immer wieder falsche Zahlen aus meinen Berechnungen.

Könnte mich zumindest jemand in die richtige Richtung weisen? Oder sogar einige Konzepte erklären, die mir vielleicht fehlen? Ich habe mich in der Vergangenheit mit Orbitalmechanik beschäftigt, aber das scheint ein ganz neues Ballspiel zu sein.

An dieser Stelle brauche ich nur ein paar Zahlen, mit denen ich arbeiten kann (max. g-Last, Wärmestrom und maximale Temperatur), damit ich diese Parameter für Material- und Strukturdesign verwenden kann. Das Zeichnen von Flugprofilen muss ebenfalls durchgeführt werden, hat jedoch derzeit keine oberste Priorität.

Hier ist ein ausgearbeitetes Beispiel zum Ermitteln der maximalen Verzögerung. Gemäß diesem FAA-PDF kann die maximale Verzögerung mit gefunden werden a max = ( v 2 ) ∗ ( H ∗ s ich n ( γ ) ) / ( 2 ∗ e ) wobei V die Anfangsgeschwindigkeit ist, H die Erdmaßstabshöhe ist und γ Flugbahnwinkel ist.

Nehmen wir also an, ich trete mit 10 km/s in die Erdatmosphäre ein und möchte eine maximale g-Last von 8 g oder 78,48 m/s 2 . Mit dieser Gleichung benötige ich einen Flugbahnwinkel von 1,75 Grad, was mir sehr niedrig erscheint. Die Apollo-Missionen hatten ähnliche Geschwindigkeiten und doch lag ihr Eintrittskorridor bei etwa 7 Grad.

Ist es möglich, dass sich der anfängliche Eintrittswinkel von 7º aufgrund des Auftriebs der Kapsel in einen Flugbahnwinkel von 1,75º verwandelt? Mercury-Astronauten erlebten trotz der geringeren Geschwindigkeit an der Eintrittsschnittstelle tatsächlich höhere g-Lasten (über 11 g) als Apollo, da die Kapsel nur sehr wenig Auftrieb gab.
Guter Punkt, etwas zum Nachschlagen. Ich weiß, dass Apollo-Kapseln ein L/D-Verhältnis von etwa 0,3 hatten
Dieses Diagramm legt nahe, dass das Überspringen des Wiedereintritts typisch war - ich suche nach Text, um dies zu untermauern. Der Anfangswinkel wäre also abgeflacht und kurz negativ geworden, bevor er zurückkam, also müssten Sie diese Gee-Gleichung mit festem Winkel ziemlich verkomplizieren. images.spaceref.com/Apollo/ALLMS/P02_F32_625.jpg
Hier ist ein Höhen-Zeit-Diagramm des Apollo-Wiedereintritts: kenrockwell.com/Images/nasa/apollo-11/24-july/reentry-curve.gif
Sowohl Apollo als auch Shuttle waren für den Skip-Eintrag qualifiziert, aber wir haben noch nie einen gemacht. Das sowjetische Raumschiff Zond, das vor langer Zeit vom Mond zurückkehrt, hat dies getan, und die Russen denken darüber nach, routinemäßig einen Skip-Eintrag zu verwenden, wenn sie anfangen, Sojus-Mondvorbeiflüge durchzuführen.
Damit die Terminologie verstanden wird, hat "Einflugbahnwinkel" nur zusammen mit einer definierten Einflugschnittstellenhöhe oder -radius eine Bedeutung. Der Flugbahnwinkel ändert sich ständig, ob Sie die Atmosphäre getroffen haben oder nicht, aber es gibt nur einen Flugbahnwinkel pro Eintritt. Für Apollo wurde die Eintrittsschnittstelle bei 400.000 Fuß (ca. 122 km) definiert. Für Marsmissionen verwenden wir einen Radius von 3522,2 km, unabhängig davon, wo sich die Oberfläche befindet, was 125 km Höhe über dem mittleren Äquatorradius entspricht. Ich weiß nicht, was Shuttle verwendet hat. (Ich würde auch 400.000 Fuß schätzen.)

Antworten (1)

Es gibt keine guten Beziehungen auf der Rückseite des Umschlags, um Ihnen das zu besorgen, was Sie wollen. Alles, was Sie jedoch brauchen, ist ein einfacher numerischer Integrator, ein Atmosphärenmodell mit Dispersionen und ein Fahrzeugmodell mit Masse, Größe und einigen aerodynamischen Koeffizienten. Sie können dann mit den Eintrittsbedingungen (Geschwindigkeit und Flugbahnwinkel) spielen, um die Flugbahnen zu sehen. Der ballistische Einstieg ist ein guter Ausgangspunkt, und sobald Sie damit arbeiten, können Sie ein kleines Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand zur Kontrolle hinzufügen. Die Streuungen sind wichtig, ebenso wie die Unsicherheit im Einflugwinkel, um zu beurteilen, ob Sie zu flach sind, um ein unbeabsichtigtes Ausspringen zuverlässig zu vermeiden.

Google "Sutton-Graves" für einfache Formeln zur Berechnung der Stagnationspunkt-Konvektionsheizung, die Ihnen eine Größenordnung der Spitzenheizung und der integrierten Wärmelast gibt. Wesentlich schwieriger zu berechnen ist die Strahlungserwärmung, die bei einem Erdeintritt genauso stark sein kann wie die konvektive Erwärmung. Die Codes, um eine echte Vorhersage der Erwärmung zu erhalten, sind ziemlich kompliziert.

Welche Dispersionen meinst du?
Hauptsächlich Dispersionen in der atmosphärischen Dichte als Funktion der Höhe. Aber auch Streuungen der atmosphärischen Temperatur (die Mach und damit Luftwiderstand beeinflussen), Streuungen des Einflugbahnwinkels, Streuungen der Fluglage des Fahrzeugs, Streuungen der aerodynamischen Koeffizienten des Fahrzeugs und vieles mehr. Es gibt typischerweise Hunderte von verstreuten Variablen in einer Monte-Carlo-Simulation mit atmosphärischem Eintritt.
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