Muchas personas están confundidas por lo que sucede cuando sales o vuelves a entrar en la atmósfera.
Scaled Composites ganó el X-prize al poner un humano en “espacio” dos veces, pero su Nave Espacial Uno no pudo haber regresado de “órbita”. El espacio no es necesariamente orbital. Es justo lo que obtienes cuando vas recto hasta 100 km. Dejado a su propia trayectoria, regresa con relativamente poco calentamiento atmosférico. Es simplemente toda la energía potencial. E = mgh y desde mg ~ = w, podemos escribir E = ~ wh, o la energía es aproximadamente igual al peso por la altitud. Gran parte de la energía se disipa por la resistencia aerodinámica a su regreso. Así que la Nave Espacial Uno se calentó un poco, pero eso es todo. Su velocidad a la altitud máxima era CERO.
Muchos pensaron (y todavía piensan) que el vuelo no orbital no es exactamente de lo que se suponía que era el X-Prize. Pero que así sea …
Las naves espaciales que se disparan en órbita siguen avanzando con relativa lentitud en la atmósfera inferior y aumentan su velocidad orbital donde la atmósfera es bastante delgada.
Sin embargo, al regresar del vuelo orbital, significa que la nave espacial debe tener suficiente potencia de retrocohete para reducir la velocidad de la nave espacial a ~ 25000 km / h para que comience a entrar en la atmósfera … para que pueda utilizar la disminución de la carga atmosférica. Si la nave espacial tuviera una enorme cantidad de combustible extra (un porcentaje razonable de lo que tenía el lanzador original), podría llegar a detenerse en la altura orbital y caer como una piedra, o caer como una Nave Espacial Uno, y habría no hay dramas de reentrada pirotécnicos.
Entonces la nave espacial que regresa tiene que quemar dos tipos de energía, tanto la energía potencial debido a su peso y altura, como también la enorme energía cinética debido a su masa y velocidad orbital. E = 1/2 (mv ^ 2).
Esta energía cinética de movimiento debe disiparse para que el vehículo regrese a la Tierra. Si la nave espacial tuviera tanto combustible para quemar como lo hacía, sería simple.
No era nada obvio para los primeros diseñadores qué forma tenía que tener una nave espacial para regresar a la Tierra desde la órbita, pero pronto se hizo evidente que la forma de la nave que entraba en órbita simplemente no haría para volver a bajarla. Muchos suponen que la calefacción en la reentrada proviene de la fricción, pero la física más complicada está en juego aquí.
El trabajo duro en este problema ya se había realizado en 1951 en relación con las ojivas de ICBM de H. Julian Allen y AJ Eggers Jr. de NACA (predecesor de la NASA). Determinaron matemáticamente que una forma roma generalmente generaba la forma de reentrada más efectiva. El transbordador espacial usa su gran barriga plana.
Más importante aún, tal vez, mostraron que el calentamiento de un vehículo de entrada era inversamente proporcional a su coeficiente de arrastre, un resultado nada obvio ya que con frecuencia se encontraban meteoritos con extremos romos cóncavos que mostraban signos obvios de haberse fundido. Por otra parte, los que se encontraron habían logrado atravesar la atmósfera. Hacer un vehículo de reentrada con un extremo delantero sin filo produjo un colchón de aire que empujaría hacia adelante la onda de choque hipersónica y su capa de choque incandescente. El plasma caliente simplemente -o no tan simplemente- se derramaría alrededor del vehículo, llevando la energía consigo.
La mayoría de los protectores térmicos son “ablators”, lo que significa que continuamente pierden parte de su sustancia durante la reentrada. Los materiales del separador Heatshield deben convertirse en gas o pequeñas partículas cuando se calientan. Un popular abridor de escudo térmico usado en el Mars Lander y en muchas misiones anteriores estaba compuesto por una mezcla de corcho, esferas de sílice y pegamento para madera. Una mezcla que podría haberse improvisado en cualquier taller de sótano, y aún ser un caballo de batalla confiable para vehículos no reutilizables. La cápsula SpaceX Dragon utiliza un ablador de carbono impregnado fenólico (PICA).
El desarrollo del escudo protector de reentrada de la nave espacial aún está en curso. Hay otros métodos de reingreso estudiados e incluso prototipados. Algunos piensan que las alas volverán a la nave espacial reutilizable, algunos piensan que los paracaídas se convertirán en un método preferido de aterrizaje. El cohete SpaceX reutilizable Falcon 9 ha hecho recientemente un aterrizaje histórico en la cola, al igual que la nave espacial de fantasía de la década de 1930.
Lo harán, si se mueven lo suficientemente rápido.
La razón del efecto de calentamiento es la fricción del aire, causada por las colisiones entre las moléculas de la atmósfera y la superficie del objeto. Estas colisiones transfieren energía al objeto y, por lo tanto, lo calientan.
La fricción depende de la velocidad del objeto con respecto al aire circundante y la densidad del aire. Espero que estos dos hechos sean intuitivamente claros. Si se mueve más rápido, colisionará más fuerte con las moléculas. Si el aire es más denso, habrá más colisiones por unidad de tiempo. Ambos conducen a que se genere más calor.
Ahora, cuando los cuerpos entran a la atmósfera, la fuerza motriz principal es la gravedad de la Tierra, que la acelera, y así su velocidad sigue aumentando hasta que llega a la superficie o se quema. Sin embargo, los objetos que salen tienen velocidades mucho más bajas. De hecho, probablemente estés pensando en por qué los cohetes no se queman en el camino de salida.
Los meteoros que entran tienen velocidades en el rango de 16 a 72 kilómetros por segundo. Por otro lado, el Saturno V, el cohete más grande de todos, alcanza los apenas 2,7 kilómetros por segundo.
Entonces, en conclusión, la Tierra ayuda a los objetos entrantes a acelerar, pero desacelera los que salen. Por lo tanto, los entrantes alcanzan velocidades mucho más altas en promedio y es mucho más probable que se quemen.
Como un lado, los cohetes no viajan a la velocidad de escape porque tienen una fuente de aceleración constante para sostener su movimiento. La velocidad de escape es la velocidad que necesita alcanzar y luego no hace nada, de modo que escapará del campo gravitacional de la Tierra.
Las velocidades son diferentes.
Al subir, la nave espacial / cohete se mueve con relativa lentitud durante el primer minuto o dos, y ha pasado la mayor parte de la atmósfera antes de que realmente comience a aumentar la velocidad. Tomando cifras de la entrada de Wikipedia en la primera etapa de Saturno V, solo está haciendo 400 pies / seg (270 millas por hora) a 1 milla de altura. “La mayor parte del período inicial del vuelo está ganando altura, la velocidad viene después”. La quema de la primera etapa dura 2 minutos y 40 segundos, alcanzando una velocidad de más de 6000 millas por hora, pero en ese momento está a 68 km de altura, mucho más allá de la parte más gruesa de la atmósfera.
Pero al descender, la nave espacial tiene que bajar su velocidad de la velocidad orbital, que es de 5 millas por segundo , 17,400 millas por hora (aprox), y el aerofrenado es prácticamente la única manera. La nave no tiene (no puede tener) suficiente combustible para revertir el freno de empuje completamente.
En términos espaciales, estas son velocidades bastante bajas. Esos meteoros que ve quemarse en las noches despejadas no lo harán a 5 millas por segundo, sino a 40 millas por segundo.
El reingreso desde la órbita hace que el vehículo esté caliente porque es la forma menos difícil de reducir la velocidad orbital. También se puede hacer con motores de cohete, pero eso quema una gran cantidad de combustible y no tenemos una buena manera de almacenar ese combustible en órbita para que esté disponible para el aterrizaje … al menos, no es un combustible no tóxico que sería aceptable para usar en la atmósfera de la Tierra.
En el camino hacia arriba, los cohetes se calientan y se calientan demasiado si intentan hacer demasiado aceleración demasiado cerca del suelo donde la atmósfera es más densa. Pero eso sería ineficiente, por lo que los lanzamientos de cohetes van primero para la altura, para estar por encima de la atmósfera, y la velocidad horizontal como segunda vez que el aire está fuera del camino; hay una optimización bastante simple entre la energía perdida por arrastre y la energía perdida por la gravedad (ya que antes de estar en órbita debes quemar combustible para evitar caídas) que conduce a un lanzamiento curvo que es casi vertical para comenzar y gradualmente se inclina hacia los lados .
Las lanchas a menudo reducen la potencia del motor durante un período de tiempo a medida que el cohete alcanza “Max-Q”, el punto de máxima fricción del aire, para ahorrar mucho combustible en el vehículo y ahorrar combustible para más adelante cuando haga más la diferencia. A veces, el perfil de poder tiene varios pasos en él.
Cuando un objeto sube a la órbita, primero gana altura, luego se aleja un poco de la vertical y comienza a acelerar. Una vez lo suficientemente alto como para estar fuera de la atmósfera, realmente acelera la velocidad. Se acelera en la horizontal hasta velocidades suficientes que puede orbitar. Gran parte de la aceleración se realiza después de ganar altitud.
Al volver a bajar, el objeto tiene una gran velocidad. Recuerde, la velocidad es solo energía en forma cinética. El objeto necesita perder esa energía de alguna manera para no golpearse contra el suelo en Mach 20.
Para reducir la velocidad, el obyject podría disparar un cohete en el sentido inverso, y de hecho, eso es en parte lo que hacen para desorbitar. Sin embargo, usar el cohete para desacelerar completamente usaría casi tanto combustible como se necesitó para acelerar en primer lugar. Eso significaría lanzar cohetes mucho más grandes con mucho combustible de desaceleración y más combustible para elevar ese combustible, e incluso más combustible para elevar el combustible de elevación de combustible, y un poco más, y, bueno, el cohete se va a terminar muy grande
En cambio, disparan los motores del cohete por el tiempo suficiente como para caer fuera de la órbita. El objeto ya no avanza lo suficientemente rápido como para orbitar, por lo que el objeto comienza a perder altitud, pero sigue avanzando a gran velocidad.
Para purgar ese exceso de velocidad, usan la atmósfera como un descanso. Los objetos que viajan son resistidos por el aire. El objeto perderá velocidad. El objeto está perdiendo energía. Esa energía no solo desaparece. Tiene que ir a alguna parte. Tiene que cambiar la forma. El objeto está cambiando su energía cinética y energía potencial en calor. Es por eso que volver a entrar en la quema de artesanía. De hecho, quieren calentarse para ir despacio.
Caer a través de la atmósfera, en sí mismo, no hace que un objeto se consuma. Usando globos, objetos y personas han viajado al mismo borde del espacio, luego cayeron verticalmente, directamente hacia abajo, donde comenzaron de nuevo. No se ponen tan calientes. Caen a través de casi toda la atmósfera pero no se queman. Son las enormes velocidades requeridas para mantener una órbita que causa el calor en la reentrada.
