Абляционный тепловой экран и сохранение энергии, сколько аблируемого вещества на самом деле «уносит» по сравнению с повторным излучением поглощенного тепла?

Я нашел этот сюжет из святой библии ( Лекция по аэротермодинамике НАСА ) (тоже в архиве ):

Я не утверждаю, что точно понимаю, что описывает слайд 69, но вы можете сделать вывод (из этого графика), что снижение конвективного нагрева примерно на 25% возможно за счет абляции.

В этой статье Неопределенность радиационного нагрева для гиперболического входа в Землю, Часть 1: Моделирование полета и неопределенность, Johnston et al. также содержит сюжеты, аналогичные приведенным выше, но с меньшим драматическим эффектом.

Для твердой поверхности, движущейся в воздушном потоке, в области, близкой к поверхности, образуется пограничный слой, и скорость воздуха в этом пограничном слое изменяется от нуля относительно поверхности до скорости набегающего потока вне пограничного слоя, причем Физическим механизмом этого градиента скорости является вязкость воздуха или трение.

Таким образом, над воздухом в пограничном слое совершается работа, вызывающая нагрев и повышение температуры. При очень высоких скоростях набегающего потока достигаемые температуры достаточно высоки, чтобы диссоциировать молекулы воздуха с образованием плазмы.

Очень горячий пограничный слой отводит тепло к поверхности, повышая ее температуру настолько, чтобы вызвать пиролиз в слое твердого тела; т. е. превращение твердого вещества в газ. Скрытая теплота этого превращения есть энергия, уносимая с поверхности; полученный газ включается в пограничный слой и уносится прочь от транспортного средства. Это простое объяснение процесса абляции.

Я полагаю, что спрашивающий спрашивает, как скрытая энергия, взятая с поверхности, соотносится с излучением энергии, которое будет происходить между плазмой в пограничном слое обратно на поверхность. Это «повторное излучение» происходит потому, что новая поверхность, открытая при абляции материала, будет иметь более низкую температуру, чем плазма. Существует также переизлучение из пограничного слоя в области, удаленные от аппарата. Существует значительная сложность для полного понимания всего процесса абляции.

Простой ответ заключается в том, что мы знаем, что эта повторно излучаемая энергия обратно на поверхность должна быть намного меньше, чем скрытая энергия, иначе абляция не сработает, и поверхность будет разрушена. Это также указывает на то, что повторное излучение от корабля также должно быть небольшим, хотя и большим, чем обратное излучение на поверхность, поскольку температура стока окружающей среды намного меньше температуры поверхности. Кроме того, коэффициент формы для излучения вдали от корабля, вероятно, больше.

При всем при этом и в конкретных ответах на вопросы:

Сколько тепла фактически «уносит» аблированное вещество в виде нагретого материала?

Вопрос «Сколько?» не определен, поскольку он может указывать либо на числовой ответ, либо на ответ, описывающий относительные величины. Относительно абляционное вещество уносит подавляющую часть рассеиваемой кинетической энергии движущегося носового обтекателя. В противном случае абляция не сработает.

Насколько он просто переизлучает обратно к плазменной оболочке?

Опять же, вы не ясно, что вы подразумеваете под "сколько". Кроме того, вы, похоже, отделяете аблированный материал от плазменной оболочки. На самом деле аблированный материал вносит свой вклад в плазменную оболочку. Но опять же, количество энергии, повторно излучаемой обратно на поверхность, должно составлять незначительную часть общей энергии, уносимой аблируемым материалом, иначе абляция не сработает.

Можно ли их выразить как долю общей энергии, рассеиваемой при остановке капсулы?

Да, конечно. Доля из-за абляции будет близка к единице, поскольку абляция является основным механизмом замедления носового обтекателя. Меньшая доля будет приходиться на энергию, излучаемую в сторону от носового обтекателя всеми механизмами, включая излучение от оболочки плазмы и излучение непосредственно от поверхности, для которой плазма более или менее прозрачна. Конкретное числовое значение будет зависеть от конкретного применения, например, от природы аблируемого материала, геометрии носового обтекателя, скорости в воздухе, высоты над уровнем моря и плотности воздуха и других переменных, которые не дают однозначного ответа. числовой смысл.

Могут ли они также быть выражены в джоулях/кг аблированного материала?

Да, конечно. Кинетическая энергия движущегося носового обтекателя может быть выражена в джоулях, а масса удаляемого материала может быть выражена в кг. Падение скорости носового обтекателя отражает количество рассеиваемой кинетической энергии, и последнее также может быть выражено в джоулях. Эта последняя величина, деленная на массу аблированного материала в процессе, дает вам желаемое соотношение. Это соотношение, однако, зависит от многих переменных, о которых я говорил выше, с вариациями, зависящими от роли радиационной энергии корабля.