Будет ли возвращаемый аппарат меньшего размера лучше справляться с очень высокими скоростями входа в атмосферу?

Независимо от размера, если кто-то не лукавит, аппарат будет рассчитан на скорость входа в атмосферу. Так что маленький справится с ними не «лучше», чем большой.

Однако вы правы в том, что это легче, и маленькому потребуется гораздо меньше массы, чтобы справиться со скоростью и другими обязанностями по посадке, чем большому.

Если уже принято, что от стартового корабля будет отдельное жилое помещение, а для Inspiration Mars оно есть, то есть смысл сделать стартовый аппарат как можно меньше, чтобы экипаж мог поместиться внутри и поддержать экипаж самостоятельно в течение часа, если что. В этом, собственно, и заключается философия корабля «Союз», который, в отличие от «Аполлона», имел отдельное обитаемое пространство.

Баллистический коэффициент является важной величиной для наблюдения за повторным входом в атмосферу. Шкала баллистического коэффициента зависит от массы/площади поперечного сечения.

Увеличьте размеры формы в r раз, и площадь ее поперечного сечения увеличится в r^2, а объем — в r^3. Таким образом, баллистический коэффициент становится меньше с увеличением размера.

Вот изображение ряда объектов с одинаковым баллистическим коэффициентом:

Так что да, проще иметь более выгодный баллистический коэффициент для малой полезной нагрузки.

В настоящее время изучается странный проект по «посадке» зондов на Марс без парашютов, ретро-ракет или чего-то еще: зонды будут такими тонкими и большими, что они будут просто медленно падать, как бумажные листы, не повреждаясь. http://www.space.com/25000-planetary-exploration-flat-landers-tech-nasa.html

Это возможно потому, что для «мягкой посадки» нужна небольшая вертикальная скорость. Объект, оставленный в свободном падении в атмосфере, ускоряется до «предельной скорости», когда сила сопротивления воздуха становится такой же высокой, как сила гравитации, поэтому к телу больше не применяется сила, следовательно, нет ускорения и, следовательно, нет изменения скорости.

Сила сопротивления воздуха равна$F= \frac 1 2 \rho C_d A v^2$, куда$\rho=$плотность воздуха,$C_d$= Коэффициент аэродинамического сопротивления и A = площадь поперечного сечения. Чем больше площадь поперечного сечения, тем выше будет сила сопротивления воздуха.

Гравитационная сила (ускоряющий объект):$F=mg$

Сила сопротивления воздуха (тормозящий объект):$F=-\frac 1 2 \rho C_d A v^2$

Следовательно, максимально достижимая скорость свободно падающего объекта:$v_t=\sqrt \frac {mg}{\frac 1 2 \rho C_d A}$

Если вы можете настроить m,$C_d$и А для достижения низкой конечной скорости (5-10 м/с) вы получите мягкую посадку.

Таким образом, вместо «меньшего» автомобиля вам нужен «большой» автомобиль.

Что касается пункта два, то, если транспортное средство меньше, это означает, что оно будет намного легче. Более легкие транспортные средства означают меньшие возвращаемые парашюты, а это также означает, что у вас снижается переносимый вес при взлете.

Чем больше автомобиль, тем больше должен быть навес. Это также означает, что больше должна быть тормозная система развертывания, а также толщина используемых материалов подвески, которые будут соединять транспортное средство с парашютом.

Чем легче вес капсулы, тем меньше должен быть парашют.

Смотрите мой другой ответ здесь для получения дополнительной информации о парашютах .

Я думаю, что ваш пункт 1 сформулирован не так, как мог бы быть. Я думаю, что вы имеете в виду « площадь поперечного сечения », а не « площадь поверхности ».

Если вы используете материал с приемлемой теплопроводностью (т.е. не керамические блоки, см. ниже), большая площадь поверхности позволяет более эффективно распределять тепловую нагрузку. Это контрастирует с большей площадью поперечного сечения, которая увеличивает тепловую нагрузку в виде сопротивления/трения/нагрева ударной волной и т. д. Таким образом, большая площадь поверхности выгодна, а большая площадь поперечного сечения - нет.

Обратите внимание, что я имею в виду метод «теплоотвода» для борьбы с теплом при входе в атмосферу. Эта техника подходит не для всех ремесел. Космический шаттл, например, не использовал его, вместо этого предпочитая защищать от конвективного теплообмена. Шаттл можно рассматривать как гигантский термос, затрудняющий передачу тепла к коже, в то время как метод радиатора можно рассматривать как поглощение всего тепла для его обратного излучения с течением времени (после удаления источника тепла).

Интересный момент термодинамики: кондуктивный перенос - это то, как применяется трение, но с возвратными ударными волнами вы можете спроектировать его так, чтобы тепловая нагрузка была почти полностью конвективной... что означает, что воздушный зазор эффективно действует как ваш первый слой изоляции.