Могу ли я использовать кубик льда в качестве теплозащитного экрана при повторном входе в атмосферу?

Комментарий к недавнему популярному вопросу привел меня к Stirring Tea и этой записи .

Чтобы вскипятить чашку воды, вам придется сбросить ее выше верхнего слоя атмосферы.

Если это правда, то теоретически хорошее покрытие из льда могло бы стать надежным теплозащитным экраном. Самая большая проблема, которая приходит на ум, заключается в том, что водяной лед относительно хрупок.

Предполагая, что я смогу удержать лед от разрушения при входе в атмосферу, могу ли я использовать его в качестве теплового экрана при входе на Землю?

Тепло от входа в атмосферу должно быть связано со скоростью, площадью поверхности и массой объекта. Я бы предположил, что сбрасываемая чашка с водой намного меньше космической капсулы и движется намного медленнее, чем орбитальная скорость.
Забавная вещь о воде и других летучих льдах заключается в том, что они довольно взрывоопасны в таких условиях, что также демонстрируют болиды и суперболиды.

Ответы (1)

Хорошая идея, но нет, она не работает.

Это правда, что куб льда высотой в 100 км имеет потенциальную энергию примерно в три раза меньше той, которая необходима для его плавления и полного кипения. Первый момент, как вы уже упоминали: как удержать жидкую воду на месте?

Но когда говорят о входе в атмосферу, обычно говорят о выходе с орбиты и, следовательно, со скоростью не менее 7,8 км/с. Эта кинетическая энергия примерно в 20 раз превышает потенциальную энергию на высоте 100 км. Следовательно, вам нужно избавиться примерно в 6 раз от энергии, необходимой для кипения льда.

И, что еще хуже: пока мы говорили только о самом льду. Теплозащитный экран ставится для защиты чего-то - и нам нужно избавиться как от потенциальной, так и от кинетической энергии этого чего-то. Если мы предположим, что полезная нагрузка такого же размера, как ваш кусок льда — а это все равно не очень хорошее соотношение — тогда нам придется потратить примерно в 13 раз больше энергии, чем лед может потреблять при испарении.

С другой стороны, при доставке какого-либо материала с астероида может быть жизнеспособным вариантом закопать его глубоко внутри огромного ледяного шара — но вам лучше не попасть не в то место на земле, поскольку что-то подобное уже испортило нашу любимую. жизнь динозавров некоторое время назад.

Говоря о тепловой защите, нужно также иметь в виду, что ее целью не является поглощение всей кинетической энергии при входе в атмосферу. Он просто предотвращает попадание тепла в полезный груз, используя его низкую теплопроводность (особенность, которой не имеет вода), и оптимизирует передачу тепла обратно в проносящийся воздух. Аблативные свойства большинства материалов в основном помогают сохранить материал и его свойства нетронутыми, хотя со временем они становятся тоньше.

Вольфрам Альфа говорит мне, что кинетическая энергия 30 МДж/кг при скорости 7,8 км/с, 0,4 МДж/кг для повышения температуры воды на 100 К, то есть примерно в 75 раз больше энергии.
Повышение температуры воды не требует много энергии, на испарение уходит еще 2,2 МДж/кг, а на плавление 0,3 МДж/кг. Если вы кипятите кастрюлю с водой, например, требуется 10 минут, чтобы достичь 100 градусов по Цельсию, и еще час, пока кастрюля не опустеет!
Ах хорошо. Но вода, в отличие от фенольной, легко утечет до закипания, да?
Теплозащитному экрану с тупым телом не нужно рассеивать всю энергию входа в него сам по себе. Прелесть тупых тел в том, что ударная волна перед тупым телом удерживает большую часть тепловой нагрузки от тела и направляет ее вокруг. (Ищите классическую статью Аллена и Эггерса.) Таким образом, ваши расчеты чересчур консервативны.
@MarkAdler Вы абсолютно правы, когда дело доходит до настоящих теплозащитных экранов. Но поскольку в вопросе конкретно упоминалась высокая теплоемкость в качестве центрального аргумента, и, следовательно, мой ответ объясняет, почему теплоемкость не помогает.
Могу ли я использовать кубик льда в качестве теплозащитного экрана при повторном входе в атмосферу?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v