Можно ли делать повторный вход медленно?

Не без топлива. Или, по крайней мере, не легко. Однако «почему» немного сложно.

Это далеко не все, но одна из проблем заключается в том, что создать достаточную подъемную силу, чтобы удержать вас от слишком быстрого погружения в атмосферу, сложно.

• Если вы приближаетесь к орбитальной скорости, вы можете довольно хорошо сбрасывать скорость, так как вам не нужно создавать большую подъемную силу.

• На низкой скорости вы можете выжить, проходя через нижние слои атмосферы, чтобы вы могли создавать подъемную силу аэродинамически.

Однако в промежутке все становится сложнее. Вы должны уметь создавать подъемную силу и справляться с быстрым движением. Например, скажем, при 70% орбитальной скорости вам потребуется примерно вдвое меньше подъемной силы, чем на низкой скорости. Это то, что трудно сделать без выделения тепла. Аэродинамика немного сложна, однако суть проблемы в том, что (сопротивление -> тепло), поскольку энергия должна рассеиваться, и трудно получить достаточно высокое аэродинамическое качество, чтобы получить необходимую подъемную силу, не поворачиваясь слишком сильно. энергии воздуха в тепло.

Первая проблема заключается в том, что аэродинамическое качество всегда снижается при высокой скорости. На http://www.aerospaceweb.org/design/waverider/design.shtml есть немного об этом, но важным для нас является то, что весы подъема и сопротивления очень грубые, как$(M + 3)/M$, куда$M$это число Маха.

Что еще более важно, форма, необходимая для удержания горячей ударной волны от поверхности (тупая кривая), не способствует созданию значительной подъемной силы, но очень хороша для создания сопротивления. Кажется, не существует способа сделать это, который либо не выделял бы значительного тепла, либо отводил бы тепло от тела.

Возможно, в будущем можно будет добиться большего успеха с материалами, изменяющими форму, которые всегда могут быть «оптимальными», но вы не можете создать значительную подъемную силу из воздушного потока 20 Маха, не выделяя много тепла. В настоящее время план состоит в том, чтобы покончить с этим как можно быстрее, а не затягивать его, потому что пиковая температура менее важна, чем то, как долго вы подвергаетесь воздействию 5000 градусов.

Можно сделать медленный и крутой реэнтри. Но это было бы очень дорого.

Просто замедлитесь с орбитальной скорости до дозвуковой скорости над атмосферой, а затем боритесь с гравитацией, пока не появится возможность развернуть парашюты. Все это с помощью реактивной тяги для торможения. Нет необходимости в теплозащитном экране. Но вам нужна очень большая ракета, по крайней мере, с двумя ступенями на орбите, прикрепленная к космическому кораблю. Примерно такой размер необходим, чтобы поднять космический корабль с земли на орбиту.

Но вам понадобится несколько ракет размером с Сатурн V, чтобы поднять космический корабль и ракету для возвращения на орбиту.

Гораздо дешевле использовать атмосферу для торможения с помощью теплозащитного экрана. Вход в атмосферу с гиперзвуковой скоростью преобразует энергию скорости в тепло. Гораздо более медленные самолеты, быстрее, чем звук, тоже нагреваются. Вы не можете заставить атмосферное сопротивление замедляться и подниматься, чтобы сохранять высоту без тепла, вызванного сжатием воздуха. Это физика.

Никакие пилотируемые орбитальные миссии, такие как «Союз», «Меркурий», «Джемини» и «Шаттл», не были бы возможны при таком медленном и прохладном входе в атмосферу.

Давайте попробуем разобраться, каким будет медленный повторный вход.

Космический корабль на орбите уравновешивает гравитацию Земли с центробежной силой в орбитальной системе отсчета, чтобы сохранить высоту. Этот орбитальный подъем пропорционален$v^2/r$, куда$v$- скорость космического корабля r - радиус орбиты.

Как только космический корабль замедляется ниже орбитальной скорости, ему потребуется дополнительная подъемная сила, чтобы поддерживать высоту и сбалансировать ее с гравитацией Земли, поэтому:

Где$L$лифт нужен. И$g$является стандартной гравитацией. Лучшее отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению, которое вы можете получить, исходя из того, что я нашел :

Где$M$это число Маха. или, чтобы превратить это в метрику в метрах в секунду, это примерно:

Скорость звука зависит от температуры, но для простоты я предположил комнатную температуру. В реальной жизни она будет меняться в зависимости от изменения температуры воздуха во время спуска.

Это эмпирический максимум, Concorde имел аэродинамическое качество 7 при 2 Маха. Так что на самом деле этот фактор больше похож на 3, чем на 4, если мы рассмотрим все компромиссы дизайна. Это означает, что мы можем получить лифт$3k(v+1000)$и соответствующее сопротивление$kv$. Где$k$- масштабный коэффициент, которым можно управлять, изменяя высоту (например, чтобы увеличить ее, вам нужно спуститься в более плотную атмосферу).$k$измеряется в единицах 1/с, поэтому подъемная сила выражается в виде ускорения (сила на массу, если хотите).

Итак, если мы подключим этот лифт на$L$, и решить для$k$мы получим:

The $kv$это сопротивление, которое представляет собой скорость замедления при входе в атмосферу. И тогда тепло, выделяемое в единицу времени, равно произведению силы сопротивления, умноженной на скорость. То есть$kv^2$.

Затем мы можем подключить$g$что приблизительно равно 10 м/с$^2$и r, который приблизительно равен 6371000 м.

Так что сюжет замедления($kv$) является:

Что показывает, что замедление будет очень плавным, всего 0,2 g на пике.

Теперь сюжет$kv^2$для отопления:

Который в пике показывает около 8кВт/кг тепловыделения. Таким образом, для космического корабля массой 1 тонна в пике будет производиться 8 МВт тепла. Вероятно, большая часть этой энергии рассеивается в окружающем воздухе, а не поглощается летательным аппаратом, но это все еще много энергии, с которой нужно обращаться.

Более того, конструкция с большой подъемной силой, вероятно, представляет собой волнолет, который намеренно едет на создаваемой им ударной волне. Значит, он в контакте с плазмой. А поскольку пиковое замедление составляет всего 0,2 g, то для замедления и приземления потребуется около 2-3 часов, поэтому транспортному средству придется выдерживать воздействие горячей плазмы так долго.

Если мы сможем решить эту проблему и найти способ использовать эту энергию, например. генерировать топливо, тогда вейврайдеры будут иметь смысл. А пока проще просто нырнуть через атмосферу как можно быстрее и надеясь, что теплозащитный экран космического корабля не прогорит при этом.