Отскочить от атмосферы при входе в атмосферу?

Да, капсула не может буквально отскочить от атмосферы, и ее кинетическая энергия должна быть уменьшена при столкновении с атмосферой, скорее она просто пройдет через атмосферу и вернется в космос, не потеряв достаточной скорости, чтобы остаться в атмосфере. Обогнув планету частично, он снова войдет в атмосферу, и именно в этом заключается настоящая проблема: капсула упадет не в том месте и не в то время. Также могут быть проблемы с истощением запасов энергии / кислорода или отказом теплозащиты, например, конструкция может потребовать сброса теплового экрана, чтобы избавиться от аккумулированного тепла, или полагаться на конвекцию в атмосфере для охлаждения сосуда. Так что есть много вещей, которые могут пойти не так, если корабль вернется в космос, а не глубже в атмосферу.

При этом не хватает точной, повседневной терминологии для содержательного описания проблемы, и обычные люди все равно не понимают разницы между «на орбите» и «высоко», капсула буквально отправилась бы назад. высоко в космосе, и при правильном кадрировании (например, график зависимости высоты от времени) траектория будет выглядеть как отскок.

Сохранение энергии справедливо и для орбит. Вам нужна энергия, чтобы перейти с более низкой орбиты на более высокую.

Но «подпрыгивание» атмосферы энергии не добавляет, часть энергии теряется на трение о воздух. В конце концов, вы все равно сойдете с орбиты при входе в верхние слои атмосферы даже на короткое время из-за эллиптической орбиты. Если не в первый раз, то в последующие разы в низшей точке эллиптической орбиты. Каждый короткий проход через атмосферу снова забирает часть энергии орбиты. Удаление некоторой орбитальной энергии приводит к более низкой орбите. В конце концов, если орбита окажется слишком низкой, повторный вход неизбежен. Но отложенный вход в атмосферу может быть опасен для экипажа, запасы электроэнергии и кислорода для капсулы очень ограничены.

Вкратце — при входе в атмосферу всегда теряется энергия, но иногда этого недостаточно, чтобы удержать входящий в атмосферу корабль/капсулу/метеор. Вход может изменить орбиту таким образом, что он снова выскакивает над атмосферой на орбиту с более низкой энергией, чем раньше, которая может повторно пересечь атмосферу или может все еще быть выше космической скорости и никогда не вернуться.

Из опыта работы с симуляторами космических полетов, в частности с Orbiter:

Космический челнок имел тенденцию подпрыгивать. Все говорят, что это «летающий кирпич», имея в виду, что он плохо летает. На самом деле это отличный самолет в своем расчетном диапазоне... просто его расчетный диапазон составляет 10+ махов. Номинальный входной профиль - вход в атмосферу со скоростью 7000+ м/с по горизонтали и около -150 м/с по вертикали, с дальностью полета около 4000 км, с поднятыми крыльями и углом атаки около 40 градусов. Если бы транспортное средство удерживало это положение на уровне крыльев, оно создавало бы такую ​​большую подъемную силу, что быстро нейтрализовало бы нисходящую скорость и начинало подниматься. Поскольку космический корабль все еще почти на орбите, он по-прежнему имеет почти всю свою горизонтальную скорость, а эффективное ускорение свободного падения довольно низкое, и ему не требуется большой подъемной силы, чтобы начать полет назад. Это буквально почти как стена на высоте 80 км. Если такое положение сохранится, космический корабль начнет взлетать, все еще на почти орбитальной скорости, по дуге далеко над местом приземления. Я никогда не пытался максимально растянуть планирование, но, основываясь на своем опыте, я бы сказал, что он, вероятно, не войдет в атмосферу снова, пока не пройдет тысячи километров от места приземления, и снова отскочит. Каждый раз энергия будет теряться, поэтому средняя высота орбиты (большая полуось) будет постоянно уменьшаться. В конце концов он не подпрыгнет достаточно высоко, чтобы вернуться в космос, и завершит вход, пропустив примерно полмира. но, основываясь на своем опыте, я бы сказал, что он, вероятно, не войдет снова в атмосферу, пока не пройдет тысячи километров от места посадки, и снова отскочит. Каждый раз энергия будет теряться, поэтому средняя высота орбиты (большая полуось) будет постоянно уменьшаться. В конце концов он не подпрыгнет достаточно высоко, чтобы вернуться в космос, и завершит вход, пропустив примерно полмира. но, основываясь на своем опыте, я бы сказал, что он, вероятно, не войдет снова в атмосферу, пока не пройдет тысячи километров от места посадки, и снова отскочит. Каждый раз энергия будет теряться, поэтому средняя высота орбиты (большая полуось) будет постоянно уменьшаться. В конце концов он не подпрыгнет достаточно высоко, чтобы вернуться в космос, и завершит вход, пропустив примерно полмира.

Поскольку это нежелательно, есть, конечно, уловки, чтобы предотвратить пропуск. Техническое определение подъемной силы - это часть аэродинамических сил, перпендикулярная направлению движения, точно так же, как сопротивление - это часть, антипараллельная движению. Английское слово «подъем» подразумевает «вверх», а математическое определение — нет — подъемная сила может быть направлена ​​в любом направлении, перпендикулярном траектории полета.

Подъемную силу можно изменить, изменив угол атаки, но существует множество компромиссов между конструкцией крыльев, размещением плит теплозащитного экрана и т. д., что делает предпочтительным сохранение 40-градусного угла подъема носа. атака.

Итак, что сделал шаттл, так это то, что сразу после входа он накренился почти на 90 градусов, так что его вектор подъемной силы стал почти горизонтальным. Он сохранял достаточную подъемную силу в вертикальном направлении, чтобы контролировать скорость опускания. Если кораблю требовалось большее сопротивление, он делал больший крен, чтобы быстрее тонуть и глубже зарываться в плотный воздух. И наоборот, если бы ему требовалось меньше сопротивления, он бы меньше кренился. По мере того, как корабль замедлялся, общая подъемная сила уменьшалась (а эффективное ускорение силы тяжести увеличивалось), так что ему приходилось катиться ближе к уровню крыльев, чтобы сохранить достаточную вертикальную подъемную силу.

Аполлон, хотя у него и нет крыла, имел центр масс вне оси. Это означало, что капсула будет входить под углом, и фактически вся нижняя часть теплозащитного экрана будет представлять собой одно большое круглое крыло. Затем он управляется таким же образом, виражом, чтобы контролировать величину вертикального подъема. Это называется подъемным входом, и все современные пилотируемые капсулы делают что-то подобное. Возвращаясь с Луны, космический корабль летел со скоростью, превышающей космическую, поэтому, если он поднимется из атмосферы, он может выйти на очень высокую орбиту, возможно, настолько высокую, что на возвращение потребуются часы или дни. (Учитывая, что к этому моменту служебный модуль уже был отделен, а запаса энергии и жизнеобеспечения оставалось всего на несколько минут, это был бы плохой день.) Итак, наведение Аполлона было разработано для управления сопротивлением в качестве первого приоритета, пока оно не упадет ниже локальной скорости круговой орбиты, после чего оно считало себя захваченным и неспособным отскочить. Затем он переключил внимание на конкретный сайт приводнения.

Альтернативой для капсулы является отсутствие смещения центра масс. Это называется баллистической записью (в отличие от подъемной записи выше). Некоторые посадочные модули на Марс использовали это, а также оригинальные сферические входные капсулы Восток и Венера. Эта конструкция не создает подъемной силы и, следовательно, никогда не рискует выйти из строя.

Точно так же я ожидаю, что обычный естественный метеор не будет иметь значительного подъема и не будет рисковать пропустить его. Метеоры иногда действительно проходят через верхние слои атмосферы с их первоначальным перигеем в атмосфере, но над землей. Иногда перигей бывает достаточно высоким, чтобы, пока метеор горит и светится, он не терял достаточной скорости, чтобы опустить перигей до уровня земли, и поэтому направлялся обратно в космос на более низкоэнергетическую (но все же, возможно, ускользающую) орбиту. Я предоставляю вам судить, считаете ли вы это «отскоком» от атмосферы, но я так не считаю.

Пилотируемые капсулы, как правило, используют подъемный вход по разным причинам. Во-первых, это более контролируемо и, следовательно, проще/возможно нацелиться на точную посадочную площадку. Во-вторых, поскольку он поднимается, он проводит больше времени выше в атмосфере в более разреженном воздухе, чем в противном случае. Это позволяет ему двигаться с меньшим ускорением, чем в противном случае. Космический шаттл, прибывающий с низкой околоземной орбиты, редко испытывал ускорение более 1,5 g, в то время как баллистический вход даже на самом мелком пути с самой низкой орбиты будет иметь ускорение более 8 g.

«Союз» предназначен для использования в любом из этих режимов — обычно он использует подъемный вход, но при определенных условиях (обычно при неисправностях) он может вернуться к баллистическому входу. Неприятно входить с перегрузкой более 8 г, и это означает отказ от управляемости, но способность «Союза» противостоять баллистическому входу использовалась четыре раза и спасла экипажи, которые в противном случае были бы потеряны.

Вы можете отскакивать от атмосферы, если скорость вашего корабля выше, чем скорость убегания на высоте отскока, а гипераэродинамика корабля позволяет вам гиперпланировать. Это произойдет, если корабль представляет собой некую форму гиперзвукового волнолета, поскольку волнолет создает подъемную силу.

Если подъемная сила не создается, корабль будет пересекать атмосферу, пока скорость превышает скорость убегания, тогда корабль покинет Землю и может никогда не вернуться. Это не совсем отскок, но вызовет такое же беспокойство у его пассажиров, экипажа, операторов и их семей.