Наверняка ничего не повредит. Из документа FAA о возвращении из космоса есть очень интересная диаграмма, которую я привожу ниже.

Таким образом, максимальная перегрузка почти всегда находится на высоте около 4500 м для этой конкретной траектории полета. Из других графиков мы находим, что меньший угол будет распределять силы повторного входа в атмосферу, и, в частности, максимальное замедление произойдет на большей высоте. Суть в том, что для того, чтобы наша Cessna имела более высокую смену посадки, она должна была бы летать на высокой скорости около 10 000 м. Максимальный потолок полета составляет 13500 футов, примерно 4000 м, однако он должен иметь некоторый подъем на таких высоких скоростях.

Однако я думаю, что вы столкнетесь с проблемой. Самолет фактически будет сверхзвуковым и не будет иметь больших возможностей управления. Я не верю, что конструкция Cessna способна поддерживать устойчивость на такой большой высоте и скорости. У космического самолета крылья будут сдвинуты назад, как у космического шаттла, чтобы обеспечить большую устойчивость. И если стабильность не может поддерживаться, подъемная сила не может поддерживаться.

В итоге это могло бы помочь, но я все еще думаю, что Cessna не будет существовать долго.

Вы не можете просто замедлить его на многих орбитах

Я думаю, что вопрос заключается в том, чтобы позволить небольшому сопротивлению замедлить Cessna до тех пор, пока она не достигнет нормальной скорости, прежде чем скользить по атмосфере. Это хорошо, но это не сработает. Орбитальный полет — это баллистический полет. Баллистический полет без боковой скорости (т.е. когда вы начали реально тормозить Цессну) это просто падение - ваша баллистическая траектория пересекает поверхность Земли. Низкоскоростного способа промахнуться мимо Земли без большого количества двигателей, то есть без планирования, не существует.

Орбита не высокая, она быстрая

Орбита движется вбок так быстро, что вы промахиваетесь мимо Земли. Что-то вроде 7,8 км/с, что составляет 17 500 миль в час. Для сравнения, Cessna летает со скоростью ошибки округления.

Таким образом, вместо того, чтобы думать, что это было бы возможно, если бы Cessna была сброшена достаточно низко, подумайте о том, что это возможно, если бы Cessna сбрасывалась с достаточно малой воздушной скоростью.

Кинетическая энергия — ваш враг

У нас есть Cessna, привязанная к орбитальному кораблю, развивающая скорость 7,8 км/с (или она не на орбите), и к тому времени, когда она войдет в атмосферу, чтобы избежать возгорания, она должна двигаться со скоростью около 130 миль в час, или 58 м/с, что равна нулю по сравнению с начальной скоростью. Таким образом, наша 1000-килограммовая Cessna имеет относительный KE, равный 0,5*1000*(7,8e3^2) = 30,4 гигаджоулей, которые мы должны потерять.

Замедлить ракеты!

В настоящее время есть только один способ передать 30 ГДж энергии на Cessna до того, как она достигнет атмосферы (т.е. до того, как потребуются теплозащитные экраны), и это ракета.

По сути, вы собираетесь сбросить Cessna с орбитального корабля и запустить большую ракету-носитель с дельта-v 7,8 км/с. Это энергетически похоже на запуск ракеты LEO с Земли (у LEO дельта-v составляет 9 или около того от Земли), потому что опять же речь идет о скорости, а не о высоте, и вы просто ускоряетесь назад, а не вперед.

Ракетой подходящего размера могла бы быть японская ракета «Эпсилон» ; он имеет полезную нагрузку 1200 кг для LEO, которая должна разогнать Cessna и пилота с +7,8 км/с до 0,06 км/с в течение нескольких минут.

Тирания

Есть одна загвоздка; Эпсилон весит 91 000 кг из-за уравнения тирании ракеты — чтобы что-то разогнать, вы должны воткнуть его в ракету, которую вы также должны разогнать, для чего требуется больше топлива, которую также нужно разогнать и т. д. Итак, 1200 кг полезной нагрузки требуется ракета массой 91 000 кг.

Эта ракета теперь является полезной нагрузкой, которую мы должны вывести на орбиту в первую очередь на вершине гораздо большей ракеты.

Но подождите, мы уже поднимали больше; Сатурн V управлял 140 000 кг. Самый маленький из предыдущих запусков, способных осуществить такой масштаб, — это российская ракета « Энергия» , продолжение неудачного проекта N1 (российский аналог «Сатурн-5»). Он весит около 2 400 000 кг (2,4 кт), размером с башню Биг-Бена и будет стоить более 1,5 млрд долларов.

Или просто наденьте пальто

Я позволил этому стать немного глупым. Надеюсь, должно быть ясно, что теплозащитный экран гораздо дешевле, чем ракета для замедления, и именно поэтому Шаттл был спроектирован таким, какой он был - замедление с помощью воздушного тормоза стоит вам только веса теплозащитного экрана.

Во-первых, тепловые экраны предназначены не только для плотной атмосферы с большим торможением, верхняя часть атмосферы при входе в атмосферу также выделяет тепло. Если бы у вас был корабль, который мог бы летать в верхних слоях атмосферы, он бы все равно нагревался только от своей поступательной скорости. Гиперзвуковые транспортные средства также значительно нагреваются, даже если они являются обычными самолетами. SR71 Blackbird развивал скорость «всего» 3,3 Маха и нагревался до 300°C, поэтому его пришлось делать из титана, а не из обычного алюминия. Нагрев также увеличивается с квадратом скорости.

Во-вторых, плотность атмосферы экспоненциально убывает с высотой. Таким образом, скорость, с которой должен лететь «самолет», также экспоненциально увеличивается с высотой. С другой стороны, орбитальная скорость (но не полная орбитальная энергия) уменьшается .тем выше ваша орбита. Таким образом, чем быстрее/выше вы поднимаетесь, тем меньшая подъемная сила вам нужна, поскольку тем ближе вы к орбите. На линии Кармана на высоте 100 км оба эффекта примерно равны, и, таким образом, выше линии Кармана скорость, которую вам нужно лететь, выше, чем ваша орбитальная скорость, поэтому «полет» там будет означать стрельбу вдали от земли. Или, наоборот, стабильная высота над линией Кармана будет означать почти орбиту с очень небольшим вкладом подъемной силы. Однако атмосферы все еще достаточно, чтобы преодолеть лобовое сопротивление, вам нужен двигатель, поэтому вам нужно будет постоянно тратить ракетное топливо (на такой высоте не будет работать ни один воздушно-реактивный двигатель), чтобы не опускаться/снижаться медленно.

Я думаю, вы могли бы просто использовать крылья большего размера, увеличивая подъемную силу, но с этим экспоненциальным разрежением атмосферы размер вашего крыла должен быть экспоненциальным с высотой, так что это создает проблемы с полным сопротивлением и весом, и в первую очередь. Вес также является основной причиной того, что у космического челнока не было крыльев большего размера, чем у него, с его довольно плохим отношением подъемной силы к лобовому сопротивлению.

В-третьих, более мелкий вход на самом деле производит больше тепла, которое транспортное средство может поглотить. Очень крутой вход приводит к более высокому пиковому нагреву и более высоким перегрузкам, но снижает общий нагрев автомобиля. Для пилотируемых боеголовок максимально пологий угол входа ограничивается суммарным нагревом, а наиболее крутой - максимально допустимыми перегрузками на экипаж.

Несмотря на все вышесказанное, ваша идея работает (но в нижних слоях атмосферы) и используется. Но не для устранения тепловых экранов (как упоминалось ранее, меньший угол = больший общий нагрев), а для ограничения перегрузок, испытываемых экипажами. «Союз» в нормальном режиме входа активно контролирует свое положение для создания подъемной силы, обеспечивая относительно пологую траекторию с максимальным замедлением 5G или около того. Он также имеет аварийный баллистический режим, в котором боеголовка стабилизируется при вращении. В этом случае он не создает подъемной силы, его спуск значительно круче, а экипаж испытывает торможение до 9G. Космический шаттл также использовал подъемную силу с максимальным замедлением 3G.

Короче говоря, нагрев вызван высокой скоростью, а не (только) малой высотой. Вход можно осуществить без теплозащитного экрана, но тогда вам нужно убедиться, что вы достаточно замедлились, прежде чем попасть в плотную атмосферу. Так что это означает использование ракет. Возврат с орбиты с использованием ракет для отрыва требует столько же топлива, сколько и запуск, так что это нецелесообразно. Однако ракета-носитель SpaceX Falcon 9 достигает гораздо более низких максимальных скоростей и использует этот подход («входной прожиг») для замедления и ограничения нагрева при входе в атмосферу перед приземлением.

Мне нравится идея, которую вы используете, я тоже думал об этом. К сожалению, не получается, по той причине, что лобовое сопротивление не является ограничивающим фактором , по крайней мере, не напрямую.

Количество лобового сопротивления <> количество генерируемого тепла

Сопротивление воздуха — это сила , создаваемая воздухом, воздействующим на автомобиль. Он действительно пропорционален квадрату воздушной скорости
. Он накладывает некоторые ограничения (например, чтобы предотвратить отрыв крыльев) и может быть ограничивающим фактором для некоторых частей полета. Но это не самый сложный предел.

Нагрев при входе в атмосферу также возникает из-за столкновения воздуха с вашим самолетом, но он пропорционален количеству потерянной энергии и пропорционален кубу скорости полета .
А когда летишь с орбиты со скоростью 8 км/с, это гораздо более серьезная проблема.

Таким образом, хотя Cesna, вероятно, не очень хорошо справляется со сверхзвуковыми полетами, существует множество самолетов, обладающих структурной прочностью и характеристиками управляемости, которые могли бы сделать ваш подход жизнеспособным, если бы они были термостойкими .

Единственная причина, по которой большинство космических аппаратов сталкивается с высокими перегрузками при повторном входе в атмосферу, заключается в том, что наиболее эффективный подход состоит в том, чтобы потерять свою энергию за короткое время, потому что это означает, что вам придется выдерживать высокую температуру только в течение короткого времени. А для космического челнока аэродинамические нагрузки (= сопротивление или сила) на самом деле максимальны во время запуска , когда он быстрее проходит через более плотные части атмосферы (максимум на высоте около 11 км).

Эта статья об управлении ориентацией в VLEO с использованием аэродинамических поверхностей содержит много полезных данных и показывает возможность такого «холодного» входа в атмосферу.

Возможно, ключевым моментом может стать использование закона квадратного куба, и если кубсат высотой 1U слишком велик, чтобы поддерживать достаточно малый угол спуска, чтобы температура и скорость оставались близкими друг другу, будем надеяться, что некоторые спутники размером с игральную кость с большим количеством Площадь поверхности в квадратных сантиметрах и масса в несколько граммов позволяют использовать такой контролируемый входной профиль.