Запрашивая подробное объяснение тепла, выделяемого при входе в атмосферу,

Термин «трение» является неправильным. Источником тепла является адиабатическое сжатие - газ на траектории возвращающегося объекта сжимается у его передней поверхности, в результате чего нагревается.

На молекулярном уровне это можно представить как число молекул, поднимающихся в заданном объеме (сжатых) и дополнительно ускоряющихся (за счет упругих столкновений с быстро движущейся поверхностью). Все это приводит к резкому повышению температуры; кроме того, эти столкновения составляют сопротивление воздуха, вызывающее замедление космического корабля.

Из-за инерции газа проходит некоторое время, прежде чем он отойдет в сторону от передней поверхности (отдавая часть своего тепла объекту, которого в этот момент касается) и свободно улетит с краев, последующая декомпрессия (и, как следствие, охлаждение ), происходящие далеко за пределами поверхности объекта, и поэтому неспособные охладить его обратно. На задней стороне также есть адиабатическая декомпрессия, которая охладит его - за исключением того, что давление там может упасть только на 1 бар (от атмосферного до нуля), давление может подняться намного больше на передней стороне, вызывая гораздо больший нагрев, чем охлаждение. воздействие на объект.

В определенный момент количества тепла достаточно, чтобы превратить любой материал с этой температурой в плазму, таким образом, «пламенный след» как возбужденного воздуха, так и материала тела (будь то камень метеорита или аблятор на возвращающейся капсуле). ) возбуждается до такой степени, что превращается в плазму и сдувается, оставляя за собой пылающий след. Аблятор - материал, который сгорает, унося с собой тепло, будучи очень плохим проводником тепла - используется на космических кораблях для защиты внутренней части корабля от перегрева за счет передачи тепла от перегретой передней поверхности.

Хотя ответ @SF прекрасно описывает, как работает обогрев при повторном входе, он не затрагивает напрямую вопрос об основных причинах, поэтому я нашел время, чтобы ответить на вопрос, который вы разъяснили в комментариях:

Зачем нужна такая высокая скорость входа в атмосферу?

Орбитальная скорость на низкой околоземной орбите (НОО) составляет ~7,8 км/с. Для повторного входа в апогее производится кратковременный прожиг для достаточно глубокого опускания перигея в атмосферу, обычно на величину от нескольких десятков м/с до нескольких сотен м/с. Тем не менее скорость входа в атмосферу будет выше 7 км/с. Капсулы Аполлона в начале входа в атмосферу имели скорость более 11 км/с.

Дальше тормозить нельзя, из-за так называемого "Тирании ракетного уравнения". Чтобы снизить скорость с 7,8 км/с до 0 м/с, вам понадобится ракета примерно такого же размера, как ракета, выведшая вас на орбиту. И чтобы запустить эту ракету в космос, вам понадобится ракета экспоненциально больше.

Даже если бы вы могли, падение объекта замертво с высоты 400 км нежелательно. Если бы вы каким-то образом остановились на высоте МКС, вы бы двигались со скоростью ~ 2500 м/с после прохождения линии Кармана и ~ 3000 м/с один раз на высоте 50 км. но вместо того, чтобы иметь довольно длинный путь через атмосферу, который замедляет судно до предельной скорости, он выберет кратчайший возможный путь и, вероятно, не сможет развернуть свои парашюты для замедления, что приведет к литобременению.

Во время запусков SpaceX первая ступень достигает космоса и возвращается на землю без теплозащитного экрана. Это связано с тем, что первая ступень не выходит на орбиту, она остается на суборбитальной траектории и работает намного медленнее (судя по быстрому поиску в Интернете, при разделении скорость составляет около 2 км/с), и, таким образом, нагрев при входе в атмосферу не является серьезной проблемой. беспокойство. Добавьте к этому тот факт, что это моторизованная посадка, спуск по довольно крутой траектории не такая уж большая проблема — вам не нужно уметь разворачивать парашюты.

Наконец, повторное отопление лучше, чем альтернативы. Когда Аполлон вернулся с Луны, они снова вошли со скоростью более 11 км/с. Эту скорость можно было бы уменьшить, сначала совершив круговое движение на НОО, а затем снова войдя в атмосферу. Но проблема снова связана с орбитальной механикой: вам нужно столько же топлива для транслунной инжекции, сколько вам потребуется для кругового движения вокруг Земли при возвращении с Луны. Это довольно большое количество топлива, и гораздо проще не брать это топливо, а вместо этого использовать больший тепловой экран (опять же, тирания уравнения ракеты).

Возвращение в межпланетное пространство (например, с Марса) снова будет иметь гораздо более высокие скорости входа в атмосферу, и круговое движение вокруг Земли также не будет вариантом. Вам понадобится столько дельта-V, чтобы совершить круговое движение, сколько вам нужно, чтобы покинуть Землю, чтобы добраться до Марса. Взять с собой такое количество топлива просто невозможно.

Итак, вам нужно иметь высокие скорости во время повторного входа. И с этими скоростями ответ SF довольно хорошо резюмирует то, что происходит.

Основной причиной является высокая скорость повторного входа.

Рассмотрим типичный корабль, который поднимается на низкую околоземную орбиту, а затем возвращается.

При подъеме ускорение обеспечивается ракетной тягой, растянутой на несколько минут полета, а самый скоростной участок полета совершается над плотной частью земной атмосферы. Некоторое количество тепла выделяется при сжатии (как объясняет ответ SF) и трении между атмосферой и обшивкой космического корабля, но не в больших количествах. На высоте 45 км ракета может развивать скорость «всего» 4 или 5 Маха, а давление воздуха составляет около 0,2% от уровня моря.

При входе в атмосферу никакая ракетная тяга не замедляет корабль — все торможение будет осуществляться за счет атмосферного сопротивления. Когда он впервые начнет входить в атмосферу, его скорость составит около 20 махов; к тому времени, когда он упадет на высоту 45 км, он все еще будет двигаться со скоростью около 10 махов.