Каковы максимальные температуры при входе в атмосферу?

Мы все знаем, что возвращение космического корабля вызывает сильное нагревание — плазма, аблятор, пылающий след и все такое прочее. Я хотел бы знать, с каким уровнем тепла мы имеем дело — может кто-нибудь подсказать какие-нибудь цифры, например, какая максимальная температура возникает в воздухе или на поверхности теплозащитного экрана, или вообще в самом горячем месте при входе в атмосферу? Со сколькими градусами Цельсия мы имеем дело?

Только Земля и только пилотируемые космические корабли? Например, зонд Галилео, вошедший в атмосферу Юпитера, выдержал запредельные температуры и ускорения...
@Andy: лучший ответ будет содержать их обзор.
(но да, только Земля, не обязательно пилотируемая.)
При скоростях входа в атмосферу может быть бесполезно говорить об одной температуре. Неравновесные эффекты в газе означают, что может существовать поступательная температура (то, что мы обычно считаем температурой), а также колебательная и электронная температуры, все из которых могут различаться из-за высоких скоростей, высоких энергий и разреженного воздуха. . См. эту страницу для обсуждения различных используемых моделей.
@ tpg2114: Я спрашивал об этом, думая о неабляционной тепловой защите для грузов, которые относительно невосприимчивы к теплу (негорючее сырье). Кажется, во всех случаях вольфрам выдержит вход в атмосферу.
Дело не в том, чтобы выдержать повторный вход — проблема в защите содержимого. Сделать теплозащитный экран, выдерживающий несколько тысяч градусов К, легко, но это не поможет слабому мешку с мясом внутри, который хмурится при температуре всего лишь 300 °К :D сам. Это то же самое, что охлаждать что-то льдом, который на самом деле является низкотемпературным абляционным теплозащитным экраном :D
@Luaan: я хорошо знаю об этом. Я думал о необработанных металлах, добытых на астероидах. Если содержимое расплавится, ничего страшного, оно затвердеет после разбрызгивания.
Это все еще большое дело — это разница между получением чистого материала, готового к работе, и получением руды, которую необходимо очистить. Но в любом случае, думаю, вас это мало волнует. В конце концов, все дело в вашем профиле спуска — если вам не нужно быстро терять скорость, вам не нужен «стрессовый» повторный вход (хотя есть ограничения на то, насколько простые объекты без двигателя могут вернуться). И не забывайте, что большинство материалов меняет плотность в зависимости от температуры - вы же не хотите, чтобы расплавленный металл вырвался из "космического корабля" :D
@Luaan: Учитывая дельта-V, а также изобилие солнечной и другой энергии в космосе, я считаю, что доставлять руду на Землю — ошибочный подход. Это должно быть уточнено в пространстве. OTOH да, изменения объема, безусловно, вызывают беспокойство, как и прочность конструкции в момент удара о море.
Если вы говорите о посадке незащищенного сырья, имейте в виду, что многие крупные метеоры распадаются на высоте из-за замедления и, возможно, теплового стресса. Так что мы не можем просто сбросить их с орбиты. (Может быть актуально, если вы говорите о приземлении необработанных блоков камня или чего-либо, что не является обработанным слитком.)
@Andy: Я как раз думаю о том, какая -минимальная- защита потребуется, чтобы этого не произошло.
О Конечно. Но это то, о чем я говорю — насколько мы можем судить, астероиды в значительной степени уже очищены — примеси, обнаруженные в руде на Земле, гораздо реже встречаются в космосе (в первую очередь, кислород и сера).
(Связанная тема [ space.stackexchange.com/questions/15013/… )

Ответы (5)

Зонд для возврата образцов Stardust совершил интересный повторный вход в атмосферу Земли. При возвращении с солнечной орбиты максимальное замедление составило 34g .

Максимальная температура оценивается примерно в 3200 Кельвинов или 2900 градусов по Цельсию на поверхности. Следует отметить, что у входного зонда не было записи данных о входе в атмосферу, поэтому эти измерения были оценены на основе спектроскопического исследования теплозащитного экрана при его опускании, что, должно быть, было интересной дневной работой.

Спектроскопическое измерение проводилось через светящуюся плазму, окружающую его, и диапазон измерения будет означать, что температура является средней по всему экрану. В результате это не является прямым измерением от самой горячей точки теплозащитного экрана, но, тем не менее, это интересное чтение.

Старые баллистические ракеты средней дальности могли стать еще более горячими: в зоне застоя были измерены температуры до 12000 ° F (6650 ° C). Электронная книга НАСА « Возвращение домой: возвращение и восстановление из космоса » дает интересные сведения о возникающих проблемах.

Система тепловой защиты Space Shuttle рассчитана на температуру до 1510 °C. Прямо над ТЭС
есть пограничный слой воздуха, снаружи которого температура может достигать 5500 °C. НАСА использовало HYTHIRM для получения тепловых изображений орбитального аппарата во время входа в атмосферу:

тепловое изображение STS, показывающее температуру до 1650 ° C на носовой части и передних кромках крыла.

Шаттл имеет очень низкую температуру при входе в атмосферу по сравнению с другими космическими кораблями.
@Antzi Да, потому что у него огромная площадь поверхности. Помните, что возвращение в атмосферу связано с потерей скорости , это не свойственно космическому путешествию. Врезаться в атмосферу как раз пока самый дешевый способ потерять орбитальную скорость. Поскольку шаттл имеет огромную площадь поверхности, он может позволить себе менее радикальный подход. В то же время он не использует абляционную защиту, поэтому должен иметь более низкие температуры входа в атмосферу - тепло не утилизируется, а только "сохраняется", что ограничивает возможности (сравните охлаждение жидкой водой с охлаждением испарением/льдом). плавление). Все дело в возможности повторного использования.
Он также использует свои характеристики самолета, чтобы дольше оставаться на высоте, уменьшая тепловой поток из-за более низкой плотности воздуха. Это не уникально для шаттла (союз делает то же самое, чтобы уменьшить перегрузки), но у него лучшее соотношение L/D, чем у капсул.

В этой статье говорится, что недавнее испытание Ориона испытало 2200 градусов по Цельсию, а в этом старом информационном бюллетене Аполлона говорится о 5000 градусов по Фаренгейту (2760 градусов по Цельсию) на Аполлоне-4 (испытание на скорости возвращения на Луну).

Моделирование CFD показывает, что температура воздуха в носовой ударной волне зонда звездной пыли достигла температуры около 50 000°K на 71 км, а затем упала до 10 000°K на 51 км (тонкая красная линия). Следует помнить, что воздух на этих высотах чрезвычайно разрежен, что, к счастью, приводит к плохой передаче тепла кораблю.

Температура поверхности была намного ниже, как упоминалось в ответе Энди, из-за абляционного охлаждения. Поверхность рассчитана на выгорание, поэтому температура поверхности во многом зависит от температуры разложения абляционного материала.

Хорошие цифры, которые напоминают нам о нашем представлении о «температуре» (и ее экстремальных значениях), отклоняются от наших обычных ощущений в более экзотических условиях. И, может быть, впоследствии спросить о "пиковом нагреве" или "пиковом тепловом потоке" :)
@uhoh спасибо за редактирование, но использование символа градуса с Кельвином было неправильным с 1967 года physics.nist.gov/cuu/Units/kelvin.html en.wikipedia.org/wiki/Kelvin Редактирование несущественно, поэтому я не поленитесь откатить его назад.
Вау, ты прав! Мне нужны были запятые, чтобы увидеть, насколько большими были числа, потому что я родился до того, как символ градусов для Кельвина был неправильным, а шрифт SE был таким маленьким :) После этого я должен был остановиться. Это имеет смысл, Kэто единица сама по себе, поэтому она не нуждается в °помощнике. Спасибо за информацию!

«Самый трудный вход в атмосферу из когда-либо предпринятых» был осуществлен зондом « Галилео » . Температура может относиться к температуре плазмы или температуре теплозащитного экрана, но последний обычно ограничивается, потому что а) ничто не остается твердым при температуре выше ~4000 °C, и б) многие тепловые экраны предназначены для абляции, испарения, чтобы поглотить часть тепловая энергия.

В любом случае, Galileo Probe должен был выдержать замедление в 230-250 g . Цитаты утверждают, что он выдержал «15 500 ° C», что я не совсем понимаю, учитывая вышеизложенное, но он действительно прошел программу быстрой потери веса, потеряв 80 кг массы примерно за 2 минуты. Некоторые другие статистические данные, видимые на первой странице этого платного документа (полный документ доступен на любимом веб-сайте Марсии МакНатт, хотя большая часть его — технические подробности о том, как они измеряли постоянно уменьшающуюся толщину теплозащитного экрана):

  • 30 кВт/см 2 тепловой поток
    • «300 000 солнц» (300 тыс. × солнечная инсоляция на поверхности Земли)
  • тепловая нагрузка 300 кДж/см 2
  • Начальная скорость 50 Маха (47,4 км/с)
Каковы максимальные температуры при входе в атмосферу?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v