Спуск с орбиты и теплозащита КА

Fakir>> Зачем пулеобразная форма - как раз-таки понятно. Затупленные тела хороши до скоростей порядка 14 км/с, когда основной теплоподвод к поверхности КА - конвективный, а лучистая компонента мала. Но при более высоких скоростях, больших 2-й космической, 14 км/с и выше, когда лучистый теплоперенос начинает играть существенную роль, "фары" уже не годятся, "пули" - т.е. вообще заострённые формы, угол раскрытия зависит от скорости и атмосферы - лучше.
Fakir>> См. на тормозные экраны всех марсинаских зондов, на СА Галилео, СА Стардаста. Там просто относительно тупые конусы, не "пули", нло, вероятно, при еще больших скоростях "пуля" может быть выгоднее.
Streamflow>> Так всё же при каких скоростях "пуля" может быть выгоднее – 14 или 46 км/с или сколько там у СА Галилео?
Fakir> Конкретно "пуля" - фиг знает, тем более что конкретной картинки не приведено, и конкретная цель не описана.
Fakir> Заострённые, а не затупленные формы выгоднее НАЧИНАЯ со скоростей входа порядка 14 км/с.
Dem_anywhere>>> В водороде несколько иные скорости звука, соответственно число М не слишком отличается...
Streamflow>> Ну, если бы Fakir написал не v = 14 км/с, а M = 45, то я бы не стал возражать
Fakir> Зато я бы стал Махи там вообще не при делах. Повторюсь, переход от затупленной формы к заострённой обусловлен возрастание роли лучистого теплопереноса.
Что-то новое.. Чем же тут заостренная форма может помочь? Ближе к телу ударная волна.. Большая поверхность подвергается облучению...
В 1995 году зонд "Галилей" вошел в атмосферу Юпитера со скоростью 45км/с, спуск был баллистический.
Хотя смотря что считать заостренным телом. Если СА Галилео - тоды конешно...

Streamflow>> Да, а что Вы будете делать, когда острый нос сгорит? А сгорит он обязательно и очень быстро.
Fakir> В этом же топике приводилась картинка с разрезом (расчётным) ТЗП зонда Галилео до торможения и после. Форма примерно сохраняется.

Не для спора, а для информации: процессы абляции у сильно затупленного экрана и у острия - качественно различны. На большей части поверхности затупленного экрана локальные тепловые потоки более-менее близки, а на острие они (по крайней мере, конвекционные) стремятся к бесконечности Поэтому, носок будет гореть до тех пор, пока радиус кривизны там не приблизится к радиусам кривизны на остальной части лобовой поверхности. После этого у первоначально заострённого тела она превратится в некое подобие затупленного лобового щита. Если не принять специальных мер.

S.I.> Что-то новое.. Чем же тут заостренная форма может помочь? Ближе к телу ударная волна.. Большая поверхность подвергается облучению...

Торможение потока на заострённом теле гораздо слабее, энтальпии и температуры в заторможенном потоке многократно ниже, а радиационный теплоперенос пропорционален четвёртой степени температуры.

S.I.>> Что-то новое.. Чем же тут заостренная форма может помочь? Ближе к телу ударная волна.. Большая поверхность подвергается облучению...
Streamflow> Торможение потока на заострённом теле гораздо слабее, энтальпии и температуры в заторможенном потоке многократно ниже, а радиационный теплоперенос пропорционален четвёртой степени температуры.
Дык кто ж этого не понимает... Только куды кинетическая энергия тела переходит в таком случае? Нам же тормозить его надо.
В само тело и переходит.
И тогда -
"Не для спора, а для информации: процессы абляции у сильно затупленного экрана и у острия - качественно различны. На большей части поверхности затупленного экрана локальные тепловые потоки более-менее близки, а на острие они (по крайней мере, конвекционные) стремятся к бесконечности Поэтому, носок будет гореть до тех пор, пока радиус кривизны там не приблизится к радиусам кривизны на остальной части лобовой поверхности. После этого у первоначально заострённого тела она превратится в некое подобие затупленного лобового щита. Если не принять специальных мер."

S.I.>> Что-то новое.. Чем же тут заостренная форма может помочь? Ближе к телу ударная волна.. Большая поверхность подвергается облучению...
Streamflow> Торможение потока на заострённом теле гораздо слабее, энтальпии и температуры в заторможенном потоке многократно ниже, а радиационный теплоперенос пропорционален четвёртой степени температуры.
В принципе, существует же такая штука, как а/д игла - чтоб ударную волну оторвать от поверхности и уменьшить сопротивление... Но вопрос, что нам надо - уменьшать сопротивление, или затормозиться с минимальными потерями. Если второе, то щит и траектория с промежуточным торможением (типа, чиркнуть по верхним слоям - выйти остыть, чиркнуть - выйти остыть.. а тогда, затормозившись, и входить окончательно.

Streamflow> Поэтому, носок будет гореть до тех пор, пока радиус кривизны там не приблизится к радиусам кривизны на остальной части лобовой поверхности.

А так в принципе можно получить выигрыш по массе щита?

Streamflow>> Торможение потока на заострённом теле гораздо слабее, энтальпии и температуры в заторможенном потоке многократно ниже, а радиационный теплоперенос пропорционален четвёртой степени температуры.
S.I.> Дык кто ж этого не понимает... Только куды кинетическая энергия тела переходит в таком случае? Нам же тормозить его надо.

А зачем? С уменьшением затупления волновое сопротивление падает, и процесс торможения затягивается.

S.I.> Принятием специальных мер удается сохранить заостренную форму у ББ МБР. Но там цель - не тормозить, а подойти к мишени с максимально возможной скоростью, дабы затруднить перехват и уменьшить рассеивание от ветровых воздействий.

На БЧ МБР нет заострения. Там уменьшение затупления Да и скорости их полёта не слишком велики. При возвращении с Марса при использовании миссий с несимметричными траекториями скорость входа в земную атмосферу не менее, чем в 2 раза больше, чем у БЧ МБР. А уж с Урана...

Bredonosec> В принципе, существует же такая штука, как а/д игла - чтоб ударную волну оторвать от поверхности и уменьшить сопротивление... Но вопрос, что нам надо - уменьшать сопротивление, или затормозиться с минимальными потерями. Если второе, то щит и траектория с промежуточным торможением (типа, чиркнуть по верхним слоям - выйти остыть, чиркнуть - выйти остыть.. а тогда, затормозившись, и входить окончательно.

Игла тоже может сгореть

Streamflow>> Поэтому, носок будет гореть до тех пор, пока радиус кривизны там не приблизится к радиусам кривизны на остальной части лобовой поверхности.
au> А так в принципе можно получить выигрыш по массе щита?

Я полагаю, что результат зависит от режима полёта и от его целевой функции. Так что надо рассматривать конкретную ситуацию. А я этим никогда не занимался.

Streamflow>>> Поэтому, носок будет гореть до тех пор, пока радиус кривизны там не приблизится к радиусам кривизны на остальной части лобовой поверхности.
au>> А так в принципе можно получить выигрыш по массе щита?
Streamflow> Я полагаю, что результат зависит от режима полёта и от его целевой функции. Так что надо рассматривать конкретную ситуацию. А я этим никогда не занимался.

А любопытно. Если игла из карбида кремния (а он лёгкий) может облегчить обычный для таких случаев многометровый таз.. Например, для случая возврата на Землю со второй скоростью, чтобы далеко не ходить.

Wyvern-2> Аэродинамическая игла может быть и активной Представь себе иглу, которая представляет из себя РДТТ, дающий давление газа равное или выше, чем в ударной волне...
Wyvern-2> Ник
У амеров был прожект торможения разгонного лунного блока со 2 космич -кислородно/водородный движок работал с небольшой тягой против потока, заменяя теплозащиту своей струей + надувное устройство вокруг баков.

Streamflow>>>> Поэтому, носок будет гореть до тех пор, пока радиус кривизны там не приблизится к радиусам кривизны на остальной части лобовой поверхности.
au> au>> А так в принципе можно получить выигрыш по массе щита?
Streamflow>> Я полагаю, что результат зависит от режима полёта и от его целевой функции. Так что надо рассматривать конкретную ситуацию. А я этим никогда не занимался.
au> А любопытно. Если игла из карбида кремния (а он лёгкий) может облегчить обычный для таких случаев многометровый таз.. Например, для случая возврата на Землю со второй скоростью, чтобы далеко не ходить.
Такие варианты рассматривались, игла должна активно охлаждаться с расходом массы.
Выигрыша почти нет. Надежность ниже. Но для особых случаев-сложная форма СА - может быть применена.

au> Без конкретики это "рассматривались, выигрыша почти нет" — пустые буквы.
au> Никто абляционные щиты спускаемых аппаратов охлаждать не станет. Они горят как и задумано, будь они тазом или иглой.
Ну кто ж спорит что горят. Только скорость сгорания таза много меньше чем у иглы, бо объем/масса больше. Но если иглу сделать полой и подавать по ней жидкость испаряющуюся, то можно защитить остальную конструкция. Но расход массы при этом останется как для таза.

Bredonosec> кстати, мысля мелькнула - а ведь теплоемкость на грамм масы больше всего у воды - почему б не воспользоваться, как в куче фантастики, щитом изо льда? Снаружи тонкая оболочка (напр, пластикового бака, в котором замерзало уже в космосе), при входе в плотные слои - пусть испаряется - отнимет больше тепла на еденицу массы.
Bredonosec> Или - композитная мысля: как есть потеющие сплавы, почему б не воспользовать пористый материал, наполненный водой? Сначала вода из внешних слоёв испаряться будет, потом обгорать внешние (осушенные) слои, а внутренние - защищаться испарением оттуда оставшегося там льда.
Опоздал маленько-
Как сообщает Flight Global, компания Boeing запатентовала новый принцип охлаждения поверхностей летательных и ксмических аппаратов, подвергающихся интенсивному разогреву - например, при спуске посадочного аппарата с орбиты, или гиперзвуковых аппаратов. По мнению разработчиков, новая технология сможет использовать для охлаждения поверхностей с рабочей температурой от 600 до 1600 градусов Цельсия.
Основой системы охлаждения является "абляционный" материал, уносящий тепловую энергию при переходе из твердого в газообразное состояние; он размещается между корпусом корабля и внешней керамической матрицей, в которой имеется большое количество сквозных отверстий. Испаряясь, материал проходит сквозь отверстия в керамической матрице, охлаждая ее.
Новый метод пригоден для отвода значительного потока тепла, однако лишь в течение ограниченного времени. Рабочее тело системы охлаждения требует периодической замены, пишет CNews.ru.

Fakir>> Зато я бы стал Махи там вообще не при делах. Повторюсь, переход от затупленной формы к заострённой обусловлен возрастание роли лучистого теплопереноса.
S.I.> Что-то новое.. Чем же тут заостренная форма может помочь? Ближе к телу ударная волна.. Большая поверхность подвергается облучению...
S.I.> В 1995 году зонд "Галилей" вошел в атмосферу Юпитера со скоростью 45км/с, спуск был баллистический.
S.I.> Хотя смотря что считать заостренным телом. Если СА Галилео - тоды конешно...

Чем помогает - Стримфлоу уже объяснил.
А что считать - да, именно такие формы, как у СА Галилео (а также всех марсианских и венерианских СА, а также, скажем, СА Стардаста) называют в соответствующей литературе как раз заострёнными. В отличие от затупленных - напр., СА Союза, Аполлонов.


Streamflow> Не для спора, а для информации: процессы абляции у сильно затупленного экрана и у острия - качественно различны. На большей части поверхности затупленного экрана локальные тепловые потоки более-менее близки, а на острие они (по крайней мере, конвекционные) стремятся к бесконечности Поэтому, носок будет гореть до тех пор, пока радиус кривизны там не приблизится к радиусам кривизны на остальной части лобовой поверхности. После этого у первоначально заострённого тела она превратится в некое подобие затупленного лобового щита. Если не принять специальных мер.

Всё понятно, очевидно, недопонимание из-за разной трактовки терминов "Заострённый" здесь не значит наличие некоего копьеподобного наконечника и даже не обязательно ярко выраженного острия

Streamflow> Торможение потока на заострённом теле гораздо слабее, энтальпии и температуры в заторможенном потоке многократно ниже, а радиационный теплоперенос пропорционален четвёртой степени температуры.

Ну, строго говоря, эта пропорциональность верна лишь для серых тел, для газов, вообще говоря, она другая

S.I.> Дык кто ж этого не понимает... Только куды кинетическая энергия тела переходит в таком случае? Нам же тормозить его надо.
S.I.> В само тело и переходит.

Кин. энергия переходит, вестимо, в тепло - больше некуда. Ну, еще совсем чуть-чуть уходит на возмущение воздуха.
Но в _само_ тело ВСЕГДА переходит лишь весьма _малая_ доля тепла. Иначе никакая ТЗП не спасла бы. Рассеивается оно в пространство. Излучается и "конвектируется" в стороны, уносится "назад" вместе с нагретым после торможения потоком. Самому СА достаётся очень небольшая доля.

При "заострении" процесс торможения растянется, и уменьшатся удельные теплопотоки. Самое главное - уменьшатся радиационные теплопотоки, от которых абляционка как раз защищает плоховато.

S.I.> Принятием специальных мер удается сохранить заостренную форму у ББ МБР. Но там цель - не тормозить, а подойти к мишени с максимально возможной скоростью, дабы затруднить перехват и уменьшить рассеивание от ветровых воздействий.

Плюс скорость входа - всё же меньше. Плюс не требуется полное торможение. Плюс не так критична доля ТЗП.
Ради бога, можно и СА Союза в принципе заострённым сделать - чистА ради искусства. Но ТЗП станет тяжелее (не говоря о прочих минусах).
Короче - ББ тут совершенно не в кассу

Wyvern-2>> Аэродинамическая игла может быть и активной Представь себе иглу, которая представляет из себя РДТТ, дающий давление газа равное или выше, чем в ударной волне...
Wyvern-2>> Ник
S.I.> У амеров был прожект торможения разгонного лунного блока со 2 космич -кислородно/водородный движок работал с небольшой тягой против потока, заменяя теплозащиту своей струей + надувное устройство вокруг баков.

А где об этом можно почитать?


au>> А любопытно. Если игла из карбида кремния (а он лёгкий) может облегчить обычный для таких случаев многометровый таз.. Например, для случая возврата на Землю со второй скоростью, чтобы далеко не ходить.
S.I.> Такие варианты рассматривались, игла должна активно охлаждаться с расходом массы.
S.I.> Выигрыша почти нет. Надежность ниже. Но для особых случаев-сложная форма СА - может быть применена.

А где об этом можно почитать?
В литературе по спуску и ТЗП, к-ю я видел, подобные варианты даже не упоминались...

Bredonosec> кстати, мысля мелькнула - а ведь теплоемкость на грамм масы больше всего у воды - почему б не воспользоваться, как в куче фантастики, щитом изо льда? Снаружи тонкая оболочка (напр, пластикового бака, в котором замерзало уже в космосе), при входе в плотные слои - пусть испаряется - отнимет больше тепла на еденицу массы.
Bredonosec> Или - композитная мысля: как есть потеющие сплавы, почему б не воспользовать пористый материал, наполненный водой? Сначала вода из внешних слоёв испаряться будет, потом обгорать внешние (осушенные) слои, а внутренние - защищаться испарением оттуда оставшегося там льда.

Дело в том, что абляционная ТЗП выполняет свои функции отнюдь не только за счёт поглощения тепла. Кстати, само это поглощение в основном не теплоёмкостное (как ты предлагаешь для воды), а за счёт фазового перехода (собственно абляции) - а фазовые переходы куда более энергоёмки, чем просто теплоёмкость.
Плюс - образующиеся газы образуют своеобразную теплоизолирующую газовую подушку, плюс обугливающийся слой абляционки имеет малую теплопроводность (на время он становится такой отдалённой аналогией плиток шаттла).

Активное охлаждение жидкостью периодически упоминается в литературе при перечислении возможных методов теплозащиты, но буквально в пару абзацев - и конкретных цифр я не встречал. Видимо, они не очень хороши.

Streamflow>> Торможение потока на заострённом теле гораздо слабее, энтальпии и температуры в заторможенном потоке многократно ниже, а радиационный теплоперенос пропорционален четвёртой степени температуры.
Fakir> Ну, строго говоря, эта пропорциональность верна лишь для серых тел, для газов, вообще говоря, она другая

Строго говоря, всё и везде другое, чем в простейших моделях, однако, насколько я помню, при достаточной плотности газа он достаточно "сер" А светит газ, прошедший скачок (скачки) уплотнения, и который имеет, как правило, немаленькую плотность.