Спуск с орбиты и теплозащита КА

P.S. Да, и точка торможения на затуплении и остриё - две большие разницы, как говорят в Одессе. На заострении конвективный тепловой поток номинально бесконечен. Насколько помню, для ламинарного пограничного слоя он обратно пропорционален квадратному корню из радиуса затупления. А при пересечении пары скачков уплотнения могут возникнуть пятна, где тепловые потоки порядка на полтора больше, чем в точке торможения. Так что, в два раза меньше в точке торможения - это несерьёзно

Fakir>> И к вопросу о выгорании острия конуса или "пули".
Fakir>> Оказывается, там всё не так просто. Как ни парадоксально, но в точке полного торможения тепловые потоки меньше, чем "по бокам" конуса! Причём ощутимо так меньше, может быть меньше почти в два раза.
Streamflow> Когда радиационный нагрев превалирует над конвективным? Почему бы и нет?

Да нет, похоже, что не только в этом случае.
Т.е. именно по конусу - это я приводил разницу для Пионер-Венусов, но пишут, что у ВА ТКС по аналогичным соображениям подбирали расположение люка в заднице: чтобы был как можно ближе к точке полного торможения.

Fakir> И к вопросу о выгорании острия конуса или "пули".
Fakir> Оказывается, там всё не так просто. Как ни парадоксально, но в точке полного торможения тепловые потоки меньше, чем "по бокам" конуса! Причём ощутимо так меньше, может быть меньше почти в два раза.
дык полного торможения же )) нагрев от сжатия больше, но скорость смены слоёв газа поменьше..
вот если б острый нос, где размер этой зоны как-бы стремится к нулю..

"Смешались в кучу кони, люди..."
М. Ю. Лермонтов

Fakir>>> И к вопросу о выгорании острия конуса или "пули".
Fakir> Fakir>> Оказывается, там всё не так просто. Как ни парадоксально, но в точке полного торможения тепловые потоки меньше, чем "по бокам" конуса! Причём ощутимо так меньше, может быть меньше почти в два раза.
Streamflow>> Когда радиационный нагрев превалирует над конвективным? Почему бы и нет?
Fakir> Да нет, похоже, что не только в этом случае.
Ну, дык тривиальный переход погранслоя. Или локальный отрыв сам по себе. Или из-за энтропийного слоя

Fakir> Т.е. именно по конусу - это я приводил разницу для Пионер-Венусов, но пишут, что у ВА ТКС по аналогичным соображениям подбирали расположение люка в заднице: чтобы был как можно ближе к точке полного торможения.
Ну, дык, чтобы не спровоцировать ранний переход или отрыв на неровностях стыка.

Fakir>> Fakir>> Оказывается, там всё не так просто. Как ни парадоксально, но в точке полного торможения тепловые потоки меньше, чем "по бокам" конуса! Причём ощутимо так меньше, может быть меньше почти в два раза.
Streamflow>>> Когда радиационный нагрев превалирует над конвективным? Почему бы и нет?
Fakir>> Да нет, похоже, что не только в этом случае.
Streamflow> Ну, дык тривиальный переход погранслоя. Или локальный отрыв сам по себе. Или из-за энтропийного слоя

А поподробнее развернуть?

Fakir>> Т.е. именно по конусу - это я приводил разницу для Пионер-Венусов, но пишут, что у ВА ТКС по аналогичным соображениям подбирали расположение люка в заднице: чтобы был как можно ближе к точке полного торможения.
Streamflow> Ну, дык, чтобы не спровоцировать ранний переход или отрыв на неровностях стыка.

Опять-таки - а поподробнее?
Как положение люка скажется на всём этом, а всё это, в свою очередь - на теплопотоках?

Вот фото днища ВА ТКС (нелетавшего):

Bell> Упс, а я всегда думал, что там люк был заподлицо, с канавкой по краю.

А это не переходник к гофру?

Bell> А как же теплопередача внутрь ВА через эту железку?

Я так понимаю, она отгорает.

Fakir>> Fakir>> Оказывается, там всё не так просто. Как ни парадоксально, но в точке полного торможения тепловые потоки меньше, чем "по бокам" конуса! Причём ощутимо так меньше, может быть меньше почти в два раза.
Streamflow>>> Когда радиационный нагрев превалирует над конвективным? Почему бы и нет?
Fakir>> Да нет, похоже, что не только в этом случае.
Streamflow>> Ну, дык тривиальный переход погранслоя. Или локальный отрыв сам по себе. Или из-за энтропийного слоя
Fakir> А поподробнее развернуть?

Когда применима модель сплошной среды, вязкость проявляется только в тонком слое, прилегающем к твёрдой поверхности, и называемом пограничным. Вне его поток можно считать невязким. Среди параметров, определяющих течение в пограничном слое, важнейшим является безразмерное число Рейнольдса Re - отношение сил инерции к силам вязкости: Re = ro*v*L/mju, ro - плотность, v - скорость потока (или тела), L - характерный размер (длина пограничного слоя до рассматриваемой точки), mju - динамический коэффициент вязкости. В зависимости от числа Рейнольдса и других параметров, например, естественной турбулентности набегающего потока, пограничный слой может быть либо ламинарным (со слоистым течением), либо турбулентным (с хаотическим перемешиванием слоёв). В последнем случае силы трения на поверхности и тепловые потоки при прочих равных условиях значительно возрастают по сравнение с первым. Переход происходит по достижению некоторого критического числа Рейнольдса. То есть, на гладкой поверхности сначала пограничный слой всегда ламинарный, а затем он может перейти (и, обычно, в практически интересных случаях это и происходит) в турбулентный со скачкообразным ростом в несколько раз сил трения и тепловых потоков. Это я и имел в виду, как возможную причину в первом варианте.

Далее, в зависимости от от режима течения внешнего "невязкого" потока пограничный слой может полностью затормозиться не только на самой твёрдой поверхности, но и во всём прилегающем объёме. Сплошная среда в зоне торможения становится чем-то вроде нашлёпки на твёрдой поверхности, и всё прежнее течение разрушается на вновь возникшем препятствии, вызывая, в том числе, и резкие пики тепловых потоков в зоне отрыва. Отрыв, в частности может произойти при попадании скачков уплотнения на пограничный слой. Это - второй упомянутый выше вариант.

При сверх- и гиперзвуковом обтекании тел, в потоке, как известно, возникают скачки уплотнения (в системе координат, связанной с телом) или, иными словами, ударные волны (в системе координат, связанной со средой). Чем сильнее скачок уплотнения (чем больше его интенсивность, то есть перепад параметров потока на нём, в первую очередь перепад давления), тем больше рост энтропии в газе за ним. Если на гиперзвуке обтекается тело с небольшим радиусом затупления в носке, типа затупленного конуса, то в окрестности носка в одной точке скачок будет прямым, в зоне порядка радиуса затупления - близким к прямому, а далее скачок быстро стремится к косому с углом наклона, близкому к углу полураствора конуса, то есть многократно, а, может быть, даже и на порядки, ослабевает. Энтропия потока поперёк линий тока пограничного слоя резко резко падает от стенки до более удалённых от неё зон пограничного слоя. Это означает, что в слое, который, обычно, много тоньше самого пограничного слоя, от стенки наружу резко растёт плотность потока от значений много меньших, чем во внешнем потоке, также резко уменьшается температура. Этот подслой называется энтропийным слоем, он существует в гиперзвуковых потоках при обтекании тел, имеющих резкие изменения кривизны. Энтропийный слой влияет на внешний для него слой пограничный и может вызывать преждевременные с точки зрения классического погранслоя переходы и/или отрывы. Детали я сейчас уже и не упомню. Это - третий упомянутый выше вариант.

Fakir> Fakir>> Т.е. именно по конусу - это я приводил разницу для Пионер-Венусов, но пишут, что у ВА ТКС по аналогичным соображениям подбирали расположение люка в заднице: чтобы был как можно ближе к точке полного торможения.
Streamflow>> Ну, дык, чтобы не спровоцировать ранний переход или отрыв на неровностях стыка.
Fakir> Опять-таки - а поподробнее?
Fakir> Как положение люка скажется на всём этом, а всё это, в свою очередь - на теплопотоках?
Fakir> Вот фото днища ВА ТКС (нелетавшего):
Да, кто его знает, как? На таком теле энтропийного слоя быть не должно. Пограничный слой растёт от точки торможения. Вначале он должен быть ламинарным, затем, на гладкой поверхности, где-то может перейти в турбулентный, что приведёт к резкому росту тепловых потоков. Если же есть неровности, он на них и турбулизуется. На таком кольце это обязательно произойдёт, да ещё должны быть, как мне кажется, как минимум, локальные отрывы. Я не ожидал увидеть там что-то подобное А, если бы по краю люка был бы аккуратный шов (неглубокая выемка без острых граней), то может быть, при относительно малых числах Рейнольдса шов бы и не повлиял существенно на течение в пограничном слое. А, если бы люк с аккуратным швом был бы сдвинут куда-то в бок, то, по крайней мере, с одного края это шов находился бы в слое с бОльшими числами Рейнольдса, и мог бы спровоцировать переход или отрыв.

Без знания о параметрах потока и условиях на поверхности, а также большого желания и затрат времени, сообщить что-то количественное обо всём этом, видимо, нельзя.

Streamflow> Когда применима модель сплошной среды, вязкость проявляется только в тонком слое, прилегающем к твёрдой поверхности, и называемом пограничным. Вне его поток можно считать невязким. Среди параметров, определяющих течение в пограничном слое, важнейшим является безразмерное число Рейнольдса Re - отношение сил инерции к силам вязкости: Re = ro*v*L/mju, ro - плотность, v - скорость потока (или тела), L - характерный размер (длина пограничного слоя до рассматриваемой точки), mju - динамический коэффициент вязкости. В зависимости от числа Рейнольдса и других параметров, например, естественной турбулентности набегающего потока, пограничный слой может быть либо ламинарным (со слоистым течением), либо турбулентным (с хаотическим перемешиванием слоёв).

Да это всё ясно.

Вопрос в другом - может ли реализовываться турбулентный погранслой при гиперзвуковом (сильно "гипер") обтекании при относительно небольших характерных размерах обтекаемого тела?


Streamflow> Далее, в зависимости от от режима течения внешнего "невязкого" потока пограничный слой может полностью затормозиться не только на самой твёрдой поверхности, но и во всём прилегающем объёме. Сплошная среда в зоне торможения становится чем-то вроде нашлёпки на твёрдой поверхности, и всё прежнее течение разрушается на вновь возникшем препятствии, вызывая, в том числе, и резкие пики тепловых потоков в зоне отрыва.

Не понял - откуда тут пики? В зоне отрыва?

Fakir>> Вот фото днища ВА ТКС (нелетавшего):
Streamflow> Я не ожидал увидеть там что-то подобное

Да я тоже был весьма удивлён Думал, люк там всё же заподлицо - ну, канавка разве... А тут такое...
Вообще, с ВА ТКС и его теплозащитой там так намудрили - одна её многоразовость это просто какой-то полный отвал башки, если не деза...

Fakir> Да это всё ясно.
Fakir> Вопрос в другом - может ли реализовываться турбулентный погранслой при гиперзвуковом (сильно "гипер") обтекании при относительно небольших характерных размерах обтекаемого тела?
Обращайтесь к специалистам по пограничному слою. всё это явно зависит от траектории (скоростного напора). Я думаю, там многое может быть, например, сильно разная естественная турбулентность потока или вибрации спускаемого аппарата, которые могут спровоцировать ранний переход, влияние абляции и изменения формы и степени шероховатости поверхности под действием абляции.

Streamflow>> Далее, в зависимости от от режима течения внешнего "невязкого" потока пограничный слой может полностью затормозиться не только на самой твёрдой поверхности, но и во всём прилегающем объёме. Сплошная среда в зоне торможения становится чем-то вроде нашлёпки на твёрдой поверхности, и всё прежнее течение разрушается на вновь возникшем препятствии, вызывая, в том числе, и резкие пики тепловых потоков в зоне отрыва.
Fakir> Не понял - откуда тут пики? В зоне отрыва?
От резкого изменения режима обтекания, от скачков, возникших на отрыве, и их взаимодействия с ним. И не обязательно в зоне, а, скажем, перед ней. Почём я знаю?

Fakir> Вопрос в другом - может ли реализовываться турбулентный погранслой при гиперзвуковом (сильно "гипер") обтекании при относительно небольших характерных размерах обтекаемого тела?
Легко.
Начиная где то с Re~10⁷. Практически все что ниже 40-50 км - это переходные и турбулентные режимы теплообмена.

Fakir> Что, на всех участках СА?
ну в окрестности точки торможения по любому есть ламинарное пятно, но оно небольшое, а все прочее - турбулентный погранслой

Fakir> Ну и причём тут блок Ц? Он что, с орбиты падал? Скорость - какая была, ась?
Да вообще так почти орбитальная скорость, я точно не скажу вот прямо сейчас, насколько от неё отличалась, но так думаю, что не более чем на сотни метров в секунду.

Бродяга> Обращу внимание присутствующих, что в другой теме было упомянуто о энергиевском блоке Ц, который грохнулся в океан и при этом остался на плаву.
Бродяга> А теплозащита у него при этом былаааа...
Бродяга>
Бродяга> Может стоит отвлечься от "общей идеи сбросить с орбиты кирпич" - давно понятно, что он будет гореть, а заинтересоваться такими вот случаями падения "матраса надувного" с орбиты.

А тут нет ничего особо интересного. И так понятно, что если нагрузка на площадь девайся мала - как у пустой ступени, или бака - то мала и удельная тепловая нагрузка. Т.е. на квадратный сантиметр за время спуска высадится меньше джоулей тепла - потому что общее число джоулей, выпавших на всю поверхность, примерно пропорционально массе. Она фактически теплопоглощающей будет (радиационные эффекты малы, т.к. мы изначально принимаем, что нагревается материал несильно).
Ессно, что при достаточно малой нагрузке - пришедшееся на кв. см. материала тепло невелико, и его не хватает, чтобы нагреть материал выше определённой температуры - не то что не расплавится сталь или алюминий, но и картон может не сгореть

То есть нет ровным счётом никакой принципиальной проблемы сделать на СА здоровый люменевый щит, и будет такая капсула спускаться вполне аналогично "Союзу".
Проблема не в этом. Кстати, при этом перегрузки будут такие же (ну, если АК одинаково), только достигаться будут на другой высоте.

Интересен-то не сам факт спуска с орбиты чего-то - в данном случае люменевой хреновины - а спуск при минимальной затрате массы конструкции на теплозащиту. У капсул с абляционной защитой, и АК от 0 до 0,4 (т.е. спускающихся по траекториям с перегрузками от 5 до 10 g) масса ТЗП составляет что-то порядка 5-7% от всего СА.

А здоровый люменевый щит, такой здоровый, чтобы не сгорел - наверняка будет ку-уда тяжелее. Так кому оно надо?

Это может быть интересно лишь в том случае, если у аппарата и без того - по необходимости - большая площадь и небольшая масса: например, у ВКС с несущим корпусом, если в ём большие водородные баки (пустые на спуске).

Fakir> Да, ссылки хорошие - всем рекомендую.
Fakir> В инете таких мало.

Дык эта... тогда расширить и углУбить: 404. Страница не найдена

Fakir>> Да, ссылки хорошие - всем рекомендую.
Fakir>> В инете таких мало.
au> Дык эта... тогда расширить и углУбить: 404. Страница не найдена

Надо ссылку подправить на такую 404. Страница не найдена
http://www.mai.ru/colleges/war/ballist/books/fly_basics/main.htm
В плане расширения и углубления лучше такая 404. Страница не найдена