Спуск с орбиты и теплозащита КА

Джентльмены, ну вы ж аккуратнее - собственно к теме топика относятся только те главы, ссылки на которые сразу дал vfcrf.

А в той библиотеке в целом непосредственно спуску и теплозащите посвящено немного литературы - я пока нашёл только главу в книжке Сихарулидзе "Баллистика летательных аппаратов" (1982):
Глава 6. Вход в атмосферу и посадка

и еще немного есть в главе 3 - "Баллистика головной части":

тут именно про боеголовки.


А вот книг, посвящённых именно и только спуску и тепловым проблемам - там не нашёл.
В природе-то их много - например есть вот такая книжка, У.Лох, "Динамики и термодинамика спуска в атмосферах планет", но в инете не представлена.

vfcrf> Вот встретилось в сети.Может кому надо?Расчет теплообмена на поверхности СА.
vfcrf> http://www.mai.ru/colleges/war/ballist/books/fly_basics/part18.pdf
vfcrf> Спуск КА на поверхность Земли и планет.
vfcrf> http://www.mai.ru/colleges/war/ballist/books/fly_basics/part17.pdf

Огромнейшее спасибо! Давно искал.

Вот теперь читаю и поражаюсь, до какого маразма способен дойти человек, если ему нечего делать.

Дело в том, что я знал все эти формулы. Я просто хотел проверить, правильно ли я их понял (оказалось правильно). Для рассчетов спуска КА требуются три ЭЛЕМЕНТАРНЕЙШИХ фомулы по две-три буквочки в каждой: закон всемирного тяготения, барометрическая фомула и формула лобового сопротивления (drag equation). ВСЁ!

Вот эти вот элементарные формулы автор умудрился записать в виде НЕСКОЛЬКИХ ДЕСЯТКОВ СТРАНИЦ систем дифференциальных уравнений. Если все уравнения переписывать для неинерциальной сферической вращающейся системы отсчета, то можно еще и не так запутать вопрос.

Мне кажется, автору сего талмудного труда нужно просто обратится к психиатору.

Fakir> Угу-угу. А вся механика, по сути, содержится в четырёх законах Ньютона, совершенно простейших -
Fakir> остаётся только поражаться, чем занимались двести лет все эти придурки Эйлеры, Лагранжи, Гамильтоны,
Fakir> и прочие Ковалевские.

Наличие в природе осмысленных формул еще не доказывает отсутствие бессмыссленных.

А вы, пардон, сами сей труд читали? Вы его поняли? Вам очень легко говорить после того, как я те три формулы, которые в нем зашифрованы, назвал открытым текстом. А если бы вы пытались сей текст без подсказок прочесть? Вот тогда вы бы, может, и матом бы сказали, а я - человек вежливый. Вот прочтите и тогда оцените мою выдержанность и политкорректность.

Я говорил про "part17.pdf", а "part18.pdf" пока не читал. Слабо расшифровать? Конкретная задача: железный шар диаметром d со скоростью v падает на Землю под углом a. Слабо сказать максимальную температуру на поверхности? Или хотя бы рассказать, как это считать?

Ну, с шаром-то относительно просто. Сначала считаем по атмосфере и начальной скорости профиль торможения - т.е. V(t). Потом считаем из давления и температуры ударной волны тепловой поток. Потом - теплопередачу внутри шара, впрочем последнюю часть можно опустить для простоты, считая шар идеальным тепловым проводником.

Карочи! Чтобы боле-мене точно посчитать, надо составить замкнутую систему дифуравнений движения, обтекания и теплопередачи (две последние группы - в частных производных, которые решаются одним из конечно-разностных методов или МКЭ)! В общем, на пальцах не посчитаешь!

Ну зачем же обязательно численно - кой-где и аналитически можно
Тот же тов. У.Лох, например, практически всю книжку этим занимается И не только он.

Потому как аналитическое решение - даже полученное за счёт каких-то упрощений - всегда способно дать больше ценной информации, нежели просто численное.

Слева - фотки хреновины, которую европейцы вроде как испытывали на Арианах, в баллистическом, что ли, пуске.

http://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_Reentry_Demonstrator

C этим ARD вроде все ясно, но что вот это за "байда"?

An artist's impression: Europe's new small launcher Vega, scheduled for launch in 2007, could be used to launch a reentry technology demonstrator

Вестимо иде:


Вопрос - зачем этот несущий корпус на Веге?

В смысле - зачем?

Аглицким же языком написано

Re-entry technologies

New technologies are needed to develop systems capable of re-entering the Earth’s atmosphere once their mission is completed. One of the expected benefits of using reusable launchers will be a reduction in the cost of launching satellites.

Before a reuseable launcher can be produced the key technologies needed will have to be validated both on the ground and in flight.

Thermal protection systems and hot load-carrying structures

These are needed to shield the stage from the hot flow during re-entry. The technology required will include the development of:

reusable ceramic matrix composite thermal protection systems

metallic thermal protection system

metallic hot structures (oxide dispersion strengthened metallic rudder, metallic control surface)

ceramic matrix composite hot structures (nose cap, leading edge, elevon or a body flap)

 

Ребята тоже хотят "Байкал" делать

Интересно, что теплопотоки - как конвективные, так и радиационные - достигают максимума вовсе не обязательно в критической точке.
Например, у аполлоподобной капсулы при спуске с качеством максимумы теплопотоков сдвинуты к передней кромке от критической точки, и превышают значения в критточке процентов на 5-10.

К вопросу об аэродинамических иглах и "выдуве струи вперёд".

Попались (в литературе 60-х) упоминания о струях и выдвижении сгорающих игл - но в контексте применения для СА, входящих в атмосферу со скоростями выше второй космической, т.е. для конусов - а поскольку конусы, обгорая, затупляются (что при таких скоростях невыгодно, растут тепловые нагрузки), то и предлагались такие вот экзотические методы "сохранения конусности".

Вести с полей техасщины

Boeing Completes Prototype Heat Shield For NASA Orion Spacecraft

Boeing has delivered a prototype ablative heatshield for NASA's Orion crew exploration vehicle. Designed to protect the capsule during high-speed re-entry after a lunar direct return, the 5m (16.4ft)-diameter heatshield is fabricated from phenolic impregnated carbon ablator, produced by Maine-based Fiber Materials.

 

Боинг сделал прототип абляционного теплозащитного щита для "Ориона", эта штука диаметром 5 метров - самый большой на сегодняшний день абляционный щит.

Boeing's baseline TPS is fabricated from Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA) material. Fiber Materials Inc., of Biddeford, Maine, produces the material under a contract to Boeing. PICA is being considered for Orion's heat shield due to its proven performance on NASA's Stardust spacecraft heat shield.

 

Абляционный материал - PICA, сравнительно новый.
Интересно, почему был выбран именно он (помимо обкатанности на Стардасте - само по себе это не очень тянет на вескую причину, учитывая разницу в условиях торможения Стардаста и Ориона). Возможно, по той причине, что он один из немногих, ныне производящихся (после 70-х гг производство некоторых материалов прекращено и они более недоступны, хотя для некоторых задач и наиболее удобны - американские абляционщик по этому поводу плачутся).

The Boeing TPS MDU consists of an integrated concept made up of multiple PICA components. Each piece is significantly larger than typical space shuttle tiles, greatly reducing parts count and complexity.

 

Щит собирается из отдельных элементов абляционной ТЗП (в отличие от "Союзов" и "Аполлонов"), как и, скажем, на "Гюйгенсе" (см. предыдущую страницу), только элементы крупнее и поэтому их меньше.

http://www.flightglobal.com/assets/getasset.aspx?ItemID=20389


Однако пассаж про то, что, дескать, элементы щита "Ориона" много больше, чем шаттловские плитки, и это такой из себя классный и удешевляющий зер гут - просто умиляет наповал. Не то у Боинга в пресс-службе сидят кретины, которые пишут для кретинов, не то им воленс-ноленс приходится делать вид, что у собаки была чесотка...


Однако уже обнаружились и проблемы...

NASA's Orion crew exploration vehicle's (CEV) struggle with its mass could become worse if the US agency's research confirms a need to increase the spacecraft's heat shield size by 20%.

 

Опасаются, что массу ТЗП придётся увеличить на 20%.
Причина - видимо, в большем, нежели ожидали первоначально (почему?!) теплопотоке к поверхности:

Ablative TPS materials have a surface roughness that induces airflow turbulence as they ablate and this increases heating on re-entry.

"Preliminary estimates show that if this 30-40% [turbulence] heating augmentation heating is applied to the aerothermodynamic database the heat shield mass may increase up to 20%," says an internal NASA report obtained by Flightglobal.

 

Этого я вообще решительно не понимаю.
О влиянии турбулетного погранслоя на теплопередачу к поверхности известно как минимум в 60-х гг, во время "Аполло" наверняка и на этом вопросе они основательно потоптались. Сейчас - вроде как ровно никакой принципиальной разницы, те же скорости входа, та же геометрия, но вот тебе - такая неожиданность. Откуда?!

Гадаю - то ли дело в этом сравнительно новом материале, PICA, который пока испытывался на Стардасте с его специфическими условиями, и, возможно, из-за другой геометрии его щита, большей скорости входа, несколько другого механизма "обгорания" турбулентность погранслоя, "индуцированная" собственно материалом, не проявлялась, или не было данных, позволяющих предположить, что она будет индуцироваться и в орионовских условиях?

Или же в Аполло по турбулентности погранслоя потоптались недостаточно, сделали щит с многократным запасом (на наших СА так, собственно, было и есть), и проблема турбулентности погранслоя была "поглощена" этим запасом прочности, а теперь решили сделать почти впритык, типа вычислительные мощности и прогресс науки, но чего-то недоучли?

Картинка почему-то не отобразилась - приаттачу на всякий случай:

Немного о материале для ТЗП "Ориона".

PICA

Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA) was developed by NASA Ames Research Center and was the primary TPS material for the Stardust aeroshell. Because the Stardust sample-return capsule was the fastest man-made object to reenter Earth's atmosphere (~12.4 km/sec / ~28,000 mph relative velocity at 135 km altitude), PICA was an enabling technology for the Stardust mission.
PICA is a modern TPS material and has the advantages of low density (much lighter than carbon phenolic) coupled with efficient ablative capability at high heat flux. Stardust's heat shield (0.81 m base diameter) was manufactured from a single monolithic piece sized to withstand a nominal peak heating rate of 1200 W/cm2. PICA is a good choice for ablative applications such as high-peak-heating conditions found on sample-return missions or lunar-return missions. PICA's thermal conductivity is lower than other high-heat-flux ablative materials, such as conventional carbon phenolics.

 

Перевод в двух словах:
Новый материал - углеродный с фенольной пропиткой. Правда, в чём принципиальная разница с "классическим" карбон-фенольным - я не понял. Кто-то может объяснить?
У PICA меньшая плотность по сравнению с "классикой" и, видимо, именно поэтому меньшая теплопроводность.

Не из-за этой ли самой меньшей плотности с шероховатостью проблемы лезут?

Если там углеволокно - то после начаа обгорания оно получится не шероховатым, а вообще мохнатым