¿Por qué no puede una cápsula espacial simplemente sincronizarse con la velocidad de la atmósfera del planeta en el que está tratando de aterrizar de tal manera que haya poca o ninguna fricción para que se queme?

Bueno, teóricamente supongo que podría. Pero eso sería difícil y una especie de derrota del punto de ese método particular de reingreso.

Dentro de una atmósfera, cada objeto tiene una velocidad terminal. En pocas palabras, esta es la velocidad más alta que puede mantener un objeto en caída libre, donde la resistencia proporcionada por la atmósfera equilibra el tirón de la gravedad. En el espacio, realmente no tienes las mismas limitaciones, lo cual es bueno porque para mantener una órbita necesitas una cantidad ridícula de velocidad.

Para salir de la órbita, debes disminuir tu velocidad hasta el punto en que vuelvas a caer al suelo. Esto significa gastar combustible. Pero, si lo haces bien, no necesitas mucho. Todo lo que necesitas hacer es cambiar tu órbita lo suficiente para que entres en la atmósfera y dejes que el aire haga el resto del frenado por ti, porque en el momento en que vuelvas a sumergirte lo suficiente en la atmósfera comenzará a obligar a tu nave a volver a bajar. velocidad terminal, en cuyo punto puede desplegar sus paracaídas y derivar el resto del camino hacia abajo.

Teniendo en cuenta cuánto más barato se compara un escudo térmico ablativo y un paracaídas con un cohete de etapa de descenso, patas de aterrizaje, control de vuelo, tanques de combustible, el combustible dentro de ellos y el combustible adicional necesario para levantar todo ese peso adicional en el lanzamiento, usando el aire hacer todo eso es una ganga fantástica.

Para reducir la velocidad de la nave espacial desde una velocidad orbital terrestre baja (~ 7.8 km / s) hasta una velocidad de rotación de la Tierra (~ 466 m / s) se requeriría una gran cantidad de combustible.

En la imagen de arriba hay un cohete Soyuz. Alrededor del 2.5% de esa masa de cohete es carga útil. El resto es propulsor, motores y la estructura necesaria para contener el propulsor y los motores.

Las pérdidas por gravedad de un cohete, durante el ascenso, rondan el 20%. Reste 20% y un poco más para las pérdidas de arrastre del gran rectángulo rojo y eso es aproximadamente cuánto propulsor se necesitaría para reducir la velocidad de la nave espacial a la velocidad de rotación de la Tierra, para el descenso.

Entonces, tendríamos que colocar tanques de propulsores masivos en cada nave espacial. Pero el problema que presenta es que para llevar ese propulsor adicional al espacio, en primer lugar, tendríamos que multiplicar en gran medida la cantidad de propulsor que necesita el vehículo de lanzamiento, y los múltiplos allí son grandes (recuerde que ese combustible adicional podría se considerará carga útil y la carga útil es el 2.5% de la masa total).

Se pone feo, rápido.

Hasta que podamos lograr mucha, mucha mayor densidad de energía en nuestros propulsores, el viaje espacial factible y económico significa usar la naturaleza para lograr la desaceleración.

Las películas tendrán casi todo lo malo cuando se trata del espacio, desde la gravedad hasta el sonido, pero siempre parecen recordar envolver las naves espaciales en llamas durante un descenso hacia la Tierra. Probablemente sea solo porque es una excusa para un momento dramático; ¿Por qué simplemente tener un enfoque desde la órbita cuando puede tener un enfoque desde la órbita * en llamas *? Además, es uno de los hechos más memorables sobre las misiones espaciales, por lo que la gente se daría cuenta si faltara. ¿Pero estas personas saben por qué sucede?

En pocas palabras, la respuesta es la fricción. Al viajar a través del vacío del espacio donde no hay atmósfera para ralentizar el movimiento de ninguna manera, los objetos pueden alcanzar velocidades que son simplemente imposibles en la Tierra, en parte debido a la resistencia y en parte porque ir tan rápido te hace ir * a fuego * . En el espacio, los meteoritos son libres de mantener la velocidad de cualquier evento cataclísmico que los haga moverse en primer lugar. La mayoría de los meteoros ingresan a la atmósfera a una velocidad de entre 10 y 70 kilómetros por segundo, y la fricción que resulta cuando sus superficies azotan los gases atmosféricos inflamables hace que esos gases se enciendan. Además, sus velocidades extremas hacen que los gases que se encuentran frente a ellos se compriman muy rápidamente, y la compresión de un gas aumenta (Ley de los gases ideales: su temperatura.

Este mapa de densidad del aire muestra cómo diferentes diseños producen diferentes ondas de choque a altas velocidades.

Las naves espaciales pueden aprovechar esta compresión atmosférica a través de algo llamado diseño de cuerpo contundente. El principio es simple: al hacer un diseño de alta resistencia que empujará contra la mayor cantidad de aire posible, los objetos de alta velocidad crean un colchón frente a ellos hecho de aire que no puede salir del camino lo suficientemente rápido. Esta onda de choque ayuda a mantener los gases atmosféricos en llamas a una distancia del vehículo; funciona tan bien que la cantidad de calor que experimenta un módulo de aterrizaje es directa e * inversamente * proporcional a la cantidad de resistencia que crea contra el aire. Esta es la razón por la cual las cápsulas de reentrada antiguas parecen entrar hacia atrás, creando la mayor cantidad de arrastre posible en lugar de ir primero al final puntiagudo (ver imagen de encabezado).

Un vehículo en órbita terrestre baja viajará en algún lugar alrededor de 7 kilómetros por segundo, lo suficientemente rápido como para encender la atmósfera. Los vehículos de reentrada de un solo uso fueron recubiertos con material ablativo que fue diseñado para quemarse de manera controlada para disipar el calor. Sin embargo, una lanzadera reutilizable necesita baldosas aisladas. El transbordador espacial que puede soportar el calor de miles de Kelvin, pero que se rompe si se expone incluso a un poco de lluvia.

Finalmente, el arrastre de la superficie contra la atmósfera ralentizará el cuerpo entrante lo suficiente como para reducir la fricción por debajo del umbral de ignición de la atmósfera. Alrededor de este punto, el fuego se apaga, aunque algunos materiales lo mantendrán un poco más prolongado debido al calor que han almacenado en su propia superficie. Los vehículos de reentrada a menudo brillan al rojo vivo incluso después de que las llamas hayan disminuido.

Hipotéticamente, una bola de fuego podría evitarse acercándose demasiado lento para encender la atmósfera en primer lugar, pero esto requeriría una quema constante hacia abajo, y al menos tanto combustible como el lanzamiento inicial. SpaceShipOne utilizó una técnica de reentrada emplumada que redujo su velocidad a una altitud mucho más alta que el transbordador espacial de la NASA, pero nunca se acercó a las velocidades orbitales generalmente requeridas para la aplicación del término “reentrada”. A partir de ahora, no hay forma de acercarse la Tierra en cualquier lugar cerca de las velocidades orbitales sin crear una bola de fuego.

¿Por qué no puede una cápsula espacial simplemente sincronizarse con la velocidad de la atmósfera del planeta en el que está tratando de aterrizar de tal manera que haya poca o ninguna fricción para que se queme?

Tomando esta pregunta literalmente, es posible hacerlo, pero la cantidad de combustible requerida con la tecnología actual lo haría imposible. En algún momento en el futuro, si alguna vez desarrollamos un medio para fabricar cantidades adecuadas de antimateria a costos sostenibles, puede ser factible.

SpaceX regresa ahora a etapas más bajas, pero aún así atraviesan una reentrada en caliente y necesitan confiar en elementos que producen resistencia y aletas de rejilla para mantener una actitud y dirección adecuadas. La reentrada no es un problema simple

Podría, si tuviera suficiente combustible. El problema es que esto requiere mucho combustible, y ese combustible tiene que acompañar a la cápsula al planeta objetivo. Eso significa que el combustible requerido para el lanzamiento aumenta mucho , porque estás aumentando todo ese combustible de aterrizaje además de la cápsula. Es mucho más económico usar la ruptura atmosférica para reducir la velocidad.

Por supuesto, si el objetivo no tiene atmósfera, esa no es una opción. Pudimos aterrizar en la Luna solo porque su gravitación es bastante débil. Y eso todavía requería el vehículo espacial más gigantesco jamás construido, el Saturn V, que es básicamente un enorme tanque de combustible con una cápsula en un extremo y boquillas de cohete en el otro.

Parece que piensas que la atmósfera es el problema, no lo es. Es la gravedad. La atmósfera en realidad ralentiza la cápsula espacial, sin embargo, la fricción es lo que causa el quemado.

Tener un decente controlado requeriría combustible y empuje para superar el tirón de la gravedad. Los problemas económicos y de eficiencia hacen que esto no sea factible. La nave tendría que llevar combustible extra para el regreso y esto requeriría cohetes más grandes y más combustible.

Primero, no es la fricción, sino la presión del frente de onda, lo que genera el calor.

En segundo lugar, SpaceX con su segunda fase reutilizable hace exactamente eso.

Para aquellos que dicen que se debe al combustible … no realmente. Es solo que como una maniobra tripulada, tratar de aterrizar hacia atrás sobre lo que es esencialmente una reacción explosiva controlada se considera … peligroso.

Y no teníamos el software para hacer aterrizajes no tripulados.

Ese software y sistemas de control, junto con una mayor flexibilidad de los sistemas de cohetes (motores con más quemaduras, etc.) son los verdaderos avances en los cohetes de SpaceX. Y la falta de esas fueron las razones por las que nadie hizo eso antes.

Para poder orbitar el planeta, tiene que moverse a muy alta velocidad. Para la Tierra, esto es aproximadamente 17,500 millas por hora en órbita terrestre baja. Pero para aterrizar, tiene que reducir esta velocidad a cero. La nave espacial tiene una gran cantidad de energía cinética y tiene que deshacerse de ella.

Una forma es mediante el frenado aerodinámico a través de la atmósfera, que requiere un escudo térmico para disipar todo el calor que produce el frenado aerodinámico.

La otra forma sería disparar cohetes en la dirección opuesta de viaje. Esto funcionaría, pero tendrías que llevar una gran cantidad de combustible al espacio para hacerlo, y cargar mucho más combustible para levantar la masa del combustible necesario para el aterrizaje. Esto es lo que hicieron los módulos lunares. La luna no tiene atmósfera, por lo que no puedes hacer frenado aerodinámico. Pero para aterrizar en la Tierra, es mucho más barato hacer un frenado aéreo que transportar todo ese combustible.

Ciertamente se puede hacer, sin embargo, no lo es porque sería terriblemente ineficiente, ya que tendría que llevar mucho más combustible para reducir la velocidad antes de volver a entrar. Es más fácil liberar el aire de la atmósfera y simplemente llevar un escudo térmico y paracaídas (que, en comparación, pesan muy poco).

Muéstrame dónde obtendrás el combustible para cambiar tanto tu velocidad y te habrás enseñado la respuesta.

¿Qué tan grande fue el cohete que te puso en órbita en primer lugar? Para detenerte necesitas un cohete tan grande contigo en órbita.

¿Quieres hacer los cálculos sobre qué tan grande es el cohete monstruo que pone todo eso en órbita? Por cierto, tu respuesta a mi pregunta es sí. Comience con la proporción de su tamaño ahora al tamaño del cohete que lo lanzó. Ahora multiplique el tamaño del cohete que lo lanzó por esa proporción. Es más pequeño que tu ciudad natal, apenas.

Porque se necesita una tonelada de combustible. Y es lento. El Shuttle hizo algo así, y también voló grandes rutas de vuelo en forma de “S” para reducir la velocidad.