¿Por qué se calienta una nave espacial durante la reentrada?

La razón por la cual los objetos sin protección térmica o que ingresan a la atmósfera incineran sin control se debe simplemente al hecho de que el aire no puede salir de su camino lo suficientemente rápido. El transbordador espacial golpea la atmósfera a 25 veces la velocidad del sonido, y los objetos que ingresan desde el espacio profundo pueden moverse tres o cuatro veces más rápido. A medida que un objeto se encuentra con la atmósfera, el aire no puede moverse fuera del camino debido a la velocidad hipersónica, y en su lugar se acumula delante del objeto y se comprime en una onda de choque. Los gases allí se comprimen lo suficientemente rápido como para calentar hasta 20,000 grados o más, y por eso el calor radiante de la onda de choque comienza a calentar el objeto entrante. El calor derretirá o vaporizará cualquier material expuesto a la onda de choque, y dado que el aluminio se usa mucho en la construcción de naves espaciales, la nave espacial se desgarra y las piezas se derriten o se vaporizan. La onda de choque también crea arrastre sobre el objeto, lo que también lo ralentiza y crea enormes presiones sobre él. Si el objeto tiene un escudo térmico, se derrite y se quema, llevándose el calor o, como el transbordador espacial, simplemente aísla la piel del calor. Esto es posible porque en lugar de zambullirse como una bomba nuclear o saltar a lo largo de la atmósfera como una roca de un estanque como lo hicieron las misiones lunares del Apolo, el transbordador cabalga en la atmósfera superior como un surfista. Eso mantiene las temperaturas lo suficientemente bajas como para que las baldosas térmicas protejan la nave espacial durante el reingreso. Otras naves espaciales hacen una reentrada balística, que no solo crea temperaturas de casco de 6,000 grados y más, sino que también trata a la tripulación con una desaceleración severa y, a veces, cercana a la trituración de huesos. La nave espacial requiere un escudo térmico muy pesado que no se puede reutilizar, y se quema para salvar la nave espacial. La reentrada debe hacerse en un ángulo preciso, o la nave espacial se quemará como un meteorito, o incluso saltará de la atmósfera para volver al espacio. Una nave espacial debe hacer una entrada controlada no solo para evitar romperse y quemarse, sino también para evitar que las fuerzas gee maten a la tripulación.

Julian Allen y AJ Eggers de NACA hicieron el descubrimiento contraintuitivo, en 1951, de que una forma contundente (arrastre alto) era el escudo térmico más efectivo. Mostraron que la carga de calor experimentada por un vehículo de entrada era inversamente proporcional al coeficiente de arrastre cuanto mayor era el arrastre, menor era la carga de calor. Al hacer que el vehículo de reentrada sea contundente, el aire no puede ‘salirse del camino’ lo suficientemente rápido y actúa como un colchón de aire para empujar la onda de choque y la capa de choque calentada hacia adelante. Dado que la mayoría de los gases calientes ya no están en contacto directo con el vehículo, la energía térmica permanecería en el gas conmocionado y simplemente se movería por el vehículo para luego disiparse en la atmósfera.


Por lo general, se supone que el mecanismo de calentamiento en la reentrada es por fricción.
(es decir, arrastre viscoso en la atmósfera). De hecho, este es el mecanismo predominante solo en altitudes más bajas, a medida que aumenta la densidad del aire. Durante el
parte más rápida y más caliente del descenso, la física menos familiar está en juego. Un vehículo que vuelve a entrar desarrolla una onda de presión muy enérgica en su punta
superficies La densidad de energía es suficiente para causar moléculas atmosféricas.
disociarse, y sus átomos componentes se ionizan. El vehículo
así desciende en una cubierta sobrecalentada de plasma incandescente.

El plasma, conocido como el cuarto estado de la materia, no se ajusta al gas.
leyes de la termodinámica convencional, aunque comparte una familiar
propiedad, una proporcionalidad entre presión y temperatura en un sistema contenido. La formación de la onda de presión, por lo tanto, también crea temperaturas extremas. La corriente de plasma también se carga electrostáticamente, por lo que se concentra en los contornos superficiales agudos. El efecto resultante es un calentamiento local particularmente intenso en los bordes de ataque de la célula.

Es debido a la formación de shock; Un choque muy fuerte.

Permítanme dar algunos antecedentes sobre la formación de shock. En un flujo subsónico (la velocidad del objeto / fluido es menor que la velocidad del sonido, es decir, el número de máquina es menor que 1), cuando el aire confronta al objeto, puede ajustar el campo de flujo en consecuencia debido a la perturbación en el fluido del objeto cercano ( como obstaculizar el flujo) se puede comunicar al campo de flujo restante. Sin embargo, este no es el caso en el flujo supersónico (número de máquina mayor que 1). La perturbación viaja a la velocidad del sonido y, por lo tanto, antes de comunicar esta perturbación a otro fluido, el fluido nuevo se acerca al objeto (el fluido viaja a una velocidad mayor que la velocidad del sonido) causando la compresión y el calentamiento. La capa de dicho aire comprimido y calentado se formó como una onda de choque como se muestra en la siguiente figura (contorno de temperatura (en Kelvin) para cuerpo romo en M = 2. El semicírculo blanco representa cuerpo romo)

Lo importante es que la simulación anterior se ejecuta sin considerar ninguna fricción (sin efectos viscosos).

Mientras vuelve a entrar, la nave espacial se mueve con una velocidad muy alta y, por lo tanto, con un número Mach muy alto (M> 25), por lo tanto, se forma un choque muy fuerte frente al cuerpo (el aire se comprime y calienta drásticamente). La temperatura puede alcanzar hasta ~ 8000 K como lo menciona Robert Frost.

Efectos viscosos: a medida que aumenta la temperatura, el efecto viscoso se vuelve más significativo. La formación de la capa límite (debido a los efectos viscosos) aumenta la temperatura cerca de la superficie del cuerpo. Sin embargo, este aumento de temperatura no es tan drástico como el de la onda de choque.

El ambiente no es uniformemente denso. A medida que subimos, se vuelve más y más delgado. Cuando se lanza un cohete, comienza desde el reposo. Su velocidad aumenta gradualmente y cuando alcanza la velocidad orbital (típicamente 7,5 a 8 km / s) la atmósfera es muy delgada. Además, la nave espacial está protegida de la atmósfera inferior más gruesa por el escudo térmico. El escudo térmico se separa solo a unos 100 km, momento en el que termina la atmósfera más espesa. Finalmente, la nave espacial alcanza una velocidad orbital de alrededor de 8 km / s.

Pero durante el reingreso, la velocidad inicial es de 8 km / s. Esta velocidad se reduce completamente a través de la fricción (arrastre) de la atmósfera. Cuanto más espesa es la atmósfera, mayor es la fricción. Entonces, inicialmente, a altitudes más altas, la resistencia es menor. Entonces la temperatura es menor. A medida que la nave espacial desciende, la atmósfera se vuelve más espesa y produce una temperatura mayor. Esto es evidente a partir de la siguiente trama. La reducción de velocidad inicial es casi nula. Pero a medida que la altitud se vuelve inferior a 80 km, se encuentra una atmósfera más espesa y la temperatura se vuelve realmente produciendo plasma frente a la nave espacial.

La reentrada de la nave espacial experimenta la compresión adiabática. Esto es en realidad un fenómeno común, aunque mal entendido. Si eres impaciente como yo, es posible que hayas descubierto por las malas que tratar de inflar los neumáticos de tu bicicleta demasiado rápido puede calentar el aire en la bomba lo suficiente como para derretir los sellos. Esto es lo que más puede hacer:

Cuando una nave espacial vuelve a entrar, la fricción genera muy poco calor. Principalmente lo que sucede es que todo el calor que ya está en las moléculas de aire se acumula frente al borde de ataque de la nave espacial. Todo el aire tenía una cierta cantidad de calor, que es solo otra forma de decir que tiene una cierta cantidad de energía cinética en todas las moléculas de aire que se mueven. Comprima el aire lo suficientemente rápido, y toda la energía o el calor se concentra en un volumen más pequeño más rápido de lo que puede irradiar, conducir o convencer. Como resultado, el aire puede calentarse lo suficiente como para brillar.

Las naves espaciales deben estar aisladas de este aire caliente (como el transbordador espacial) o recibir un escudo ablativo que se derretirá / quemará lentamente y eliminará el calor.

La razón por la que esto se llama “calentamiento adiabático” es que simplemente está acumulando calor en el aire en un espacio más pequeño. El movimiento hacia adelante de la nave espacial no hace el trabajo de calentar el aire sino de comprimirlo, lo que hace que se caliente.

Por supuesto, parte del movimiento de la nave espacial se convierte en calor por fricción, pero esta es una cantidad intrascendente de calentamiento a velocidades de reentrada.

Frota tus manos juntas muy rápido. ¿Qué sientes? Calor.

Cuando una nave espacial vuelve a entrar en la atmósfera, viaja a una velocidad tremenda. ¡Las velocidades de órbita terrestre bajas típicas son 17,500 mph!

Debido a esta velocidad y la fricción entre el barco y la atmósfera, se generan cantidades increíbles de calor. El calor alcanza hasta 3000 F. Esta es la razón por la cual las naves requieren un escudo térmico, para sobrevivir al infierno de la reentrada.

Una combinación de dos factores causa calor cuando las cosas se mueven a través del aire a velocidades supersónicas.

El primero es simplemente la fricción entre el aire y la nave. Para las embarcaciones aerodinámicas, como los aviones supersónicos, este es el efecto dominante que produce la mayor parte del calor en estas embarcaciones. Sin embargo, para volver a entrar en naves espaciales que se mueven a velocidades hipersónicas y están diseñadas para tener una alta resistencia en lugar de una baja resistencia, este efecto es en realidad bastante pequeño.

La otra fuente de calor es el calentamiento por compresión o el calentamiento por choque. Dado que la nave se mueve por el aire más rápido que el sonido, se mueve más rápido de lo que el aire frente a él puede moverse fuera de su camino. Esto hace que el aire frente a la nave se acumule y se comprima cuando lo hace. Comprimir un gas hace que se caliente, como se puede ver en esta simple demostración:

El gas sobrecalentado comprimido se acumula frente a la nave y lo calienta por conducción. Este efecto depende en gran medida de la velocidad y solo se vuelve realmente significativo a velocidades superiores a Mach 3. Las naves espaciales que vuelven a entrar en órbita se mueven al menos a Mach 24, a menudo incluso más

Todas las respuestas publicadas anteriormente afirman que la fricción produce el calor de la reentrada, pero esto es incorrecto. [Editar – bueno, todo incorrecto antes de que esta respuesta se fusionara con otro conjunto de respuestas.] La respuesta correcta es la compresión del aire.

Todos los gases se enfrían cuando se expanden y se calientan cuando se comprimen. Por ejemplo, un plumero de aire enlatado se enfría cuando rocía su contenido, y los tanques de buceo se calientan cuando se vuelven a llenar. Cuando una nave espacial vuelve a entrar a una velocidad extrema, se estrella contra el aire y la comprime. Se trabaja en un gas cuando se aplica fuerza para exprimirlo en un volumen más pequeño. Eso causa calentamiento.

En detalle, el calentamiento es bastante difícil de calcular. A los estudiantes de secundaria se les enseña la Ley del Gas Ideal, pero el calentamiento de la reentrada es tan extremo que el aire ya no actúa como un gas ideal. En esas condiciones, ya no se puede suponer que el aire es químicamente inerte (la temperatura es lo suficientemente alta como para disociar moléculas e ionizar átomos), y el aire también es lo suficientemente caliente como para irradiar luz infrarroja y visible. La Ley del Gas Ideal está demasiado simplificada para manejar esto.

La reentrada es hipersónica, por lo que se forman ondas de choque, y gran parte del calentamiento ocurre en o cerca de la onda de choque. Esta es la razón por la cual las cápsulas como Mercury, Gemini y Apollo vuelven a entrar con su extremo romo primero. La forma roma hace que la onda de choque caliente se forme a cierta distancia de la cápsula, no inmediatamente a su lado. Esa separación entre la onda de choque y la cápsula es un aislamiento: la brecha reduce la cantidad de calor que conduce a la cápsula.

En la foto de arriba, tenga en cuenta que la onda de choque (la línea negra curva) está bien separada de la forma roma, pero abraza muy estrechamente la forma puntiaguda.

Los meteoritos crean calor y luz por la misma razón: compresión de aire. Cuando ves una raya de meteorito en el cielo, la luz es de un carnero de aire calentado a un plasma brillante, no de la roca que brilla.

Calentamiento adiabático bajo compresión.

Mucha gente piensa que se debe a la fricción con el aire que pasa sobre la superficie del vehículo que vuelve a entrar, pero en realidad es un componente relativamente menor. La mayor parte del calentamiento proviene del hecho de que, cuando chocas contra una columna de aire muy fuerte, muy rápido, se comprime; y cuando comprimes aire, se calienta. Y ese calor se transferirá, por conducción directa, al objeto que realiza la compresión, es decir, la nave espacial.

Todas las otras respuestas son geniales y cubren el tema.

Así que abordaré esto desde un ángulo diferente. La nave espacial que se mueve con una velocidad orbital tiene energía cinética [matemática] E_ {k} = \ frac {mv ^ 2} {2} \ aprox 10 ^ 8m [/ matemática] más una energía potencial relativamente pequeña de estar a 300 km de altitud. Cuando el vehículo aterriza no tendrá energía cinética o potencial, y debido a la conservación de la energía, tiene que ir a algún lado. La única forma de que el objeto en caída libre arroje esta energía es convertirlo en calor.

Por cada tonelada de nave espacial, se debe liberar TNT equivalente a unos 20 kg de energía térmica durante el descenso. Eso es mucho calor.

¡Se debe a la fricción!
Cuando un objeto ingresa a la atmósfera de la Tierra, experimenta algunas fuerzas, incluida la gravedad y la resistencia. La gravedad, naturalmente, hará que un objeto regrese a la tierra. Pero la gravedad sola causaría que el objeto caiga peligrosamente rápido. Afortunadamente, la atmósfera de la Tierra contiene partículas de aire. A medida que el objeto cae, golpea y roza contra estas partículas, creando fricción. Esta fricción hace que el objeto experimente arrastre o aire resistencia Esta resistencia produce calor. También debido a la fricción y la resistencia, la velocidad del objeto también se reduce.

Los bordes de ataque del Orbiter se calentaron por la fricción en la fase de deslizamiento. Las naves espaciales tradicionales con escudo térmico, como Apollo, comprimieron las moléculas de aire en las que se estrellaron, al igual que el Orbiter durante la reentrada. El calor es el resultado del “trabajo” realizado por la energía cinética del escudo térmico sobre las moléculas de aire. Los gases, cuando se comprimen, lo que requiere energía, se calientan; genial cuando se expande.

No tiene nada que ver con la fricción.

Como Tony Vincent alude, el aire frente a la nave espacial se calienta. El nombre específico para esta acumulación de presión es “presión de pistón”. La presión del ariete crea una capa de aire sobrecalentado a milímetros de la superficie de la nave espacial. Esta capa de aire sobrecalentado calienta radiantemente la nave espacial.

Este es el mismo fenómeno que calienta, derrite y elimina los meteoritos mientras corren por nuestra atmósfera.

Porque va muy rápido.

Entrar en órbita no se trata solo de llegar muy alto. También se trata de ir muy rápido. Si te pones alto, pero lento, te caes.

Y como vas muy rápido, cuando el barco golpea el aire, la fricción es muy alta. Es lo mismo que sucede con los aviones supersónicos y algunos misiles.

Si desacelera su nave antes de entrar en la atmósfera, la fricción sería mucho menor y la nave podría mostrar las características llamas rojas. Pero eso sería un desperdicio de combustible.

Porque la fricción ocurre entre el aire y la nave espacial, y la fricción convierte la energía cinética de la nave espacial en energía térmica. El Concorde también se calentó como resultado de su alta velocidad en la atmósfera.

Versión simple: claramente se está disipando una gran cantidad de energía cinética. La mayor parte de esa energía se destina a calentar el aire como resultado de comprimirlo. (De hecho, se ilumina). La nave espacial está en contacto con ese aire muy caliente y absorbe suficiente calor para calentarse bastante.

Completamente diferente velocidad.
Durante el reingreso, la nave espacial viaja inicialmente a casi 18,000 millas por hora, el aire frente a ella se comprime en plasma caliente.
Durante el despegue, la velocidad es inicialmente cero. Para cuando se eleva por encima de unos pocos miles de millas por hora, la nave espacial ya está por encima de la atmósfera (o al menos por encima de las partes más gruesas de la atmósfera).

Si el vehículo se ralentiza por un escudo térmico de ablación, es la fricción con el aire lo que calienta el escudo. Como el escudo térmico está ablando, el material sale volando y se eleva a alta temperatura por la fricción del aire. Por lo tanto, solo una pequeña parte del calor ingresa al vehículo porque las cosas de muy alta temperatura se han ido.

Es la segunda ley de la termodinámica nuevamente. La energía fluye espontáneamente del cuerpo de alta temperatura al cuerpo de baja temperatura.

Una vez que los paracaídas se despliegan, son los paracaídas los que se calientan un poco debido a la resistencia. La energía cinética del vehículo causada por la caída entra en las rampas y el vehículo alcanza una velocidad terminal razonable antes de tocar el suelo o el agua.

Bien, aquí va, la nave espacial se mueve a una gran velocidad en el espacio exterior, ya sabes, para estar en órbita y mantenerse al día con la Tierra; Al volver a entrar, golpea la atmósfera con tal velocidad y fuerza que el aire directamente debajo de él se comprime de repente a una presión inmensa; generando enormes temperaturas de culo; suficiente para derretir aluminio.

Otro factor es el arrastre (yup fricción) creado en la nave por el aire que causa una gran presión sobre él y, por lo tanto, esta energía también se convierte en calor. Pero esta acumulación es nominal cuando se considera el factor anterior.

La nave espacial que regresa tiene mucha energía cinética. Al volver a entrar en la atmósfera, hay mucha fricción entre la nave espacial y el aire circundante. Cuanto más cae la nave espacial, mayor es la fricción, ya que la presión del aire aumenta. Finalmente, la nave espacial se convierte en un cohete en llamas.

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