Reintrarea atmosferică

Impresia artistului despre carcasa aeriană Mars Exploration Rover (MER)

Impresia artistului despre modulul de comandă Apollo

Reintrarea atmosferică este procesul prin care vehiculele se află în exteriorul atmosferei unei planete care poate pătrunde în atmosferă în sine și ajunge intact la suprafața planetei. Vehiculele care efectuează această operațiune sunt sonde spațiale, navete, rachete balistice intercontinentale . Reintrarea atmosferică necesită de obicei metode speciale pentru a proteja vehiculul de supraîncălzire. În acest scop, au fost dezvoltate mai multe tehnologii.

Istorie

Tehnologia reintrării atmosferice a fost o consecință a Războiului Rece . Rachetele balistice și armele nucleare au fost o moștenire a celui de-al doilea război mondial în mâinile Uniunii Sovietice și a Statelor Unite ale Americii . Cele două superputeri au început programe intense de cercetare și dezvoltare pentru a crește capacitățile militare ale acestor tehnologii, cu toate acestea, înainte ca utilizarea unei rachete nucleare să poată fi viabilă, a trebuit dezvoltat un ingredient esențial: o tehnologie pentru reintrarea atmosferică . În teorie, națiunea care a reușit să dezvolte un astfel de sistem ar fi avut un avantaj militar decisiv, dar la momentul respectiv nu era clar dacă acest lucru era posibil din punct de vedere fizic. De fapt, unele calcule au arătat că energia cinetică a unui focos nuclear care intră de pe orbită a fost suficientă pentru a o vaporiza complet. În ciuda acestor calcule, interesele militare erau atât de mari încât a fost apoi inițiat un program cu prioritate ridicată pentru dezvoltarea acestei tehnologii, care a fost ulterior dezvoltată cu succes, făcând posibilă utilizarea ICBM-urilor înarmate cu focoase nucleare.

Extinderea tehnologiei pentru utilizare de către oameni a fost din nou împinsă de Războiul Rece. Spre jenarea Statelor Unite, sovieticii au trimis mai întâi un satelit artificial pe orbită urmat de trimiterea pe orbită a unui cosmonaut sovietic și de întoarcerea sa pe Pământ. Statele Unite au văzut aceste realizări sovietice ca o amenințare la mândria și securitatea lor. În consecință, au accelerat dezvoltarea programului lor spațial pentru a recupera timpul pierdut, lansând provocarea pentru cucerirea Lunii care a fost câștigată la 20 iulie 1969 cu misiunea Apollo 11.

În 1952 H. Julian Allen și Alfred J. Eggers de la Comitetul Național Consultativ pentru Aeronautică (NACA) au descoperit o surpriză că un corp ghemuit (corp bont) era cea mai eficientă formă pentru un scut termic. Au arătat că căldura generată pe vehicul era invers proporțională cu coeficientul de tracțiune , adică cu cât este mai mare acest coeficient, cu atât este mai mică căldura. Prin această formă, unda de șoc și stratul de șoc sunt împinse de peretele exterior al vehiculului. Deoarece majoritatea gazelor fierbinți nu intră în contact direct, energia termică rămâne închisă în gaz și se deplasează în jurul vehiculului pentru a se disipa ulterior în atmosferă.

Diverse forme (NASA)

Cele patru fotografii din dreapta reprezintă primele concepte ale vehiculelor. Au fost filmate folosind tehnica de fotografie Schlieren , care vă permite să vedeți tulburările prezente pe un fluid. Lumina care trece prin fluid este refractată de gradienții de densitate care generează zone luminoase și întunecate pe un ecran plasat în spatele fluidului.

Prototipul vehiculului de reintrare Mk-2

Descoperirea lui Allen și Eggers, deși inițial tratată ca un secret militar, a fost publicată în 1958 ^[1] . Teoria corpului ghemuit a făcut posibilă proiectarea scuturilor termice folosite pentru capsule în programele Mercur , Gemeni și Apollo , asigurând supraviețuirea astronauților în timpul reintrării atmosferice a Pământului.

Forme

Există mai multe forme de bază utilizate în proiecte.

Sferă sau secțiune sferică

Cea mai simplă formă este cea a sferei sau a secțiunii sferice. Poate consta dintr-o sferă completă sau o secțiune sferică care se termină într-un con. Aerodinamica în acest caz este simplu de modelat prin teoria impactului newtonian. Prin urmare, fluxul secțiunii sferice poate fi modelat cu exactitate cu ecuația Fay-Riddell ^[2] . Stabilitatea statică este asigurată de poziția centrului de masă, în timp ce stabilitatea dinamică este mai problematică. La sfârșitul anilor 1950 și începutul anilor 1960, computerele de mare viteză nu erau disponibile, iar dinamica de calcul a fluidelor era încă la început. Deoarece secțiunea sferică ar putea fi analizată în formă închisă, acest tip de geometrie a devenit implicit în proiecte. În consecință, capsulele cu echipaj utilizate în acel moment se bazau pe secțiuni sferice. Vehiculele cu geometrie perfect sferică au fost utilizate de programul sovietic Vostok . Cel mai faimos exemplu de vehicul cu secțiune sferică este modulul de comandă Apollo , cu un scut termic cu secțiune sferică din față care se alătură unei secțiuni spate conice. Alte exemple de vehicule cu geometrie sferică și echipată sunt: capsulele Sojuz / Zond și capsulele Gemeni și Mercur .

Sferă-con

Sonda Galileo în timpul asamblării finale

Forma sferă-con este formată dintr-o secțiune sferică cu un trunchi cu baze paralele. Stabilitatea sa este în general superioară celei a unei secțiuni sferice. În 1955 , a fost dezvoltat aeroschipul tip Mk-2 RV cu conuri sferici, al cărui design a derivat din teoria corpului ghemuit cu un sistem de protecție termică răcit bazat pe un scut termic metalic. Cu toate acestea, MK-2 RV a suferit de defecte grave ca sistem militar, de exemplu, a rămas în atmosfera superioară prea mult timp datorită coeficientului său balistic scăzut și a lăsat o urmă de metal vaporizat care l-a făcut foarte vizibil radarului . Aceste probleme l-au făcut foarte vulnerabil la sistemele balistice antirachetă ( ABM ) și s-a dezvoltat un nou design cu conuri sferice, Mk-6 care folosea un sistem de protecție termică nablonică ablativă. Era foarte eficient ca scut termic și avea o masă imensă de 3360 kg și o lungime de 3,1 metri.

Mk-6, armă a Războiului Rece și strămoșul majorității vehiculelor de reintrare NASA

Vehicul de reintrare prin satelit de tip „Discoverer”

Scutul termic al rover-ului Opportunity aflat pe suprafața lui Marte

Vehiculele de reintrare prin satelit spion au folosit, de asemenea, o formă de sferă-con și au fost primele exemple de vehicule de reintrare americane care nu conțineau arme (Discoverer-I, lansat pe 28 februarie 1959 ). Sfera-con a fost folosită ulterior pentru misiuni de explorare spațială în corpurile cerești sau pentru sonde care se întorceau pe Pământ, cum ar fi sonda Stardust . Spre deosebire de vehiculele de reintrare militară, avantajul de masă mai redus al sistemului de protecție termică a corpului ghemuit a fost reținut cu vehicule de explorare, cum ar fi navele spațiale Galileo sau Viking . Aceste tipuri de sonde au aterizat la suprafață sau au pătruns în atmosfera lui Marte , Venus , Jupiter și Titan .

Biconic

Forma biconică constă dintr-o sferă-con cu un trunchi suplimentar cu baze paralele. Vehiculul cu această formă cea mai semnificativă a fost Advanced Maneuvrable Reentry Vehicle (AMaRV). McDonnell Douglas a construit patru exemple, care au reprezentat un salt înainte în tehnologia de reintrare. Trei dintre ele au fost lansate pe 20 decembrie 1979 , 8 octombrie 1980 și 4 octombrie 1981 . Nu au fost publicate în mod deschis diagrame sau imagini ale AMaRV, ci doar o schemă schematică ^[3] .

Forme nesimetrice

Unele vehicule de intrare cu echipaj au folosit forme nesimetrice. De exemplu, naveta spațială americană și Buranul sovietic sunt vehicule cu aripi care folosesc o formă de aripă delta pentru a manevra în timpul coborârii, ca un planor normal.

Fizica gazelor stratului de impact

Proiectanții scuturilor termice folosesc următoarea regulă generală pentru a estima temperatura maximă a stratului de șoc: temperatura în kelvini este aproximativ egală cu viteza de intrare măsurată în metri pe secundă. De exemplu, o navetă care intră în atmosferă cu o viteză de 7,8 km / s va atinge o temperatură de 7800 K. Este clar că 7800 K constituie o temperatură foarte ridicată (suprafața Soarelui , adică fotosfera, are o temperatură de aproximativ 6000 K). La aceste valori are loc o disociere chimică a aerului prezent în stratul de impact și ionizarea consecventă. Proprietățile chimice și termice ale aerului care suferă acest efect necesită modele fizice diferite pentru studiul lor. Există patru modele principale de gaz care sunt importante pentru inginerii aeronautici care proiectează scuturi termice.

Model de gaz ideal sau perfect

Același subiect în detaliu: gaz ideal .

Teoria ideală a gazelor este elegantă și foarte utilă pentru proiectarea vehiculelor, dar în ipoteza că gazul este inert din punct de vedere chimic. Aerul poate fi considerat inert pentru temperaturi sub 550 K la o presiune de un atm . La temperaturi mai mari de 550 K teoria începe să fie inadecvată și nu poate fi utilizată peste 2000 K. Pentru aceste valori este necesar să se utilizeze modelul de gaz real .

Model de gaz real (în echilibru)

Același subiect în detaliu: Gaz real .

Teoria gazului real în echilibru presupune că gazul este reactiv chimic, dar toate reacțiile chimice au avut timp să se termine și toate componentele gazului au aceeași temperatură (adică sunt în echilibru termodinamic ). Când aerul este lovit de o undă de șoc, acesta este supraîncălzit prin compresie și se disociază chimic prin diferite reacții (spre deosebire de ceea ce se crede în mod obișnuit, fricțiunea nu este principala cauză a încălzirii stratului de șoc). Distanța dintre stratul de prăbușire și punctul de stagnare al vehiculului pe marginea din față se numește valul de șoc oprit . Aproximativ se poate estima că această distanță este egală cu 0,14 ori raza nasului vehiculului și de la această distanță poate fi derivat timpul de deplasare al unei molecule de gaz de la unda de șoc la punctul de stagnare. De exemplu, pentru o rază de 1 metru și o viteză de aproximativ 7,8 km / s, timpul de deplasare este de 18 μs . Timpul de deplasare este aproximativ egal cu timpul disponibil pentru ca o reacție chimică care a început în stratul de impact să atingă echilibrul chimic înainte de a ajunge la vehicul. Dacă aerul a atins acest echilibru când atinge punctul de stagnare, atunci se poate folosi modelul gazului real în echilibru și se poate aplica ecuația Fay-Riddell care permite modelarea fluxului de căldură. Acest interval de timp este puternic dependent de presiunea stratului de șoc: de exemplu, în cazul sondei Galileo , stratul de șoc era în echilibru din cauza presiunilor extreme.

Model de gaz real (nu este în echilibru)

Teoria reală a gazului în afara echilibrului este cel mai precis model al fizicii gazelor din stratul de șoc, dar este, de asemenea, mult mai dificil de rezolvat. Există diverse modele, inclusiv modelul Lighthill-Freeman ^{[4] [5]} , cel mai simplu, dar încă prea inexact pentru aplicații reale. Fluxul de căldură radiativă este un aspect important în modelarea gazelor reale neechilibrate. În special, dacă un vehicul intră în atmosferă la viteze foarte mari și are o rază mare, atunci fluxul de căldură radiativă poate depăși și deveni proeminent în încălzirea sistemului de protecție termică. Acest flux este generat de molecule diatomice asimetrice, cum ar fi oxidul de azot (NO), dioxidul de carbon format prin disocierea moleculelor prezente în atmosferă și prin recombinarea cu stratul de impact. În acest fel, se formează noi molecule cu o energie vibrațională ridicată care se transformă în energie radiantă. Acest proces durează mai puțin de o milisecundă , ceea ce face modelarea mai dificilă. Măsurătorile experimentale, împreună cu calculele teoretice, fac din acesta unul dintre cele mai ezoterice aspecte ale ingineriei aerospațiale. Majoritatea cercetărilor aerospațiale din anii 1960 au vizat înțelegerea fluxului de căldură radiativă și au asigurat succesul programului Apollo . Cu toate acestea, această înțelegere nu este atât de bună în cazul unei atmosfere compuse în principal din dioxid de carbon, cum ar fi cea de pe Marte , și necesită cercetări suplimentare.

Model de gaz congelat

Acest model descrie un caz special în care gazul nu este în echilibru. Numele „înghețat” ar putea fi înșelător: „îngheț” se referă la timp și nu la temperatură. Aceasta înseamnă că toate reacțiile chimice sunt considerate oprite. Acestea sunt cauzate de coliziunea moleculelor și, dacă reduceți temperatura unui gaz încet, astfel încât aceste reacții să poată continua, gazul rămâne în echilibru. Cu toate acestea, este posibilă reducerea foarte rapidă a presiunii gazului pentru a opri toate reacțiile chimice. Adjectivul „înghețat” se referă la această situație.

Distincția dintre gazul în echilibru și gazul înghețat este importantă deoarece este posibil ca un gaz precum aerul să aibă proprietăți termodinamice diferite (cum ar fi viteza sunetului , vâscozitatea etc.) în aceeași stare termodinamică identificată prin temperatură și presiune. Gazul înghețat poate fi o problemă în urma reintrării vehiculului în atmosferă. În timpul reintrării, fluxul de aer este comprimat la temperaturi ridicate de unda de șoc a vehiculului. Aerul neechilibrat din stratul de impact este transportat în spatele vehiculului, unde se extinde rapid și intră în starea înghețată. Acest aer este prins în vârtej în urma vehiculului și modelarea acestuia este foarte dificilă. Încălzirea sistemului de protecție termică din spate este mai puțin ridicată, dar geometria și instabilitatea fluxului pot afecta semnificativ aerodinamica și stabilitatea.

Cea mai dificilă întoarcere

Același subiect în detaliu: sonda Galileo .

Cea mai mare viteză de reintrare (controlată) realizată de un vehicul aparține sondei Galileo . A intrat în atmosfera lui Jupiter cu o viteză de 47,4 km / s (viteza relativă față de atmosferă la o înălțime de 450 km deasupra referinței la 1 bar) cu o decelerare de 230 G. Presiunea de vârf a punctului de stagnare înainte de ejecția ecranului a fost de 9 bari, iar temperatura de vârf a stratului de șoc a fost de aproximativ 16000 K. Aproximativ 26% din masa (egală cu 338 kg) a sondei a fost vaporizată în 70 de secunde și fluxul de căldură blocat a atins un maxim de 15 000 W / ^cm2. Pentru referință, cea mai mare valoare atinsă de un lander marțian a fost de 106 W / ^cm2 și atins de Apollo 4 modulul de comandă, în timp ce se întoarce la o viteză relativă de 10.77 la km / s, a fost de 497. W / ^cm2.

Sistemul de protecție termică a sondei consta din carbon fenolic. În ciuda unui proiect conservator, care a inclus dublarea grosimii scutului, condițiile extreme ale returului au făcut aproape că sistemul de protecție eșua. Fluxul de căldură radiativă și turbulența stratului de impact nu sunt încă pe deplin înțelese și în prezent depășesc o analiză teoretică definitivă.

După finalizarea cu succes a misiunii, sonda și-a continuat coborârea în atmosfera joviană, unde temperatura a crescut într-o asemenea măsură încât a vaporizat sonda și scutul termic în gaz monatomic.

Întoarcere necontrolată

Peste 100 de tone de obiecte create de om reintră necontrolat în fiecare an. Marea majoritate arde complet înainte de a ajunge la suprafața pământului. Deoarece aceasta din urmă este ocupată în principal de apă, majoritatea obiectelor care supraviețuiesc în cele din urmă reintrării se găsesc pe fundul oceanelor.

Reintrarea necontrolată este, de asemenea, utilizată în mod intenționat pentru a distruge obiectele aflate pe orbită și care sunt dezafectate. De exemplu, stația spațială Mir a fost distrusă de o reintrare intenționată în atmosfera Pământului la 23 martie 2001 peste Oceanul Pacific de Sud .

În 1978 , sonda Cosmos 954 s-a întors necontrolat și s-a prăbușit lângă lacul Great Slave din teritoriile de nord ale Canadei . Nava spațială a fost alimentată de un generator termoelectric radioizotopic și a împrăștiat resturi radioactive în nordul Canadei.

În 1979 , Skylab a reintrat în atmosferă și o parte din aceasta s-a prăbușit în Australia de Vest, ucigând o vacă și avariate mai multe clădiri. Autoritățile locale au cerut Statelor Unite să plătească o amendă pentru depozitul de deșeuri, dar acesta nu a fost niciodată sancționat.

Notă

Elemente conexe

• Scut termic

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre reintrarea atmosferică

linkuri externe

• ( EN ) Video cu reintrarea Navetei Spațiale Columbia , pe chrisvalentines.com . Adus la 13 august 2007 (depus de „url original 29 iunie 2007).
• ( RO ) Reconstrucția reintrării Columbia, din California în Texas , pe chrisvalentines.com . Adus la 13 august 2007 (depus de „Adresa URL originală la 16 iulie 2007).
• ( RO ) Vehicule de reintrare timpurie: ghemuit și ablativ , la centennialofflight.gov . Adus la 13 august 2007 (depus de „Adresa URL originală la 14 octombrie 2012).
• ( EN ) Scutul termic Buran , pe buran-energia.com .
• ( EN ) Articol din Enciclopedia Astronautică despre istoria astronauticii, care include unele proiecte de vehicule de reintrare

Portalul astronauticii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de astronautică