Аэродинамическое торможение с гиперболической траектории

[Mercury127]

Это только в оболочке плазмы возможно...

вы, видимо, про какую-то особенную, сверхестественную плазму made by Ritche говорите?
потому как обыкновенная, научная плазма и так сама собой образуется вокруг любого тела при каждом входе в плотные слои...

[Ulkolainen]

До чего докатились... корабль с изменяемой геометрией, и абляционными щитами способными переносить полет в атмосфере со скоростями в десятки км/с.

А по-другому не получается. Нам необходимо сгладить пик перегрузки, но если плотность с глубиной растёт в сотни раз, то при постоянном k ничего не сгладится, каким бы мы его ни назначили изначально. Отсюда необходимость делать его меняющимся.

Первое напрашивающееся (напросившееся мне) решение - диск. Он пока в границах имеющихся земных технологий:
[например, толщиной  1/5 радиуса]
- вход плашмя С=1,1, S=πR²,  k=3,45 R²/m
- поворот ребром C=0,25 (предположительное, в таблицах не отыскал), S=2R*0,2R, k=0,1 R²/m
Как видите, разница в 35 раз достигается без попыток строить Трансформеры.

К сожалению, ...

Мы вообще то на сверхзвуке влетаем. На очень далёком сверхзвуке. Десятки М. И вылетаем тоже на десятках.
Так что картинки с ламинарно-турбулентными завитушками выбросьте. На сверхзвуке картинка будет одна и та же и к кирпича и у вылизанного крыла:

.... С^f рекомендовано не учитывать.
Ладно, в том же примере имеем снижение S в π/0,4= 8 раз, а 0,2R - отнюдь не минимально-конструктивно-возможная толщина.

[Mercury127]

Сf рекомендовано не учитывать.

не не не.
учитывать надо все составляющие, тк судя по формулам, волновое на высоких М стремится к 0.
ке сожалению, дальше я ничем не могу помочь, тк ни разу не аэродинамик.
но уверен, что дозвуковыми построениями мы скорее получим совершенно ложные результаты...

[Андрей Астрофизический]

уверен, что дозвуковыми построениями мы скорее получим совершенно ложные результаты...

верно.

если плотность с глубиной растёт в сотни раз

Она растет по экспоненте.
По-ковырявшись в вопросе, выяснено что с некоторыми флуктуациями, график давления (и плотности) атмосферы от высоты, представляет собой экспоненту с тем или иным показателем... зависящим от местной силы тяготения, молярной массы газа, ну и количества этого газа на планете конечно.
Различные температуры на разных высотах, эту экспоненту несколько корежат, но не так чтоб до не-узнаваемости) все равно на экспоненту похоже.

Первое напрашивающееся (напросившееся мне) решение - диск. Он пока в границах имеющихся земных технологий:
[например, толщиной  1/5 радиуса]
- вход плашмя С=1,1, S=πR2,  k=3,45 R2/m
- поворот ребром C=0,25 (предположительное, в таблицах не отыскал), S=2R*0,2R, k=0,1 R2/m
Как видите, разница в 35 раз достигается без попыток строить Трансформеры.

Насколько я усвоил (поверхностно, но все же) сверхзвуковую аэродинамику. Тут есть такая соль, что поверхности, таранящие поток плашмя, создают перед собой ударную волну, которая в значительной мере принимает удар на себя, и сама же рассеивает в поток кинетическую энергию. Не приводя к сильному перегреву корабля, ну почти. Потому спускаемые аппараты Аполлонов и Союзов, тупым концом и летят.
А объект заостренный, обтекаемый, который пытается воткнуться острием в набегающий поток. Успешно это и делает, подпуская ударную волну собственно к корпусу, и принимая на себя львиную долю от того тепла, которое образовалось из его же кинетической энергии. И тут уже Стефан с Больцманом шлют пламенный привет, нашему кораблю. На скоростях в десятки км/с очень пламенный, в буквальном смысле, полагаю никакой абляции может не хватить...

[noxx77]

До чего докатились... корабль с изменяемой геометрией, и абляционными щитами способными переносить полет в атмосфере со скоростями в десятки км/с.

А по-другому не получается. Нам необходимо сгладить пик перегрузки, но если плотность с глубиной растёт в сотни раз, то при постоянном k ничего не сгладится, каким бы мы его ни назначили изначально. Отсюда необходимость делать его меняющимся.

У меня есть вопросы, который, для специалиста, наверное, выглядит идиотскими:
1) а можно ли использовать на таких скоростях схемы вроде "ёлочки", например двухконусную (d,e), но с динамическим управлением каждой ступенью такого щита для управления потоком?

Например, сдвигать передний рассекатель в стороны, удалять от второй ступени или приближать к ней?
2) можно ли использовать испарение/расширение некоего РТ для регуляции потока, вводя его за первым конусом перед вторым (ну или каким-нибудь очередным в "елочке")?
3) имеет ли смысл использовать газовые рули в потоке за основным щитом? 

[Maki]

Отсюда необходимость делать его меняющимся.

А зачем что-то "делать" самим, если есть возможность привлечь на свою сторону естественные силы?
По данным Википедии, Метеорит Гоба, в процессе "аэродинамического торможения", потерял как минимум 30% своей массы. В обсуждаемом случае, цифра вряд ли будет меньше. Почему бы не применить абляционный щит переменного сечения, например, в форме гиперболоида вращения?
Опосля же сгорания оного, можно подумать и о переходе из метеорного в аэродинамический режим...

[Ulkolainen]

Насколько я усвоил (поверхностно, но все же) сверхзвуковую аэродинамику. Тут есть такая соль, что поверхности, таранящие поток плашмя, создают перед собой ударную волну, которая в значительной мере принимает удар на себя, и сама же рассеивает в поток кинетическую энергию. Не приводя к сильному перегреву корабля, ну почти. Потому спускаемые аппараты Аполлонов и Союзов, тупым концом и летят.

Всё правильно усвоили. Но есть нюанс.
∆Е_кин при торможении переводится в тепловую, от формы обтекателя зависит процентное соотношение, в котором тепловая делится между атмосферой и аппаратом. Как правило, нам выгоднее минимизировать свою долю, минимизировать нагрев, поэтому предпочтительны тупые концы.
Но в данном случае лимитирующим фактором оказалась пиковая перегрузка. После 300 g становится несущественно, сгорят наши покойники прямо тут или заледенеют в космической дали. Если у КА еще остаётся резерв по теплозащите, наступает самое время расходовать его до предела. Кроме того, снижая а, мы снижаем и ∆Е в единицу времени: в существенно менее выгодной для себя пропорции нам предстоит делить существенно меньшую тепловую мощность.

А зачем что-то "делать" самим, если есть возможность привлечь на свою сторону естественные силы?
По данным Википедии, Метеорит Гоба, в процессе "аэродинамического торможения", потерял как минимум 30% своей массы.

В отличие от пилотируемого корабля метеорит по перегрузкам не лимитирован.
 

У меня есть вопросы, который, для специалиста, наверное, выглядит идиотскими:

Поскольку дана реплика под моей цитатой, вынужден пояснить: я тут по уровню компетенции гораздо ближе к идиотам, чем к специалистам. Так что спрашивайте, не стесняйтесь.

1) а можно ли использовать на таких скоростях схемы вроде "ёлочки"

См.в основной "титановской" наш диалог с Семёновым о чертях, которые не знали, что можно и чего нельзя. Кто уже летал по атмосферам на на таких скоростях? Ну, "Галилео" в какой-то степени... - с задачей сгореть, которую он там превосходно выполнил.

2) можно ли использовать испарение/расширение некоего РТ для регуляции потока, вводя его за первым конусом перед вторым (ну или каким-нибудь очередным в "елочке")?

Можно. Может быть даже нужно.

3) имеет ли смысл использовать газовые рули в потоке за основным щитом?

Извините, но пока не решено даже, имеется ли у нас "основной щит".

[Mercury127]

Потому спускаемые аппараты Аполлонов и Союзов, тупым концом и летят.
А объект заостренный, обтекаемый, который пытается воткнуться острием в набегающий поток. Успешно это и делает, подпуская ударную волну собственно к корпусу, и принимая на себя львиную долю от того тепла, которое образовалось из его же кинетической энергии. И тут уже Стефан с Больцманом шлют пламенный привет, нашему кораблю. На скоростях в десятки км/с очень пламенный, в буквальном смысле, полагаю никакой абляции может не хватить...

не хватает даже на банальных 5 км/с, на которых летают обыкновенные баллистические ракеты. поэтому боеголовки точно так же входят в атмосферу тупым концом...

[Ulkolainen]

не хватает даже на банальных 5 км/с, на которых летают обыкновенные баллистические ракеты. поэтому боеголовки точно так же входят в атмосферу тупым концом...

См. выше ответ про метеорит. На боеголовках тоже нет экипажа.

А объект заостренный, обтекаемый, который пытается воткнуться острием в набегающий поток. Успешно это и делает, подпуская ударную волну собственно к корпусу, и принимая на себя львиную долю от того тепла, которое образовалось из его же кинетической энергии. И тут уже Стефан с Больцманом шлют пламенный привет, нашему кораблю. На скоростях в десятки км/с очень пламенный, в буквальном смысле, полагаю никакой абляции может не хватить...

Эти парни недостаточно горячи для передачи нам своего привета:На скоростях выше 12 км/с передача тепла аппарату начинает происходить в основном через лучевой перенос, который начинает доминировать над термодинамическим переносом вместе с ростом скорости.
Поэтому очередность поиска решения прежняя: сначала надо затормозить, не расшибившись в лепёшку, а после считать  потребное число огнетушителей на борту.

[alex_semenov]

У меня есть вопросы, который, для специалиста, наверное, выглядит идиотскими:
1) а можно ли использовать на таких скоростях схемы вроде "ёлочки", например двухконусную (d,e), но с динамическим управлением каждой ступенью такого щита для управления потоком?
Например, сдвигать передний рассекатель в стороны, удалять от второй ступени или приближать к ней?
2) можно ли использовать испарение/расширение некоего РТ для регуляции потока, вводя его за первым конусом перед вторым (ну или каким-нибудь очередным в "елочке")?
3) имеет ли смысл использовать газовые рули в потоке за основным щитом?

Я конечно не специалист.
Но знаю что схему и теорию  торможения "тупым концом" в США предложил Гарри Ален (Harry Julian Allen):



И вообще говоря, тут особо что-то выкрутить с формой не получится. Возможно я не прав, но я полагаю что чем тупей конец - тем лучше. Тем дальше будет отодвинут фронт ударной волны. То есть "форма бревна" тут самая лучшая.
Почему тогда формы аппаратов все же изящней, например боеголовки остаются коническими?



Потому что тут еще и проблема центровки  "летательного аппарата". То есть центр давления, центр тяжести должны автоматом правильно ориентировать аппарат. "Идеальное бревно" само-по себе может и кувыркнуться (и тогда сгорит). Значит надо искать компромисс.
Это первая "тонкость".
Вторая - чем быстрей тело движется тем более острым получается конус Маха от ударной волны.





На совсем больших скоростях, конус по-сути превращается в "трубу" (я этим всем интересовался в связи с моей схемой "плоской" водородной бомбы, где конус Маха "разбрызгивания" термоядерного топлива на скоростях сжатия  в 500-700 км/с будет всего 1-2 градуса.). То есть форма должна становиться совсем тупой, бревно бревном, и при быстром входе изящность формы тормозного щита приближается к "чемодану". В этом и сложность, думаю. Опасность. Бороться за "эффект воланчика" (естественную стабилизацию аппарата) как у обычной боеголовки или спускаемого аппарата на 8-12 км/с с относительно небольшой скоростью входа (которой иногда достаточно ЗАТУПИТЬ конец, см схему на фото выше) и тем самым совместить эффект торможение и удобство центровки "летательного аппарата"  уже не получается.
Так что, ваша оригинальная идея (самому мысль понравилась, как художнику) просто (как мне кажется) не имеет пространства для реализации.

не хватает даже на банальных 5 км/с, на которых летают обыкновенные баллистические ракеты. поэтому боеголовки точно так же входят в атмосферу тупым концом...

См. выше ответ про метеорит. На боеголовках тоже нет экипажа.

Ну на боеголовках экипажа нет, но мемуаристика конструкторов ядерного оружия рассказывают как они схавтились за голову, когда пытались перенести схему термоядерной боеголовки из бомбы (у которой нет особых перегрузок) на боеголовку для Р-7.
Даже болванка по-началу не долетела до Камчатки.
Ведь боеголовка входит в атмосферу круто, почти по перпендикуляру к поверхности, и ускорение  нарастает очень быстро с  быстрым падением высоты. Ускорения получаются в пике до 30g. И это вызвало у конструкторов ядерных зарядов (там левитирующее ядро тогда "на проволочках" подвешивали, между прочим) много головной боли.

О метеорита. Забавно прикинуть вот что.



Удельная теплота плавления железа  λ = 247 000 Дж/кг

Если предположить что вся кинетическая энергия металлического метеорита К переходит в теплоту  плавления Q (затратой на нагрев пренебрежем, это ~ 10% от плавления, при плавлении метал размягчается и тело под напором распадается, то есть не долетает целым до поверхности) то  минимальная скорость при которой это ТЕОРЕТИЧЕСКИ должно происходит:



Я получил границу всего  v =703 м/с.
 
Я ожидал больше!
Если такой кусок железа, влетая на 11-15 км/с в атмосферу Земли, то наша расчетная скорость составляет 0.07 - 0.04  от реальной скорости.  Доля же энергии - квадрат. Совсем ничего!
Конечно, более точно было бы учесть еще и Стефана-Больцмана, но ясно и так, что эффект "тупого конца" даже у бесформенного куска очень хорошо сливает энергию при торможении. Спускаемому аппарату или даже метеориту, разрушающего телпа достается не более сотой части (и именно ее приходится героически сливать).
То что достаточно рыхлые камни  добираются до плотных слоев атмосферы и только там разваливаются на куски - это не столько плавление, сколько потеря прочности при температурном размягчении. То есть, разрушение тормозного щита по-сути под давлением от ударного уплотнения.
Челябинский метеорит:

"Колумбия":

[Ulkolainen]

Я получил границу всего  v =703 м/с.
 
Я ожидал больше!

Вы не учли затраты на нагрев до температуры плавления. У железа ~500 Дж/кг*К.
Я вчера на досуге "придумал" воду, но до термодиссоциации. Окунул, так сказать, свою ЛТ в антураж стим-панка.
Это 15,8 МДж/кг. Термическая диссоциация воды протекает при 2500 С. Такой процесс пока не может быть реализован. Использование плазмотронов низкотемпературной плазмы в качестве источника тепла разложения воды предполагает расходование дорого стоящей электрической энергии. Путь термической диссоциации воды не исключен для будущего. Использование плазменных тем ператур синтеза возможно откроет перспективы для технической реализации таких процессов. Разработка таких проектов относится, вероятно, к началу нового тысячелетия. Ну, тысячелетие на дворе, пора разрабатывать: то, что для автора являлось нерешенной проблемой, для нас может оказаться её решением.
Кроме высокой теплоемкости вода хороша тем, что в пилотируемом полете так и этак необходима, а на Титане дефицита в ней  нет. То есть, незадолго до финиша её можно сбросить почти всю, вместе с накопленной при торможении теплотою. Соответственно, на борт брать в избытке, по пути не рециклить (чуть сэкономим на СЖО), заливать в полые стенки корпуса (сэкономим на защите) и пр.

[noxx77]

Кроме высокой теплоемкости вода хороша тем, что в пилотируемом полете так и этак необходима, а на Титане дефицита в ней  нет. То есть, незадолго до финиша её можно сбросить почти всю, вместе с накопленной при торможении теплотою. Соответственно, на борт брать в избытке, по пути не рециклить (чуть сэкономим на СЖО), заливать в полые стенки корпуса (сэкономим на защите) и пр.

И вот тут интересный момент. Термическая диссоциация, насколько я понимаю, сильно более теплоёмка, чем испарение воды. Значит на "конусе" (условно, там может быть хоть фаллос) можно применить завесу из пара, в которой, при ударе основной волны о второй щит (точнее - о завесу) вода диссоциирует, унося тепло. Судя по картинке "е", там волны идут две - одна встречная, на их стыке и можно "пожертвовать" водой, формирующей встречную волну. Расширение слоя может направить поток к краям, отодвигая фронт.

[Юрий Б.]

при постоянном k ничего не сгладится, каким бы мы его ни назначили изначально. Отсюда необходимость делать его меняющимся.

Похоже, на форуме скоро додумаются до второго аэродинамического коэффициента, который тянет аппарат в сторону (подъемная сила).

Именно так настоящие космические корабли об атмосферу и тормозятся.

Сначала входят в нее так, чтобы подъемная сила притягивала аппарат к поверхности, и не давала ему уйти в открытый космос.

По мере падения скорости, приближения ее к первой космической, необходимость в дополнительной подъемной силе пропадает. Аппарат ложится на бок, его подъемная сила направлена параллельно поверхности.

Когда скорость еще падает, и необходимо удерживать аппарат от падения в плотные слои атмосферы, аппарат поворачивается вектором подъемной силы вверх.

Для всего этого не надо изменять аппарат, достаточно вращать аппарат вокруг оси.

А на симметричных аппаратах без подъемной силы никто со второй космической не садится.
 

[LonelyWanderer]

при постоянном k ничего не сгладится, каким бы мы его ни назначили изначально. Отсюда необходимость делать его меняющимся.

Похоже, на форуме скоро додумаются до второго аэродинамического коэффициента, который тянет аппарат в сторону (подъемная сила).

Именно так настоящие космические корабли об атмосферу и тормозятся.

Сначала входят в нее так, чтобы подъемная сила притягивала аппарат к поверхности, и не давала ему уйти в открытый космос.

По мере падения скорости, приближения ее к первой космической, необходимость в дополнительной подъемной силе пропадает. Аппарат ложится на бок, его подъемная сила направлена параллельно поверхности.

Когда скорость еще падает, и необходимо удерживать аппарат от падения в плотные слои атмосферы, аппарат поворачивается вектором подъемной силы вверх.

Для всего этого не надо изменять аппарат, достаточно вращать аппарат вокруг оси.

А на симметричных аппаратах без подъемной силы никто со второй космической не садится.

Именно в точности так я на Орбитере симулировал - получалось легче всего.

[Ulkolainen]

И вот тут интересный момент. Термическая диссоциация, насколько я понимаю, сильно более теплоёмка, чем испарение воды. Значит на "конусе" (условно, там может быть хоть фаллос) можно применить завесу из пара, в которой, при ударе основной волны о второй щит (точнее - о завесу) вода диссоциирует, унося тепло.

Да, я тоже думал в этом направлении, потому и обозвал "окунанием в стим-панк".

Сначала входят в нее так, чтобы подъемная сила притягивала аппарат к поверхности, и не давала ему уйти в открытый космос.

+4g чтобы вписаться в радиус.

А на симметричных аппаратах без подъемной силы никто со второй космической не садится.

Именно в точности так я на Орбитере симулировал - получалось легче всего.

Всё бы хорошо, но здесь обсуждается не задача сесть на Сатурн. Со второй космической надо от него улететь, т.е. затормозить до неё в его атмосфере.

[LonelyWanderer]

Именно в точности так я на Орбитере симулировал - получалось легче всего.

Всё бы хорошо, но здесь обсуждается не задача сесть на Сатурн. Со второй космической надо от него улететь, т.е. затормозить до неё в его атмосфере.

Это не изменяет суть проблемы. Скорость снижается до необходимой, затем корабль поворачивается крыльями набок, и он покидает атмосферу. Меня больше волнует вопрос аэродинамики и абляции, как это соотносится при таких скоростях...

[Ulkolainen]

Это не изменяет суть проблемы. Скорость снижается до необходимой, затем корабль поворачивается крыльями набок, и он покидает атмосферу.

Да. Ёлки-палки, всё получается!
Заглубляемся настолько, насколько скажет Андрей (он рассчитывал плотности атмосферы по высотам), рулим паром и встав под нужным углом к потоку, пишем дугу с радиусом Сатурна за вычетом глубины. Ускорение по нормали ~4g, по касательной 3, результирующее (перегрузка) 5. Постоянное, никаких пиков!
Время торможения  на скоростях, предложенных по условию,  700 с. 

Меня больше волнует вопрос аэродинамики и абляции, как это соотносится при таких скоростях...

Скорее всего - никаких крыльев. Конструкция и так сверх-энергонагружена, поэтому поток должна воспринимать всей собой, т.е. она по-прежнему видится мне диском.

[alex_semenov]

Да. Ёлки-палки, всё получается!
Заглубляемся настолько, насколько скажет Андрей (он рассчитывал плотности атмосферы по высотам), рулим паром и встав под нужным углом к потоку, пишем дугу с радиусом Сатурна за вычетом глубины. Ускорение по нормали ~4g, по касательной 3, результирующее (перегрузка) 5. Постоянное, никаких пиков!
Время торможения  на скоростях, предложенных по условию,  700 с.

То есть за 700 с мы сливаем 700*9.8*3 = 20 580 км/с?
Гм... Неплохо!
Хотя 12 минут при 5g. В нормальном кресле выдержать это не всякий сможет...
Тут нужны новые секретные технологии Рейха!!!

Эх, если бы термодинамика бы нам это все еще позволила бы!!
Ну и форма. Вытянутую конструкцию так не затормозишь. Нужна форма тарелки по-сути.



Пушки придется спилить...

[Ulkolainen]

Хотя 12 минут при 5g. В нормальном кресле выдержать это не всякий сможет...
Тут нужны новые секретные технологии Рейха!!!

Ну, знаете ли...
За 5g после светивших ранее нибелунгам 300 Рейх прямо-таки по пояс обязан засыпать LonelyWandererа дубовыми листьями!

Эх, если бы термодинамика бы нам это все еще позволила бы!!
Ну и форма. Вытянутую конструкцию так не затормозишь. Нужна форма тарелки по-сути.

А про тарелку я почти с самого начала заговорил. 
Что ж, переходим  к подсчету огнетушителей?

[alex_semenov]

D Ну, знаете ли...
За 5g после светивших ранее нибелунгам 300

Согласен. Но я это к тому, что жидкое дыхание все же придется лабораториям рейха разрабатывать...

Рейх прямо-таки по пояс обязан засыпать LonelyWandererа дубовыми листьями!

Нет. Вы явно не знаете системы наград Рейха нибелунгов!
Сразу видно не "воевали" вы за нибелунгов, скажем, в симуляторе "Ил-2"... А то бы знали  бы что система наград у нибелунгов была не накопительной, а замещающей.
Сначала давали просто железный крест:

В следующий раз не давали два ("дайте два!" (с)) как у нас  дважды герой, трижды. Просто крест как бы усыпали дубовыми листьями. Хотя конечно выдавали совсем другй крест. Второй. Рыцарский крест железного креста с ДУБОВЫМИ листьями.

Дубовые листья - один раз ()
Но в чем хитрость? Крест носили на шее. Нельзя было навесить два (шея то одна!). Предыдущий не повесишь!
Следующий шаг: Рыцарский крест Железного креста с Дубовыми листьями и МЕЧАМИ:

Далее: Рыцарский крест Железного креста с Дубовыми Листьями, Мечами и БРИЛЛИАНТАМИ:

Ну, а если какой белокурый лЫцарь совсем обурел (настрелял как в симуляторе 500 танков или 350 самолетов противника) то ему давали
Рыцарский крест Железного креста с ЗОЛОТЫМИ дубовыми листьями, мечами и бриллиантами

В общем это уже полный блэкджек со шлюхами!
 
Но шея все-таки одна (если еще цела), поэтому весь иконостас не навесишь.
Вешаешь только последний крест который получил, что как был признак скромности... Не выделывался из далека..

Хитрые нибелунги!!!
И считайте что я вам и LonelyWanderer все это уже выдал.
Ну и музыкальная пауза, как положено при награждении....
Отменяется.... От части...
Хотел найти наиболее подходящий видеоряд и музыу: Мерман "Лени Риффеншталь".
Но видео на ютубе удалено (а видео ряд был - огонь!)...
 
Видимо тупо за "пропаганда нацизма". "Дебилы, бл!!!..." (с)
Господи, как же утомляют дураки!!!!
Остается слушать в mp3
Не испортят они нам праздник!

А про тарелку я почти с самого начала заговорил. 
Что ж, переходим  к подсчету огнетушителей?

Да, я помню. Да, надо считать термодинамику... Но как? Есть подходы?