Зачем челноку теплозащита?

[Грехов Михаил]

Подводя итог всему вышесказанному: первой космической скорости не достаточно для создания подъёмной силы в верхних слоях атмосферы. На высотах, где создаётся достаточная подъёмная сила трение о воздух и нагрев челнока слишком высоки и без термопокрытия никак не обойтись. Я правильно понял?

Немного не так. Надо затормозить некое тело. Единственный путь затормозить-это трение об атмосферу. всё. Трение об атмосферу рождает нагрев оболочки аппарата. Значит нужно ТЗП, чтобы аппарат не сгорел.

Теоретически, можно ли создать самолёт для спуска с орбиты без теплозащиты?

Ну.... был гипотетический проект такого корпуса самолёта в котором сделано много-много микроотверстий. Обычная вода в момент спуска подаётся из бака в отверстия в корпусе. Нагреваясь и испаряясь она охлаждает обшивку.  Но много сложностей. если система откажет, то всё. неминуемый крах! Воды надо много. Корпус сложный (заметте отверстие-концентратор напряжений) Поэтому всё же остановились на ТЗП.

А какие проблемы то? ТЗП да дорого..... но без него нельзя.

[L_Pt]

Алмин, на гиперзвуковых скоростях невозможно создание обтекаемых форм с высоким аэродинамическим качеством (т.е. соотношением подъемной силы к лобовому сопротивлению). По крайней мере никто еще не придумал подобного. Для Шаттла при штатном спуске, если я не ошибаюсь, в верхней атмосфере оно равно 1.3.
Т.е. существенной подъемной силы, которая поддерживала бы крылатый аппарат где-то в мезосфере, пока он бы медленно сбрасывал скорость, просто нет.

[Алмин]

Алмин, на гиперзвуковых скоростях невозможно создание обтекаемых форм с высоким аэродинамическим качеством (т.е. соотношением подъемной силы к лобовому сопротивлению). По крайней мере никто еще не придумал подобного. Для Шаттла при штатном спуске, если я не ошибаюсь, в верхней атмосфере оно равно 1.3.
Т.е. существенной подъемной силы, которая поддерживала бы крылатый аппарат где-то в мезосфере, пока он бы медленно сбрасывал скорость, просто нет.

Спасибо!!!!! Вот теперь всё стало понятно 

[Крупин]

    Наверное, в чём-то товарищь прав и изменив конструкцию челнока можно было бы сделать посадку более плавной и несколько снизить требования к теплозащите, но ведь это не самоцель. Каждый лишний килограмм выводимого в космос груза обходится очень недёшево. И с точки зрения экономичности наивыгоднейшей формой является сфера - отношение полезного объёма к весу оболочки наименьшее. Так и делается в  одноразовых конструкциях.
    Для челноков же надо находить компромисс. С одной стороны обеспечить максимально полезный объём, с другой - достаточно надёжную посадку. Для того, чтобы дольше удержаться в верхних слоях атмосферы пришлось бы делать челнок как можно более плоским с большой площадью крыльев. Но помимо совершенной неэкономичности такого решения оно ещё и нереально. Такой планер потеряет аэродинамическую устойчивость, механическую прочность. И кроме того, хотя для всего планера в целом тепловая нагрузка снизится, на выступающих кромках крыльев она буде высокой.

    Вот, к примеру знаменитый самолёт-шпион U-2, на котором был сбит Пауэрс http://www.oruzie.su/planes/226-drlo/1492-u2 . Статья об этом памятном событии в журнале "Вокруг света" - http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/history/1127/ . Впечатляет размах крыльев и площадь оперенья. Но для космического челнока такое решение конструктивным не назовёшь.

    Самолёт U-2, кстати, послужил и науке. Два самолёта U-2R, получивших после модификации обозначение ER-2 были переданы для использования НАСА. Обмазанные липучим составом они собирали космические пылинки в верхних слоях атвосферы. За рейс после сепарации от замных пылинок удавалось получить несколько космических.

[petrovich1964]

Кроме этого, корабль, если его направить под недостаточно острым углом может отрикошетить от атмосферы как от подушки.

Следует понимать, что и в верхних слоях атмосферы можно использовать подъёмную силу крыла? То есть после снижения, можно опять набрать высоту, опять снизиться, и опять набрать. И потихоньку тормозить. Опять возвращаемся к вопросу первого поста.

[armadillo]

Мрак и ужас. У всех.

Сделать челнок без теплозащиты можно. Но тогда он должен полностью тормозить до входа в атмосферу.
Проблема аэродинамического нагрева существует не только для челноков. И зависит она не столько от плотности, сколько от ТЕМПЕРАТУРЫ (скорости молекул) окружающего воздуха.
для азота и кислорода это сотни метров в секунду. Если скорость летательного аппарата больше - он будет нагреваться. Именно поэтому трехмаховые летательные аппараты не сделаешь из алюминия.
Вопрос не в том, чтобы преобразовать кинетическую энергию в тепло - можно и в перемещение воздуха (например парашют). Но сам воздух горяч с точки зрения спускаемого аппарата. эффективную температуру при скорости молекул азота 8км/с посчитайте сами.

[Грехов Михаил]

Следует понимать, что и в верхних слоях атмосферы можно использовать подъёмную силу крыла? То есть после снижения, можно опять набрать высоту, опять снизиться, и опять набрать. И потихоньку тормозить. Опять возвращаемся к вопросу первого поста.

Ну какая к чёрту подьёмная сила, если атмосферы там практически нет?  Какой-нибудь высотный самолёт не может подняться выше, так как выше нет кислорода для двигателей и крыло не образует подьёмной силы. Миг-25, Миг-31 разогнавшись в внижних слоях атмосферы засчёт высокой скорости по инерции выполняет "горку" и взмывает до высоты 35-37 км.

От рикошета корабль потеряет совсем немного скорости. Зато потом уже неминуемо войдёт в атмосферу и его падение будет практически неуправляемым. Впрочем некоторую подъёмную силу создаёт форма корабля, но это позволяет уменьшить тормозящее ускорение и сделать траекторию чутка более пологой.

[petrovich1964]

Ну какая к чёрту подьёмная сила, если атмосферы там практически нет?

А рикошет от какой силы возьмётся? От божественной? 

[L_Pt]

Мрак и ужас. У всех.

Сделать челнок без теплозащиты можно. Но тогда он должен полностью тормозить до входа в атмосферу.
Проблема аэродинамического нагрева существует не только для челноков. И зависит она не столько от плотности, сколько от ТЕМПЕРАТУРЫ (скорости молекул) окружающего воздуха.
для азота и кислорода это сотни метров в секунду. Если скорость летательного аппарата больше - он будет нагреваться. Именно поэтому трехмаховые летательные аппараты не сделаешь из алюминия.
Вопрос не в том, чтобы преобразовать кинетическую энергию в тепло - можно и в перемещение воздуха (например парашют). Но сам воздух горяч с точки зрения спускаемого аппарата. эффективную температуру при скорости молекул азота 8км/с посчитайте сами.

На высоте, для примера, 400 км, скорость набегающих атомов экзосферы приблизительно такая же. Но подобная теплозащита не нужна.
Все дело в интенсивности, насколько справляется излучение поверхности.

[armadillo]

да. если у вас черное тело справляется с отводом тепла - то флаг в руки.

[Алмин]

2 Крупин спасибо! Довольно познавательно...

Мдааа, подкинул мне дружбан задачку. Сродни задаче о самолёте - взлетит или не взлетит...

[dims]

А друг мне ответил: а зачем проводить торможение в плотных слоях атмосферы??? Ведь у челнока есть крылья, соответственно можно войти в высотные, менее плотные слои атмосферы, где трение не столь высоко и планируя, используя подъёмную силу крыльев, неспешно погасить скорость! 

Насколько я понимаю, дело в том, что верхняя граница атмосферы непредсказуема. Если сделать спуск более пологим, то челнок будет скакать по атмосфере как водный мотоцикл по волнам. Во-первых, фиг поймёшь, куда в конце-концов приземлишься, во-вторых, можешь полететь кубарем и сломать крылья, а в третьих, в любой момент можешь свалиться снова внутрь атмосферы и всё равно разогреешься как обычно.

В общем, было бы можно спускаться по-другому, спускались бы.

[Dem]

На самом деле всё гораздо проще. Теплозащита - это вес. И большие крылья - тоже вес. Т.е. есть некое оптимальное соотношение того и другого, когда вес минимален.
Можно ли спуститься без теплозащиты? Вполне можно.
Несколько раз проводили эксперименты по спуску на надувном крыле. Но вроде так и не нашли куда оно упало.
Но вот например вторая ступень "энергии" (которая бак из-под водорода) спокойно упала из космоса в океан. Сохранив герметичность. Потому как площадь большая, а масса маленькая.

[Грехов Михаил]

Несколько раз проводили эксперименты по спуску на надувном крыле. Но вроде так и не нашли куда оно упало.
Но вот например вторая ступень "энергии" (которая бак из-под водорода) спокойно упала из космоса в океан. Сохранив герметичность. Потому как площадь большая, а масса маленькая.

Это где вы "такое" поначитались? 

[Алмин]

На самом деле всё гораздо проще. Теплозащита - это вес. И большие крылья - тоже вес. Т.е. есть некое оптимальное соотношение того и другого, когда вес минимален.
Можно ли спуститься без теплозащиты? Вполне можно.
Несколько раз проводили эксперименты по спуску на надувном крыле. Но вроде так и не нашли куда оно упало.
Но вот например вторая ступень "энергии" (которая бак из-под водорода) спокойно упала из космоса в океан. Сохранив герметичность. Потому как площадь большая, а масса маленькая.

Да вроде всё уже объяснили Причина в том, что на гиперзвуке сила лобового сопротивления больше, чем подъёмная. Соответственно, спикировать невозможно впринципе...

А про вторую ступень поподробнее плиз. Что-то я такого никогда не слышал...

[Крупин]

На самом деле всё гораздо проще. Теплозащита - это вес. И большие крылья - тоже вес. Т.е. есть некое оптимальное соотношение того и другого, когда вес минимален.
Можно ли спуститься без теплозащиты? Вполне можно.
Несколько раз проводили эксперименты по спуску на надувном крыле. Но вроде так и не нашли куда оно упало.
Но вот например вторая ступень "энергии" (которая бак из-под водорода) спокойно упала из космоса в океан. Сохранив герметичность. Потому как площадь большая, а масса маленькая.

   О том, что вполне можно уменьшить степень теплозащиты при увеличении площади крыльев (и корпуса) говорит проект Skylon http://science.compulenta.ru/612326, где нет никаких навороченных приклеиваемых углеродистых плиток для теплозащиты. Хотя проект весьма сомнителен по двигательной части, аэродинамика и теплозащита наверняка просчитаны правильно.

[armadillo]

В SABRE, по проекту, поступает газ, разогретый до 1 000 ˚С; прежде чем подвергнуться компрессии и сгоранию вместе с водородом, он столь же реактивно должен охладиться. У британцев на сей счёт есть «секретный» (как он устроен, не сообщается) теплообменник, который якобы охлаждает поток до –130 ˚С.

Химера. В 90-е рисовали поумнее картинки.

[Крупин]

В SABRE, по проекту, поступает газ, разогретый до 1 000 ˚С; прежде чем подвергнуться компрессии и сгоранию вместе с водородом, он столь же реактивно должен охладиться. У британцев на сей счёт есть «секретный» (как он устроен, не сообщается) теплообменник, который якобы охлаждает поток до –130 ˚С.

Химера. В 90-е рисовали поумнее картинки.

   Я того же мнения, что с точки зрения эффективности двигателя - химера. Но речь об аэродинамике. Skylon ширококрылый с хорошим планеризмом. Он может долго держаться на широких крылах в верхней атмосфере, где не столь сильный разогрев. В плотные слои он войдёт уже очень замедлившись. Шатлы же - почти без крыльев. Они проваливались топориком в нижние слои на высокой скорости.

[armadillo]

Skylon ширококрылый с хорошим планеризмом. Он может долго держаться на широких крылах в верхней атмосфере, где не столь сильный разогрев. В плотные слои он войдёт уже очень замедлившись.

крайне сомнительно. там, где существует собственно подъемная сила - разрежение на верхней поверхности, уже все плотно и жарко. Выше имеет значение только мидель.

[ChakO]

надо придумать что-то такое, что может быстро переводить "большое" тепло в "другой вид энергии". тогда проблемы не будет