Die aerodynamische Erwärmung hängt davon ab, wie dicht die Atmosphäre ist und wie schnell Sie sich durch sie bewegen.Dichte Luft und hohe Geschwindigkeit bedeuten mehr Erwärmung.Wenn die Rakete abgefeuert wird, startet sie in dem Teil der Atmosphäre, der am dichtesten ist und in zunehmend weniger dichte Luft beschleunigt, bei einer Geschwindigkeit von Null.Während des Startprofils ist die Menge der atmosphärischen Erwärmung gering.Beim Wiedereintritt steigt es nicht mit der Geschwindigkeit Null, sondern mit seiner Umlaufgeschwindigkeit in die Atmosphäre ab, und wenn es in Richtung Erde fällt, nimmt es an Geschwindigkeit zu, wenn der Radius seiner Umlaufbahn abnimmt.Wenn es in Luft läuft, die dicht genug ist, um eine Erwärmung zu verursachen, bewegt es sich mit enormer Geschwindigkeit und es wird sehr, sehr heiß.

Kürzlich habe ich über Raumschiffe gelesen, die mit einem Hitzeschild in die Erde eindringen. Beim Verlassen der Erdatmosphäre erwärmt es sich jedoch nicht und benötigt daher keinen Hitzeschild. Warum ist das so?

Ein Raumschiff beim Start von does erwärmt sich, nur nicht in dem Maße, wie es beim Wiedereintritt funktioniert. Und es erwärmt sich aus dem gleichen Grund - Luftwiderstand, der adiabatische Luftkompression und atmosphärische Reibung umfasst. Der Hauptunterschied zwischen Start und Wiedereintritt besteht darin, dass es sich um zwei verschiedene Flugprofile handelt, mit denen die Widerstandsvariable optimiert werden soll (weniger Widerstand beim Start, mehr Widerstand beim Wiedereintritt). ( Dies ist eine vereinfachte Aussage, um die Frage des OP bezüglich der Fahrzeugheizung zu beantworten. Echter Raketenstart und Wiedereintrittsdynamik sind Optimierungen mit mehreren Variablen. )

Beim Start verbringt die Rakete den ersten Teil des Fluges damit, an Höhe zu gewinnen, um in die obere Atmosphäre zu gelangen, in der die Luft weniger dicht ist. Dann schaltet es in ein Quergeschwindigkeitsregime um, um die notwendige Quergeschwindigkeit zu erhalten, um eine Umlaufbahn zu erhalten. Das Raketenprofil versucht, den Luftwiderstand zu minimieren, da es sich um Kraftstoffverschwendung handelt. Weniger Luftwiderstand = weniger Erwärmung.

Sehen Sie sich das Startprofil unten an. Sie sehen die ersten Momente des Starts, in denen sich die Rakete im Verhältnis zu ihrer Höhe nicht viel nach unten bewegt. In den späteren Abschnitten des Fluges beginnt es sich seitlich zu bewegen, sobald es aus dem dichten, unteren Teil der Atmosphäre ausgestanzt ist. Sie können sogar sehen, dass die maximalen aerodynamischen Kräfte, Max-Q (Luftwiderstand), in der Atmosphäre sehr gering sind, hauptsächlich aufgrund der Dichte der Luft.

Ich weiß dann, dass sich das Raumschiff beim Eintritt in die Erde aufgrund verschiedener Kräfte wie Schwerkraft, Widerstand und Reibung erwärmt, wodurch es sich erwärmt.

Beim Wiedereintritt wird das Flugprofil optimiert, um einen erhöhten Luftwiderstand zu erfahren und gleichzeitig ein überlebensfähiges Maß an Verzögerung und thermischer Belastung aufrechtzuerhalten. Sie tun dies, weil das Fahrzeug die Umlaufgeschwindigkeit (in der Größenordnung von 16.000 Meilen pro Stunde) verlieren muss. Der billigste Weg, dies zu tun, besteht darin, sich durch atmosphärischen Widerstand verlangsamen zu lassen. Die Technik heißt Aerobraking. Weil sie das Flugprofil so konzipiert haben, dass es im Vergleich zum Start einen erhöhten Luftwiderstand erzeugt, und weil die Geschwindigkeit, mit der es in die Atmosphäre eindringt, viel mehr Wärme aufbaut als beim Start. Mehr Luftwiderstand, mehr Geschwindigkeit = mehr Heizung.

Die erzeugte Wärme stammt einfach aus der Energieeinsparung. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs wird durch Ablation (des Wiedereintrittsschilds), adiabatische Luftkompression und andere Effekte als Wärme abgegeben. Die kinetische Energie des Fahrzeugs wird in Wärmeenergie umgewandelt, was zu einem Geschwindigkeitsverlust führt. Genau wie in Ihrem Auto sind die Bremsen beim Anhalten sehr heiß geworden, weil sie den KE des Fahrzeugs in Wärmeenergie umgewandelt haben.

Sehen Sie sich nun die folgenden Wiedereintrittsprofile an. Sie bemerken, dass sie einen nahezu ebenen Teil in der Mitte haben. Hier wird das Aerobraking-Manöver durchgeführt.

Wenn sie kein Aerobraking verwenden würden, müsste das Fahrzeug genügend Raketentreibstoff mitführen, um gegen die Bewegungsrichtung zu feuern, bis die Relativgeschwindigkeit ausreichend langsam ist, um ohne Erwärmung und / oder Zerfall des Fahrzeugs abzusinken. Diese Art der Landung ohne Aerobraking ist also möglich (wie wir auf luftlosen Monden landen), aber äußerst ineffizient.

Geschwindigkeit und Effizienz.

Ein Objekt, das versucht, in die Umlaufbahn zu gelangen, bewegt sich in einer ziemlich steilen Parabel. Je länger Sie in der Atmosphäre verbringen, desto mehr Energie verlieren Sie beim Ziehen und desto mehr verlieren Sie beim Ziehen, desto mehr Kraftstoff benötigen Sie. Eine solide Strategie, um eine Umlaufbahn zu erreichen, besteht darin, mit einer minimalen Kurve zur Zielumlaufbahn zu gelangen und dann zu brennen, bis Sie die richtige Seitengeschwindigkeit haben. Ein Grund dafür ist, dass sich eine Erhöhung Ihrer Umlaufgeschwindigkeit auf Ihre Höhe von 180 Grad auf der gegenüberliegenden Seite Ihrer Umlaufbahn auswirkt.

Ein deorbitierendes Objekt verliert an Geschwindigkeit (dringend, siehe Anmerkung 1), und Sie möchten im Allgemeinen die Atmosphäre zum Bremsen nutzen, da Kraftstoff zum Bremsen der teuerste Kraftstoff auf der Fahrt ist. Das bedeutet, dass Sie mit einem Großteil Ihrer verbleibenden Umlaufgeschwindigkeit in die Atmosphäre eintreten und mindestens 8 km / s benötigen, um in einer niedrigen Umlaufbahn zu bleiben. Wenn Sie so schnell unterwegs sind, kann die Luft einfach nicht schnell genug aus dem Weg gehen, und jedes Mal, wenn Sie etwas komprimieren, erwärmen Sie es auch.

Oder wenn Sie eine einfachere Antwort wünschen: Das Aufheizen aufgrund der Atmosphäre kostet Sie Energie. Sie möchten dies beim Aufstieg so weit wie möglich vermeiden und es beim Zurückkommen nutzen.

Entschuldigung, wenn diese Antwort unzusammenhängend klingt. https://what-if.xkcd.com/58/ geht viel detaillierter als ich hier und mit wesentlich besserer Autorität als ich zu diesem Thema. Vielleicht möchten Sie auch https://what-if.xkcd.com/24/ und https://what-if.xkcd.com/28/ für weitere Informationen zu Start- bzw. Wiedereintrittsprofilen.

Anmerkung 1 bearbeiten: Ich denke, ich sollte diesbezüglich klarer sein ... Ein Objekt, das versucht zu deorbieren, versucht, an Geschwindigkeit zu verlieren, aber es ist nicht genau zu sagen, dass es die ganze Zeit verlangsamt.

Während des ersten Teils eines Deorbits verringert das Objekt seine Beschleunigung, während seine Geschwindigkeit zunimmt. Es beginnt erst dann richtig abzubremsen, wenn es ziemlich suborbital ist.Das wird wahrscheinlich ungefähr an dem Punkt sein, an dem Aerobraking seine Arbeit macht, irgendwo im Bereich von 40-60 km Höhe.Wo genau sich die Spitzengeschwindigkeit befindet, hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Endgeschwindigkeit des Objekts und der Menge an Kraftstoff, die Sie verbrauchen müssen.

Der Punkt, den ich unbedingt anstrebte, ist, dass ein Objekt, das deorbitieren möchte, auch an Geschwindigkeit verlieren möchte, um dies auf weniger destruktive Weise zu erreichen.

Beim Start wird die Geschwindigkeitsänderung von den Raketentriebwerken bereitgestellt. Während die Rakete fliegt, wirft sie Masse in Form von Raketenabgasen weg - typischerweise sind mehr als 90% der ursprünglichen Masse der Rakete Treibmittel. Da der Schub bei abnehmender Masse nahezu konstant bleibt, nimmt die Beschleunigung im Verlauf des Starts zu¹, so dass ein Großteil der Geschwindigkeitssteigerung spät im Flug erfolgt, wenn sich die Rakete außerhalb des dichtesten Teils der Atmosphäre befindet, und so viel weniger Kompressionswärme erzeugt (obwohl David Hammen richtig ist, dass die Nutzlastverkleidung erhebliche Aufmerksamkeit auf das thermische Design erfordert). Die Beschleunigung auf Orbitalgeschwindigkeit erfolgt über einen ziemlich langen Zeitraum - normalerweise 10 bis 15 Minuten, abhängig von der Konstruktion des Trägers.

Beim Wiedereintritt wird die Geschwindigkeit durch den Luftwiderstand geändert. Dies kann offensichtlich erst geschehen, wenn sich das wieder eintretende Raumschiff in einer relativ dichten Atmosphäre befindet. Sobald es anfängt, sich signifikant zu verlangsamen, gibt es einen positiven Rückkopplungseffekt; Wenn die horizontale Geschwindigkeit des Fahrzeugs abnimmt, verliert es schneller an Höhe² und bringt es in dichtere Luft, wodurch es noch schneller abgebremst wird. Aus diesem Grund erfolgt der überwiegende Teil der Verzögerung über einen sehr kurzen Zeitraum von etwa zwei Minuten. Die gesamte mit der Umlaufgeschwindigkeit verbundene kinetische Energie wird in diesem Zeitraum in Wärme umgewandelt.

¹ Die meisten echten Raketen sind mehrstufig, was dies erschwert, aber es ist immer noch eine grobe Annäherung.

² Kompliziert in realen Fahrzeugen durch Auftriebseffekte, die einen Teil des Höhenverlusts aufheben oder ihn sogar in Flugbahnen mit Sprungeintritt umkehren, wodurch die Wiedereintrittsphase zeitlich verlängert werden kann, wodurch die G-Kraft auf die Besatzung verringert wird und Spitzentemperatur der Flugzeugzelle, aber Verlängerung der Gesamtdauer von Erwärmung und Belastung.

T Es gibt theoretisch absolut keine Notwendigkeit, ein Raumschiff aufzuheizen.

Im Wesentlichen können wir das Raumschiff wie eine Feder in die Umlaufbahn bewegen, vertikal auf und ab ... theoretisch . Die anderen Antworten sagen dies nicht explizit.

Aber es gibt ein sehr hässliches Problem für Ingenieure, die Tsiolkovsky-Raketengleichung und die sehr tiefe Schwerkraftquelle der Erde.

$ v_e $ wird durch die von uns verwendeten Treibmittel begrenzt. Wir verwenden wirklich nahezu optimale chemische Treibmittel mit Wasserstoff / Sauerstoff (Kerosin für die unterste Stufe), sodass keine echte Optimierung möglich ist.

$ ln \ frac {m0} {mf} $ wird ebenfalls so weit wie möglich optimiert, Raketen werden auf das absolute Minimum reduziert, aber ein Verhältnis von 10: 1 grenzt an technische Grenzen.

Trotz aller Optimierungen reicht dies immer noch nicht aus, um die Erde zu verlassen .

Wir brauchen also mehrere Stufen, um die Umlaufbahn zu erreichen. So können wir endlich die Erde verlassen, aber ... wie kommen wir zurück? Wir würden Treibstoff brauchen, um uns wieder zu verlangsamen, aber wir haben nicht wirklich Treibstoff übrig.

Also beschlossen die Ingenieure, atmosphärischen Eintritt zu verwenden, um das Raumschiff mit einem Hitzeschild zu verlangsamen. Eine weichere Methode ist Aerobraking, um die Geschwindigkeit bei mehreren Durchgängen durch die Atmosphäre zu verringern. Wenn wir ein Fackelschiff hätten, das nicht mit den Raketenbeschränkungen funktioniert, wäre das eine wirklich schöne Sache, da wir die gefährliche und unnötige Wiedereintrittsphase nicht benötigen würden.

Während es bereits richtig beantwortet wurde, ein Vorschlag, um ein besseres Bild davon zu bekommen: Das Spiel Kerbal Space Program. Obwohl es sicherlich keine perfekte Simulation der Raumfahrt ist, ist es gut genug, um Ihnen eine ziemlich gute Vorstellung von den meisten davon zu geben.

Drehen Sie zu früh und Ihre Rakete überhitzt sich und bläst sich in Stücke. Selbst wenn Sie fliegen, was MechJeb (ein sehr beliebter Mod) sagt, ist dies eine optimale Flugbahn. Sie erhalten eine beträchtliche Menge an Wärme, wenn diese horizontal am Rande der Atmosphäre verläuft.

Während dies verschwenderisch erscheinen mag, zeigen einige Experimente mit dem wiederholten Abschuss derselben Rakete mit unterschiedlichen Parametern, dass die Heizung weniger Kraftstoff kostet als das höhere Klettern. Die glatte Vorderseite der Rakete ist hier ein wichtiger Faktor - wenn Sie versuchen, einen Gräuel zu fliegen, der dem Luftstrom kein glattes Gesicht verleiht (das Entfalten ist nur auf der Ebene einzelner Teile wirksam. Kombinieren Sie dies mit der Notwendigkeit eines Großer Radstand, um einen relativ stabilen Rover auf Low-G-Welten zu schaffen, und Sie können Rover haben, die Sie nicht in eine Verkleidung bekommen können.) Sie müssen vor dem Abbiegen weiter nach außen gehen.

Raumfahrzeuge erwärmen sich tatsächlich, wenn sie die Atmosphäre verlassen.Sie leiden wie alles andere unter aerodynamischer Erwärmung.Es gibt jedoch einen großen Unterschied: die Richtung.Wenn Sie nach oben beschleunigen, reisen Sie schneller und schneller durch eine immer dünnere Atmosphäre.Diese heben sich teilweise gegenseitig auf und halten Ihre Heizung angemessen.Auf dem Weg nach unten reisen Sie in eine immer dickere Atmosphäre und müssen die Wärme auf Ihrem Weg abführen.

Wenn Sie beispielsweise von einer Railgun abgefeuert würden, würden Sie am Anfang die größte Erwärmung erleben, wenn Sie in niedrigen Höhen (dicke Atmosphäre) sehr schnell fahren.

Wenn Sie der Meinung sind, dass der Wiedereintritt in Bezug auf die Erwärmung symmetrischer zum Start sein sollte, beachten Sie Folgendes: Auf der Unterseite der abgefeuerten Rakete befindet sich eine große Kugel aus wütendem Feuer, die mindestens so heiß ist wie der Wiedereintritt.

Wenn ein Objekt, das die Erde umkreist, in den absteigenden Pfad des Wiedereintritts eintritt, hat es eine enorme Geschwindigkeit, daher eine enorme kinetische Energie, und es hat auch eine potentielle Energie von ungefähr m.g.h. Da 100 km ein Bruchteil des Erdradius von 6,7 km sind, können wir die potentielle Energie wie in der obigen Gleichung annehmen. Bei einer Umlaufbahn von 100 Kilometern Höhe beträgt diese Geschwindigkeit etwa 8 km / s.

Ich glaube nicht, dass jemals jemand die große Impotenz des aerodynamischen Auftriebs erwähnt hat.Das Space Shuttle ist ein geflügeltes Fahrzeug, das gleiten kann, und obwohl das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand sehr gering ist (weniger als 1,0), kann es beim Abbremsen eine sehr flache Gleitbahn erreichen.Auf diese Weise kann es einen Großteil seiner Geschwindigkeit verbrennen, während es sich noch im oberen Teil der Atmosphäre befindet, und sich viel langsamer fortbewegen, wenn es auf die dichtere Luft trifft.Miete ohne Aufzug nennt man ballistisch.Es erzeugt sehr viel größere g-Kräfte und Heizraten.

Das abhebende Raumschiff befindet sich bereits außerhalb der Stratosphäre, wenn es die Geschwindigkeit hat, die ein Wiedereintritts-Raumschiff besitzt, wenn es in die Stratosphäre eintritt.Die Stratosphäre erstreckt sich nur etwa 100 Meilen über dem Meeresspiegel.

Da eine Rakete vertikal abhebt, klärt sie die Stratosphäre in weniger als 8 Minuten und lange bevor sie die Geschwindigkeit hat, eine nennenswerte Reibung in diesem Teil der Atmosphäre zu verursachen.

Das Wiedereintritts-Raumschiff hingegen nutzt die Atmosphäre, um die Umlaufgeschwindigkeit zu verlangsamen.Es muss von 8 auf 10 km / s auf eine viel langsamere Geschwindigkeit verlangsamt werden, um entweder einen Fallschirm einzusetzen oder auf einer ausgedehnten Landebahn zu landen.Dies ist eine sehr signifikante Verringerung der Geschwindigkeit, und die Reibung in der Atmosphäre bewirkt diese Verringerung.Da Reibung Wärme verursacht und viel Zeit in der Atmosphäre verbracht werden muss, um die Geschwindigkeit zu verringern, ist ein Hitzeschild für Verdunstungsfliesen erforderlich.