Le chauffage aérodynamique dépend de la densité de l'atmosphère et de la vitesse à laquelle vous vous déplacez;un air dense et une vitesse élevée signifient plus de chauffage.Lorsque la fusée est lancée, elle part de vitesse nulle dans la partie de l'atmosphère qui est la plus dense et accélère dans un air de moins en moins dense;ainsi, pendant le profil de lancement, la quantité de chauffage atmosphérique est faible.Lors de sa rentrée, il descend dans l'atmosphère en commençant non pas à vitesse nulle mais à sa vitesse orbitale, et à mesure qu'il tombe vers la terre, il prend de la vitesse à mesure que le rayon de son orbite diminue.Au moment où il pénètre dans l'air suffisamment dense pour provoquer un chauffage, il se déplace à une vitesse énorme et il devient très, très chaud.

Récemment, j'ai lu des articles sur les vaisseaux spatiaux entrant dans la Terre à l'aide d'un bouclier thermique. Cependant, à la sortie de l'atmosphère terrestre, il ne chauffe pas, il n'a donc pas besoin de bouclier thermique. Pourquoi est-ce ainsi?

Un vaisseau spatial au lancement does chauffe, mais pas au degré qu'il le fait à la rentrée. Et il chauffe pour la même raison - la traînée atmosphérique, qui comprend la compression d'air adiabatique et le frottement atmosphérique. La principale différence entre le lancement et la rentrée est qu'il s'agit de deux profils de vol différents destinés à optimiser la variable de traînée (moins de traînée au lancement, plus de traînée à la rentrée). ( Ceci est une déclaration simplifiée pour répondre à la question du PO concernant le chauffage du véhicule - les véritables dynamiques de lancement et de rentrée de fusée sont des optimisations à plusieurs variables. )

Lors du lancement, la fusée passe la première partie du vol à tenter de gagner de l'altitude pour se rendre dans la haute atmosphère où l'air est moins dense. Ensuite, il bascule dans un régime de vitesse latérale pour obtenir la vitesse latérale nécessaire pour obtenir l'orbite. Le profil de la fusée tente de minimiser la traînée car il s'agit d'un gaspillage de carburant. Moins de traînée = moins de chauffage.

Regardez le profil de lancement ci-dessous. Vous voyez les instants initiaux du lancement, la fusée ne se déplace pas beaucoup vers le bas, par rapport à son altitude. C'est dans les dernières parties du vol qu'il commence à se déplacer latéralement une fois qu'il est sorti de la partie dense et inférieure de l'atmosphère. Vous pouvez même voir que les forces aérodynamiques maximales, Max-Q (traînée), sont ressenties très faibles dans l'atmosphère, principalement à cause de la densité de l'air.

Je sais alors qu'en entrant sur terre, le vaisseau spatial se réchauffera en raison de diverses forces telles que la gravité, la traînée et la friction agissant sur lui, le faisant ainsi chauffer.

Lors de la rentrée, le profil de vol est optimisé pour subir une traînée accrue tout en maintenant un niveau de décélération et de charge thermique qui peut survivre. Ils le font parce que le véhicule doit perdre sa vitesse orbitale (de l'ordre de 16 000 mph) et le moyen le moins cher de le faire est de laisser la traînée atmosphérique vous ralentir. La technique s'appelle aérobraking. Parce qu'ils ont conçu le profil de vol pour générer une traînée accrue (par rapport au lancement) et parce que la vitesse avec laquelle il pénètre dans l'atmosphère, il subit une accumulation de chaleur beaucoup plus grande qu'au lancement. Plus de traînée, plus de vitesse = plus de chauffage.

La chaleur générée provient simplement de la conservation de l'énergie. La vitesse du véhicule est évacuée sous forme de chaleur via l'ablation (du bouclier de rentrée), la compression d'air adiabatique et d'autres effets. L'énergie cinétique du véhicule est transformée en énergie thermique, entraînant une perte de vitesse. Tout comme dans votre voiture, lors d'un arrêt, les freins sont devenus très chauds car ils ont converti la KE du véhicule en énergie thermique.

Maintenant, regardez les profils de réentrée ci-dessous. Vous remarquez qu'ils ont une partie proche de niveau au milieu. C'est là que la manœuvre d'aérofreinage est effectuée.

S'ils n'utilisaient pas l'aérofreinage, le véhicule devrait transporter suffisamment de carburant pour fusée pour tirer dans le sens contraire du mouvement jusqu'à ce que la vitesse relative soit suffisamment lente pour descendre sans échauffement et / ou désintégration du véhicule. Donc, cette méthode d'atterrissage, sans aérobraquage est possible (c'est comme ça que nous atterrissons sur des lunes sans air), mais extrêmement inefficace.

Vitesse et efficacité.

Un objet essayant de se mettre en orbite voyagera dans une parabole assez raide. Plus vous passez de temps dans l'atmosphère, plus vous perdez d'énergie à traîner, et plus vous en perdez à traîner, plus vous avez besoin de carburant. Une stratégie solide pour atteindre l'orbite consiste donc à atteindre votre orbite cible avec une courbe minimale, puis à brûler jusqu'à ce que vous ayez la bonne vitesse latérale. Cela s'explique en partie par le fait que l'augmentation de votre vitesse orbitale affecte votre altitude à 180 degrés, de l'autre côté de votre orbite.

Un objet en désorbitation perdra de sa vitesse (urgence, voir la note d'édition 1) et vous souhaitez généralement utiliser l'atmosphère pour vous aider à freiner, car le carburant pour le freinage est le carburant le plus cher du voyage. Cela signifie que vous entrez dans l'atmosphère avec une grande partie de votre vitesse orbitale à gauche et que vous avez besoin d'au moins 8 km / s pour rester sur une orbite basse. Lorsque vous voyagez aussi vite, l'air ne peut tout simplement pas s'échapper assez rapidement, et chaque fois que vous compressez quelque chose, vous le réchauffez également.

Ou si vous voulez une réponse plus simple: chauffer à cause de l'atmosphère vous coûte de l'énergie, vous voulez éviter cela autant que possible en montant et en profiter en redescendant.

Désolé si cette réponse semble incohérente. https://what-if.xkcd.com/58/ va dans beaucoup plus de détails que je ne peux ici et avec une autorité bien meilleure que moi sur le sujet. Vous pouvez également consulter https://what-if.xkcd.com/24/ et https://what-if.xkcd.com/28/ pour plus d'informations sur les profils de lancement et de rentrée respectivement.

Modifier la note 1: Je suppose que je devrais être plus clair à ce sujet ... un objet essayant de se désorbiter essaie de perdre de la vitesse mais il n'est pas exact de dire qu'il ralentit tout le temps.

Pendant la première partie d'une désorbitation, l'objet diminue son accélération tandis que sa vitesse augmente, il ne commence pas à décélérer correctement jusqu'à ce qu'il soit assez suborbital.C'est probablement à peu près au point où l'aérofreinage fait son travail, quelque part dans la zone de 40 à 60 km.L'endroit exact où se trouve la vitesse de pointe dépend de beaucoup de choses, y compris la vitesse terminale de l'objet et la quantité de carburant à utiliser.

Ce que j'essayais, mal, de faire valoir, c'est qu'un objet qui veut se désorbiter veut également perdre de la vitesse pour que cela se produise de manière moins destructrice.

Au lancement, le changement de vitesse est fourni par les moteurs de fusée. Au fur et à mesure que la fusée vole, elle jette de la masse sous forme d'échappement de fusée - généralement plus de 90% de la masse initiale de la fusée est du propulseur. Parce que la poussée reste presque constante tandis que la masse diminue, l'accélération augmente au cours du lancement¹, une grande partie de l'augmentation de la vitesse se produit tard en vol, lorsque la fusée est à l'extérieur de la partie la plus dense de l'atmosphère, donc beaucoup moins de chaleur de compression est généré (bien que David Hammen ait raison de dire que le carénage de la charge utile nécessite une attention particulière à la conception thermique). L'accélération à la vitesse orbitale se produit sur une période de temps assez longue - généralement 10 à 15 minutes selon la conception du lanceur.

Lors de la rentrée, le changement de vitesse est fourni par la résistance de l'air; cela ne peut évidemment pas se produire tant que le vaisseau spatial qui rentre n'est pas dans une atmosphère relativement dense. Une fois qu'il commence à décélérer de manière significative, il y a un effet de rétroaction positif; à mesure que la vitesse horizontale de l'engin diminue, il perd de l'altitude plus rapidement², l'amenant dans un air plus dense, ce qui le décélère encore plus rapidement. Pour cette raison, la grande majorité de la décélération se produit sur une très courte période de temps, environ deux minutes. Toute l'énergie cinétique associée à la vitesse orbitale est convertie en chaleur pendant cette période.

¹ La plupart des vraies fusées sont à plusieurs étages, ce qui complique les choses, mais cela reste fidèle à une approximation approximative.

² Compliqué dans les vaisseaux du monde réel par des effets de portance, qui annulent une partie de la perte d'altitude ou même l'inversent dans des trajectoires de saut d'entrée, permettant à la phase de rentrée d'être prolongée dans le temps, réduisant la force g sur l'équipage et la température de pointe de la cellule, mais en prolongeant la durée totale d'échauffement et de stress.

Il n'est théoriquement absolument pas nécessaire de chauffer un vaisseau spatial.

Essentiellement, nous pouvons déplacer le vaisseau spatial comme une plume en orbite, verticalement de haut en bas ... théoriquement . Les autres réponses ne le disent pas explicitement.

Mais il y a un problème très affreux pour les ingénieurs, l ' équation de la fusée Tsiolkovsky et le puits de gravité très profond de la terre.

$ v_e $ est limité par les propulseurs que nous utilisons. Nous utilisons vraiment des propulseurs chimiques presque optimaux avec hydrogène / oxygène (kérosène pour l'étage le plus bas), donc aucune optimisation réelle n'est possible.

$ ln \ frac {m0} {mf} $ est également optimisé dans la mesure du possible, les roquettes sont réduites au strict minimum, mais un rapport de 10: 1 frôle les limites techniques.

Malgré chaque optimisation, cela ne suffit toujours pas pour quitter la Terre .

Nous avons donc besoin de plusieurs étapes pour atteindre l'orbite. Donc, nous pouvons enfin sortir de la Terre, mais ... comment pouvons-nous revenir? Nous aurions besoin de carburant pour nous ralentir à nouveau, mais nous n'avons pas vraiment de carburant à dépenser.

Les ingénieurs ont donc décidé d'utiliser l'entrée atmosphérique pour ralentir le vaisseau spatial avec un bouclier thermique. Une méthode plus douce est l ' aérofreinage pour réduire la vitesse avec plusieurs passages dans l'atmosphère. Si nous avions un torchship qui ne fonctionne pas avec les limitations des fusées, ce serait une très bonne chose car nous n'aurions pas besoin de la phase de rentrée dangereuse et inutile.

Bien qu'il ait déjà été correctement répondu, une suggestion pour en avoir une meilleure idée: le jeu Kerbal Space Program. Bien que ce ne soit certainement pas une simulation parfaite de vol spatial, elle est assez bonne pour vous donner une assez bonne idée de la plupart d'entre eux.

Tournez trop tôt et votre fusée surchauffe et se brise en morceaux. Même voler ce que MechJeb (un mod très populaire) dit est une trajectoire optimale, vous obtenez une quantité appréciable de chauffage car il devient horizontal dans les franges de l'atmosphère.

Bien que cela puisse sembler inutile, certaines expériences avec le lancement de la même fusée à plusieurs reprises avec des paramètres différents montrent que le chauffage vous coûte moins de carburant que la première montée. L'avant lisse de la fusée est un facteur important ici - si vous essayez de voler une abomination qui ne présente pas une face lisse au flux d'air (le déploiement n'est efficace qu'au niveau des pièces individuelles. Combinez cela avec le besoin d'un grand empattement pour faire un rover raisonnablement stable sur les mondes à faible g et vous pouvez vous retrouver avec des rovers que vous ne pouvez pas mettre dans un carénage) vous devez aller plus loin avant de tourner.

Les vaisseaux spatiaux se réchauffent en effet lorsqu'ils quittent l'atmosphère.Ils souffrent d'un chauffage aérodynamique comme tout le reste.Cependant, il y a une différence majeure: la direction.Au fur et à mesure que vous accélérez vers le haut, vous voyagez dans une atmosphère de plus en plus fine, de plus en plus vite.Ceux-ci s'annulent partiellement, ce qui maintient votre chauffage à un niveau raisonnable.En descendant, vous voyagez dans une atmosphère de plus en plus épaisse et devez dissiper la chaleur au fur et à mesure.

Si vous étiez, par exemple, tiré d'un canon à rail, vous ressentiriez la plus grande chaleur au début, où vous allez très vite à basse altitude (atmosphère épaisse).

Si vous pensez que la rentrée devrait être plus symétrique avec le lancement en termes de chauffage, considérez ceci: au bas de la fusée en cours de lancement se trouve une grosse boule de feu en colère qui est au moins aussi chaude que la rentrée.

Lorsqu'un objet en orbite autour de la Terre entre dans le chemin descendant de rentrée, il a une vitesse énorme, donc une énorme énergie cinétique et il a également une énergie potentielle d'environ m.g.h. Parce que 100 km est une fraction de 6,7 km de rayon de la Terre, nous pouvons supposer l'énergie potentielle comme ci-dessus l'équation. Pour une orbite de 100 kilomètres d'altitude, cette vitesse est d'environ 8 km / s.

Donc, l'énergie du vaisseau spatial E = 1 / 2m (masse orbitale) * V ^ 2 + m.g.100 km

Et la quasi-totalité de cette énergie, moins les petites vitesses de l'ordre de 0,1km / s lorsque les parachutes sont déployés, doit être dissipée par frottement de l'atmosphère terrestre! Pour aggraver les choses, la densité de l'atmosphère ne sera pas significative jusqu'à ce qu'une très mince couche d'air commence à environ 50 km d'altitude et augmente progressivement jusqu'au niveau de la mer. Cette énorme friction sur le bouclier thermique du vaisseau spatial sur une très courte période de temps crée une chaleur extrême et des températures très élevées!

Cependant, pendant le décollage et l'ascension, la fusée et le vaisseau spatial se déplacent initialement à travers des couches d'air denses très lentement et à mesure que la vitesse augmente, l'air s'amincit inversement, d'où la friction est maintenue à des niveaux tolérables!

Je ne pense pas que quiconque ait encore évoqué la grande impuissance de la portance aérodynamique.La navette spatiale est un véhicule ailé qui peut planer, et même si son rapport portance / traînée est très faible (moins de 1,0), elle peut atteindre une trajectoire de plané très plate en décélérant.De cette façon, il peut brûler une grande partie de sa vitesse tout en restant dans la partie supérieure de l'atmosphère et se déplacer beaucoup plus lentement lorsqu'il frappe l'air plus dense.La location sans ascenseur est appelée balistique.Cela crée des forces g et des vitesses de chauffage beaucoup plus importantes.

Le vaisseau spatial qui décolle est déjà en dehors de la stratosphère lorsqu'il a la vitesse que possède le vaisseau spatial de rentrée lorsqu'il pénètre dans la stratosphère.La stratosphère ne s'étend que sur environ 100 miles au-dessus du niveau de la mer.

Puisqu'une fusée décolle verticalement, elle dégagera la stratosphère en moins de 8 minutes et bien avant qu'elle n'ait la vitesse de provoquer une friction appréciable dans ladite partie de l'atmosphère.

Le vaisseau spatial de rentrée, quant à lui, utilise l'atmosphère pour ralentir à partir de la vitesse orbitale.Il doit ralentir de 8 à 10 km / s à une vitesse beaucoup plus lente pour déployer le parachute ou atterrir sur une piste prolongée.Il s'agit d'une réduction de vitesse très importante et le frottement dans l'atmosphère est ce qui accomplit cette réduction.Étant donné que le frottement provoque de la chaleur et qu'il faudra passer un temps considérable dans l'atmosphère pour réduire la vitesse, un écran thermique à carreaux évaporatifs est nécessaire.