Кратко и по существу — какие процессы и как на них влияют параметры входа, и какие модели применяют.
1) Физика явлений
- Формирование ударной волны и сжатие газа. При сверхзвуковом входе вокруг корпуса возникает сильный ближний (bow) шок — газ резко нагревается до очень высоких температур.
- Химическая неравновесность, диссоциация и ионизация. Возникшее горячее газовое облако диссоциируется и ионизируется — образуется плазма, которая излучает (радиация) и взаимодействует с поверхностью.
- Аэродинамический (конвективный) и радиационный нагрев. Поток горячих частиц переносит теплоту на поверхность (конвекция/проводимость), а возбуждённые атомы/молекулы и молекулы-деионы излучают фотоны, которые тоже поглощаются обшивкой (радиативный вклад).
- Электромагнитные нарушения связи. Плазма препятствует прохождению радиоволн: при частоте плазмы выше частоты сигнала происходит отражение/блокировка; при существенной частоте столкновений электроны — поглощение/демпфирование сигнала.
2) Ключевые соотношения (в форме формул)
- Динамическое давление (нагрузка воздуха на тело): $q_{\text{dyn}}=\frac{1}{2}\rho V^2$.
- Типичное приближённое скалирование стагнационного (точечного) конвективного потока тепла для тупого обтекателя (Fay–Riddell / Sutton–Graves):
${\dot{q}}_s\propto \frac{\sqrt{{\rho }_{\infty }}{V}_{\infty }^3}{\sqrt{R_n}}$,
где $R_n$ — радиус закругления носовой части; точные формулы содержат константы и поправки на состав газа.
- Интегральный тепловой заряд (полная теплонагрузка): $Q=\int \dot{q}(t)dt$ — важен для толщины и абляции теплозащиты.
- Плазменная частота электрона (критерий отражения радиосигнала):
$f_p=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{n_e{e}^2}{{\epsilon }_0{m}_e}}$. Радиосвязь блокируется, если $f_p$ сравнимо или больше рабочей частоты радиосигнала; также важна частота столкновений ${\nu }_{en}$ (поглощение при ${\nu }_{en}\sim f_{\text{radio}}$).
3) Как влияют плотность, скорость и угол вхождения
- Скорость $V$: самый сильный фактор. Конвективное стагнационное тепло растёт примерно как $V^3$ (в приближениях), радиационный вклад растёт ещё сильнее при очень больших скоростях (излучение шок-слоя). Динамическое давление растёт как $V^2$.
- Атмосферная плотность $\rho$: увеличение $\rho$ повышает как $\dot{q}$ (через $\sqrt{\rho }$ в стагнационной формуле), так и динамическое давление ($\propto \rho$). При больших высотах (малая $\rho$) применима редкая кинетика (DSMC), при низких — континуальная гидродинамика.
- Угол вхождения $\gamma$: крутой (большой) угол даёт короткий, но интенсивный пережигание — высокий пик нагрева и высокой перегрузки (высокое ${\dot{q}}_{\text{max}}$ и $q_{\text{dyn,max}}$), малую общую длительность; мелкий (польёт) угол — более продолжительное взаимодействие, обычно меньшие пики, но большая интегральная теплонагрузка $Q$ и большее рассеяние по пути.
- Геометрия/радиус носа: более тупой/крупный нос увеличивает размер ударного пузыря и уменьшает пик стагнационного нагрева (${\dot{q}}_s\propto 1/\sqrt{R_n}$).
4) Модели и инструменты для прогноза пиковых тепловых и структурных нагрузок
- Инженерные корреляции (быстрый оценочный расчёт): Sutton–Graves, Fay–Riddell (стагнационная тепловая нагрузка), эмпирические формулы для интегрального нагрева и пиков. Используются для быстрого бюджета TPS и траектории.
- Классы численных моделей:
- DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) — для разрежённых верхних слоёв атмосферы (аппликация к начальным фазам входа).
- Решающие уравнения Навье–Стокса с химически неравновесной кинетикой — для плотных участков, моделируют теплообмен, аэродинамику, химреакции.
- Модели радиации (неравновесные: Park, line-by-line, спектральные/бэндовые модели) — для оценки радиационного компонента нагрева на высоких скоростях.
- Модели абляции и термальной проницаемости TPS — связка аэротемпературного поля с прогрессией отслоения/карбонатной/пиролизной абляции и теплофизикой материала.
- Механико-структурные модели (FEA) — для расчёта термоупругих и динамических (ударных) нагрузок и усталостной прочности корпуса.
- Полноценные интегрированные подходы: траекторные симуляторы (интегрирующие аэродинамику, теплофизику и абляцию) + последующая детализация с CFD/NS + радиационные расчёты + FEA для структурного ответа. NASA/ESA/индустрия используют связки: траектория → аэротепловые коррекции → TPS-абляция → структурный анализ.
- Валидация и учет неопределённостей: лабораторные и плазменные камеры, аэродинамические испытания, рефлетационные полёты; чувствительность к параметрам (скорость, плотность, химсостав) критична.
5) Практические выводы (кратко)
- Пик нагрева и структурные пики растут быстро с увеличением скорости; плотность атмосферы и радиус носа сильнопосредованы через формулы выше.
- Для оценки пиков используют сочетание инженерных корреляций (быстро) и детальных CFD/DSMC + радиация + TPS-абляция + FEA (для проектирования и сертификации).
- Черныйout радиосвязи прогнозируется через расчёт плотности электронов и сравнение $f_p$ с рабочей частотой, с учётом столкновений.
Если хотите, могу: 1) дать конкретную формулу Sutton–Graves с численным коэффициентом в SI для оценки ${\dot{q}}_s$; 2) описать типовой рабочий процесс симуляций (последовательность инструментов).