martes, 29 de mayo de 2007

LA REENTRADA


El primer ser vivo que los humanos enviaron al espacio fue una perra llamada Laika. Estoy seguro de que todos los chorlitos habéis escuchado hablar de ella en alguna ocasión. La de Laika es una historia bastante triste, como la de muchos animales que tienen la desgracia de caer en manos humanas, aunque muy pocas veces esos animales terminan siendo mundialmente famosos.


Laika antes de ser enviada al espacio

La idea era que Laika, a bordo del Sputnik 2, orbitara la Tierra durante varios días y finalmente fuera sacrificada al comer comida envenenada. En la práctica sólo sobrevivió unas pocas horas tras llegar al espacio, debido a que falló el sistema de control térmico en órbita. Alrededor del mundo la gente esperaba verla descender en paracaídas desde las alturas, ya que éste era el plan que la Unión Soviética había dado a conocer al público. Pero la realidad era que el Sputnik 2 no estaba preparado para la delicada maniobra de reentrada (así son los rusos), y desde un principio se decidió que lo mejor que podían hacer era practicarle una «eutanasia» (eufemismo para «asesinato»). Cuatro años después, en 1961, Yuri Gagarin, a bordo de la Vostok 1, regresó sano y salvo del espacio tras un vuelo de 1 hora y 48 minutos. Los humanos habían conseguido superar la reentrada atmosférica (porque, como esta vez era un humano el que volvía, sí que había que tomarse la molestia de salvale la vida… así son los humanos).


lanzamiento de la Vostok-1

Lo que piensa la mayoría de los chorlitos es que el calentamiento que sufre una nave durante la reentrada se debe directamente al rozamiento con el aire, en un proceso parecido al que se produce cuando una superficie se desliza en contacto con otra. Pero ésta es una idea equivocada. La reentrada ocurre a velocidades muy altas, en lo que se denomina régimen hipersónico (velocidades mayores de Mach 5). Ya explicamos con anterioridad por qué se producen las ondas de choque y el efecto que tienen sobre el aire. En estas condiciones se forma una onda de choque parecida a la del vuelo supersónico, aunque con efectos mucho más drásticos.


onda de choque y capa límite en vuelo hipersónico

La capa de aire que rodea cualquier cuerpo en movimiento a través de la atmósfera, por efecto de la viscosidad, tiene una velocidad relativa nula con respecto a éste. Podemos imaginarlo por niveles o capas, como si el fluido de alrededor del cuerpo fuera una cebolla. Habrá una capa imediatamente en contacto con el cuerpo que estará inmóvil (desde el punto de vista de un observador que viaje con el cuerpo, claro), y capas sucesivas se deslizarán unas con respecto a otras con una velocidad cada vez mayor, hasta alcanzar toda la velocidad de vuelo lejos del cuerpo (M). La zona donde se produce esta variación de velocidades, desde 0 a M, se conoce como capa límite (ya la hemos nombrado en alguna ocasión). Y si la velocidad es muy, muy alta, el fluido, de alguna manera, debe deshacerse de toda esa energía cinética para llegar a la superficie del cuerpo con velocidad nula.


simulación en túnel de viento de los gases ionizados alrededor del Shuttle

La onda de choque lo consigue con una transformación de energía: por delante, el fluido viaja a temperatura ambiente y muy rápido. Por detrás, su velocidad se ha reducido a cifras más racionales, pero todo el exceso de energía cinética ha sido invertido en elevar la temperatura del aire. Lejos de la onda de choque toda esta energía se va disipando en la atmósfera hasta que el aire vuelve a estar frío e inmóvil, pero cuanto más cerca nos encontremos de ella, más alta será la temperatura. Tanto, de hecho, que viene a ser del orden de los 10.000 grados Kelvin y el aire deja de comportarse como tal, y pasa a estado de plasma ionizado: sus moléculas se disocian, separándose en átomos y adquiriendo carga eléctrica.



La onda de choque está ligada al cuerpo, de modo que, forzosamente, una gran cantidad de calor se transfiere a su suferficie por conducción térmica, siendo éste el motivo de que se alcancen unas temperaturas tan altas. Inicialmente, la intuición decía a los humanos que el calentamiento era causado por la resistencia aerodinámica, de modo que diseñaban los vehículos de reentrada con forma de cuerpo esbelto, tratando de reducir el rozamiento con el aire. Pero, para su sorpresa, en cuanto llegaban a velocidades hipersónicas, se desintegraban (literalmente). La onda de choque en un cuerpo esbelto se sitúa muy cerca de su superficie, de modo que casi no hay aire que disipe toda esa energía y es el cuerpo el que tiene que hacerlo, y el que en consecuencia se calienta muchísimo.


estudio del proceso de reentrada para distintas formas

En 1951 a un tal H. Julian Allen se le ocurrió hacer que el cuerpo fuera romo, aumentando la resistencia aerodinámica. En comparación con los cuerpos esbeltos, esto produce una onda de choque más fuerte (que hace que el aire se caliente más), pero también la aleja del cuerpo, aumentando el volumen de fluido entre la onda y la superficie de éste, lo que hace que gran parte de la disipación de calor se produzca a través del aire y el cuerpo se caliente mucho menos. Este descubrimiento fue tratado como alto secreto militar (cosas de los humanos) hasta el año 1958, en que se publicó este documento: el famoso informe NACA 1381 (A Study of the Motion and Aerodynamic Heating of Ballistic Missiles Entering the Earth’s Atmosphere at High Supersonic Speeds). Claro que, como lo de aumentar la resistencia aerodinámica para bajar la temperatura les parecía una burrada, los humanos que supuestamente sabían del tema necesitaron bastante tiempo y muchos experimentos para terminar de creérselo (la cabezonería también es muy típica de esta especie).


sonda Galileo en su ensamblaje final, de forma cónico-esférica, una de las configuraciones más frecuentemente utilizadas

A pesar de todo esto, una nave durante la reentrada sigue calentándose mucho, de modo que son necesarios sistemas de protección térmica. El más efectivo es el de protección por ablación, que recubre el vehículo con una capa de material que al calentarse se funde y se sublima, enfriando la capa límite (escudo térmico desechable). Otro sistema es el del Shuttle, que lleva un recubrimiento de placas de espuma de sílice en las zonas más críticas a modo de aislante (escudo térmico reutilizable). Se ha utilizado y se utiliza en algunos casos el enfriamiento pasivo a base de disipadores de calor (como ciertos metales o materiales compuestos cerámicos), que reconducen y evacúan el exceso de energía a la atmósfera.


detalle de las placas cerámicas que recubren la parte inferior del Shuttle
Shuttle aterrizando

Afortunadamente no han vuelto a matar deliberadamente a nadie (de «accidentalmente» no he dicho nada, que conste) para hacer sus experimentos de vuelo espacial. Veremos si no les da por ahí cuando consigan llegar a Marte.


Si lo consiguen, claro.


Ver también: Vuelo supersónico: la barrera imaginaria

7 piopíos:

pipistrellum dijo...

Yo pensaba que era por la compresion en el morro.

kilerRex comentaba los dos casos el sistema ruso y el americano

Lyd dijo...

En el mismo comentario que mencionas, KillerRex lo explica más o menos como lo he hecho yo:

«Bueno, me temo que sí se puede decir que disipes la energía cinética en forma de calor. Es pura aplicación de la 1ª ley de la termodinámica.
El mecanismo que se usa es la onda de choque (que básicamente es un incremento brusco de entropía)
La diferencia entre una cápsula Geminis y el Shuttle es como usas ese efecto.»


La onda de choque es una discontinuidad que se produce porque las ondas de presión que origina el avión o lo que sea al desplazarse por el aire (a Mach>1) no pueden viajar más rápido que éste (su velocidad límite es la del sonido), y se acumulan por delante del morro. Así que sí, el aire se comprime, formando una región más caliente y de velocidades más bajas por delante del cuerpo en cuestión. Cuanto mayor sea la velocidad, más se retrasarán las ondas de presión, y más se comprimirá y se calentará el aire. Viene a ser lo mismo. ;)

Lyd dijo...

Si quieres saber más sobre cómo se forma una onda de choque, lo tienes explicado aquí con dibujitos, que se entiende mejor ;)

Proximo dijo...

Muy bueno lyd. Me pregunto cual debe ser la forma geométrica que optimize el calentamiento. Aunque no creo que sea tan fácil como derivar y buscar el cero :D

Lyd dijo...

La verdad es que no tengo ni idea de cómo se hace lo de buscar la forma óptima (eso no nos lo han contado en clase). Las más típicas suelen tener forma de casquete esférico por delante para hacer que el cuerpo sea lo suficientemente romo. Claro que también hay casos como el del Shuttle, en el que cualquier parecido con una semiesfera es pura coincidencia. En el informe NACA 1381 cuentan un poco de todo eso, aunque se escribió en los años 50. Supongo que hoy en día utilizarán modelos de elementos finitos y cosas parecidas.

Davidmh dijo...

Muy buena explicación. (Tengo fama de pelota, pero ya verás lo que viene ahora }:D).


Tengo varias preguntas:

·1) ¿Con qué precisión es necesario conocer el comportamiento del aire en las reentradas?

·2) ¿Qué es el vídeo?

·3) ¿Cómo se les ocurrió hacerlo romo? ¿Por cambiar o estaba fundamentado? ¿Ya se les había ocurrido esta explicación?

·4) ¿Qué son exactamente las rayitas que salen detrás de los bocetos de cuerpos romos y afilados?

·5) Preciosa la imagen del plasma. ¿Cómo se hace?



Como ya ves, mucha pregunta junta. Espero no resultar indigesto. c|¦→)

Lyd dijo...

Qué va! Yo encantada, oiga ;)
Vamos a ver...

1) Con la máxima posible. El problema de la reentrada es que se produce a velocidades hipersónicas, y el comportamiento del aire en esas condiciones está descrito por ecuaciones no lineales, teniendo que tener en cuenta además que estamos hablando de un fluido a muy altas temperaturas y químicamente reactivo. Todo eso hace imposible la resolución puramente teórica de las ecuaciones. Al mismo tiempo, no se pueden simular experimentalmente todas las condiciones de número de Mach, número de Reynolds y alta temperatura del vuelo hipersónico a la vez. Hay que ensayar cada parámetro por separado y componer el resultado global de todos los ensayos juntos como buenamente se pueda. De modo que la única solución que queda es la simulación por ordenador (Computational Fluid Dynamics). Y hay que tener en cuenta todos los efectos. Por ejemplo, el momento de cabeceo del Shuttle cambia sustancialmente entre considerar que el aire es un gas perfecto y considerarlo químicamente reactivo, lo que dio bastantes problemas en su día (porque trabajaban con los resultados de flujo frío del túnel de viento, que consideraban un modelo de gas perfecto para el aire).

2) En Youtube pone: "Según NORAD, esto es el cuerpo de un cohete SL-4 ruso que reentró en la atmósfera sobre Colorado y Wyoming. Este cohete es basura espacial procedente del lanzamiento de un satélite francés el 27 de diciembre de 2006."

3) Fue H. Julian Allen quien desarrolló la teoría del cuerpo romo. No sé cómo se le ocurriría la idea, la verdad. Supongo que basándose en unos conocimientos profundos de aerodinámica hipersónica. Y a nadie más se le había ocurrido, ya digo que el descubrimiento fue tratado como alto secreto durante unos años (ten en cuenta que todo esto ocurrió durante la Guerra Fría, y que quien dominara la reentrada dominaba los misiles balísticos intercontinentales, así que era como para estar acojondados).

4) Turbulencias (estela turbulenta). No son bocetos, son fotografías de modelos a escala en un fluido más viscoso que el aire (supongo que agua), simulando vuelo hipersónico. Se producen por desprendimiento de la capa límite.

5)Tómese un cañón de electrones, un túnel de viento y un modelo a escala del shuttle, y simúlese una reentrada atmosférica al número de Reynolds considerado ;) (La verdad es que la información que hay disponible no es mucha. Es una foto que hicieron en 1975 para simular los gases ionizados en la reentrada. La saqué de aquí.)

Espero haberte resuelto todas las dudas! ^^



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