🔥 Wejście w atmosferę

Pokazuje kapsułę kosmiczną wchodzącą w atmosferę Ziemi od granicy wejścia na wysokości 120 km. Obserwujesz w czasie rzeczywistym jej trajektorię, prędkość, przeciążenie i nagrzewanie aerodynamiczne w miarę hamowania oraz widzisz, czy wyląduje bezpiecznie, odbije się od atmosfery, czy zostanie zniszczona przez nadmierne ciepło lub przeciążenie.

Model numerycznie całkuje równania ruchu z niewielkim, stałym krokiem czasowym. W każdym kroku oblicza gęstość powietrza z modelu atmosfery wykładniczej, opór jako ½ρv²/β, siłę nośną jako wielokrotność oporu ustaloną przez stosunek L/D oraz grawitację zależną od wysokości. Prędkość i pozycja są następnie aktualizowane, a nowy stan jest rysowany na wykresie.

Korytarz wejścia jest wąski. Płytki kąt (blisko 1–2°) rozkłada hamowanie na długi tor, ale grozi odbiciem się od atmosfery z powrotem w kosmos. Stromy kąt (powyżej ok. 8°) wprowadza kapsułę w gęste powietrze zbyt szybko, gwałtownie zwiększając przeciążenie i nagrzewanie do wartości śmiertelnych. Bezpieczne pasmo leży pomiędzy tymi skrajnościami.

Kąt wejścia ustala, jak stromo kapsuła przecina granicę 120 km. Stosunek L/D (0–4) dodaje siłę nośną, dając bardziej łagodne, ślizgowe zejście zamiast czysto balistycznego spadku. Prędkość początkowa (7400–11000 m/s) ustala prędkość wejścia, od orbitalnej po powrót z Księżyca. Współczynnik balistyczny β kontroluje, jak mocno kapsuła hamuje przy danej gęstości powietrza.

Współczynnik balistyczny β (w kg/m²) to masa podzielona przez iloczyn współczynnika oporu i powierzchni czołowej. Niskie β oznacza lekką, mocno hamowaną kapsułę, która zwalnia wysoko w rzadkim powietrzu; wysokie β oznacza gęste, opływowe ciało, które wnika głębiej przed zahamowaniem, zwiększając zarówno szczytowe nagrzewanie, jak i przeciążenia na niższych wysokościach.

Nagrzewanie wykorzystuje relację w stylu Suttona-Gravesa, w której szybkość nagrzewania w punkcie spiętrzenia skaluje się z pierwiastkiem kwadratowym z gęstości pomnożonym przez prędkość do sześcianu. Wynik jest wyświetlany w kW/cm² i steruje kolorem świecącego śladu. Nagrzewanie osiąga szczyt nie na największej wysokości, lecz tam, gdzie gęstość i prędkość łączą się najintensywniej, zwykle w okolicach 50–70 km.

Dodanie siły nośnej, czyli niezerowego L/D, pozwala kapsule częściowo „lecieć” przez atmosferę zamiast po prostu spadać. Skierowana ku górze siła nośna spowalnia tempo zagłębiania się w gęste powietrze, rozciągając hamowanie na dłuższy czas i dystans. Obniża to szczytowe przeciążenie i nagrzewanie, dlatego załogowe pojazdy takie jak Apollo i wahadłowiec kosmiczny stosowały wejście ślizgowe.

Podstawowe zależności są wiernie odwzorowane: atmosfera wykładnicza, grawitacja odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości, równanie oporu i uznana skala nagrzewania. Jest to model punktowy 2D, więc pomija rotację 3D, rzeczywistą chemię gazu, ablację i szczegółową aerodynamikę. Wartości liczbowe mają charakter poglądowy i edukacyjny, a nie inżynierski na poziomie misji kosmicznej.

Jeśli kąt wejścia jest zbyt płaski, siła nośna kapsuły i krzywizna jej toru unoszą ją z powrotem powyżej granicy 120 km, mimo że wciąż się wznosi, więc opuszcza sensowną atmosferę i zostaje oznaczona jako odbicie. Prawdziwe misje czasem celowo wykorzystują kontrolowane odbicie, by zwiększyć zasięg, ale niezaplanowane odbicie może pozostawić załogę w kosmicznej pułapce.

W modelu kapsuła zostaje zniszczona powyżej ok. 80 g lub 100 kW/cm². Prawdziwe załogi ludzkie tolerują znacznie mniej: Apollo osiągało szczytowo 6–7 g, a stromy przerwany lot balistyczny może na chwilę sięgnąć 8–10 g. Osłony termiczne są projektowane pod spodziewany szczytowy strumień ciepła, więc jego przekroczenie oznacza przepalenie.

Kapsuły powracające z Księżyca przecinają granicę atmosfery z prędkością bliską 11 km/s, a nie 7,8 km/s jak przy orbicie niskiej. Ponieważ nagrzewanie skaluje się z prędkością do sześcianu, ta wyższa prędkość drastycznie zwiększa szczytowy strumień ciepła. Apollo radziło sobie z tym za pomocą grubej ablacyjnej osłony termicznej i precyzyjnego, płytkiego korytarza wejścia, często wykorzystując odbicie lub siłę nośną do zarządzania energią.