Reentrada atmosférica

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Concepção artística da reentrada atmosférica da Mars Exploration Rover.

Reentrada atmosférica refere-se ao movimento de objetos naturais (tais como meteoroides) ou artificiais (tais como satélites artificiais) na atmosfera de um certo planeta, do espaço em direção à superfície planetária.[1] Estes podem acontecer de forma natural, como nos meteroides citados previamente, ou também com lixo espacial, em que resultam na destruição dos mesmos devido ao intenso calor gerado pelo aquecimento aerodinâmico gerado pelo processo de reentrada. Ou de forma controlada, com naves espaciais ou mísseis balísticos intercontinentais, que possuem um escudo térmico para evitar a destruição dos mesmos por esse calor.

Física dos gases na reentrada[editar | editar código-fonte]

Uma regra de aproximação geral, utilizada pelos projetistas de escudos térmicos, é que a temperatura de pico atingida durante a reentrada (em kelvin) é igual à velocidade do objeto durante a reentrada em metros por segundo. Por exemplo, uma nave espacial que entra na atmosfera a 7800 m/s terá uma temperatura de pico aproximada de 7800 K. Isso contradiz os modelos tradicionais, que dizem que a energia cinética é proporcional ao quadrado da velocidade, porém, deve-se levar em consideração que nas altas temperaturas da reentrada, a temperatura especifica do ar aumenta consideravelmente (ao contrário da temperatura específica da maioria dos sólidos, considerada constante sob situações cotidianas) o que torna a última lei apresentada valida.

A temperaturas de reentradas tradicionais, o ar está tanto ionizado quanto dissociado. Devida a essas junções de fatores, é necessário utilizar diferentes modelos de físicos para prever o que vai ocorrer com os gases em contato com a proteção térmica durante a reentrada. Existem quatro modelos básicos utilizados pelos projetistas que serão apresentados a seguir:

Modelo do gás ideal[editar | editar código-fonte]

Amplamente conhecido, o modelo do gás ideal é incrivelmente importante, e muito utilizado por diversos engenheiros aeronáuticos e aeroespaciais que projetam naves supersônicas. Porém, mesmo sendo incrivelmente útil ele parte do pressuposto que o gás é inerte. Isso deixa de ser verdade a temperaturas superiores a 550 K, sendo que a temperaturas superiores 2000 K, torna-se completamente inutilizável para descrever a reentrada, de forma que é necessário usar o modelo do gás real.

Modelo do gás real em equilíbrio[editar | editar código-fonte]

O momento de um objeto pode ser significativamente influenciado pelo tipo de modelo sendo utilizado. Tanto o modulo de comando da Apollo quando o ônibus espacial foram projetados usando o modelo de gás ideal, e por essa razão resultaram em erros durante a reentrada (nenhum fatal), ao ponto em que os astronautas do Columbia acreditavam que iriam perder o controle da aeronave.[2]

O modelo do gás real em equilíbrio considera o gás como sendo capaz de fazer reações químicas, porém ele assume que todas as reações já ocorreram e que todas as partes dos gases tem a mesma temperatura (isso é chamado de equilíbrio termodinâmico). Este modelo torna-se muito importante durante a reentrada pois, quando o ar encontra a onda de choque formado pela nave, ele é aquecido até altas temperaturas devido a compressão e dissociado devido a diversas reações químicas (deve-se notar que a fricção não é a principal razão para o aumento da temperatura durante a reentrada), tornando-se necessário utilizar este modelo para obter uma maior precisão.

Modelo do gás real fora do equilíbrio[editar | editar código-fonte]

Este é o modelo mais preciso para trabalhar com as ondas de choques formadas durante a reentrada, porém, também é o modelo mais difícil de se trabalhar, pois ele considera todas as reações possíveis de acontecer na atmosfera enquanto elas ocorrem. Existem simplificações desse modelo, o mais simples sendo o modelo de Lighthill-Freeman[3] [4] , porém, esse modelo considera todo o gás como sendo composto de uma única molécula diatômica, suscetível a apenas uma reação química. Porém, isso em nade se assemelha à atmosfera, por essa razão, este modelo não tem aplicações praticas, apenas pedagógicas, de forma que projetistas são obrigados a utilizar modelos muito mais complexos.

Modelo do gás congelado[editar | editar código-fonte]

O modelo do gás congelado descreve um caso especial em que o gás não esta em equilíbrio. O termo congelado não se refere a congelado como estado da matéria, mas sim ao fato de nenhuma reação química estar ocorrendo (como se o gás estivesse congelado no tempo). Reações químicas são normalmente realizadas pela colisões entre as moléculas. Se a pressão de um gás é reduzida lentamente de forma que as reações podem continuar a ocorrer, o gás irá permanecer em equilíbrio. Porém, se a pressão cair rapidamente e de forma brusca, é possível o gás chegar a um estado onde quase todas as reações químicas param, nesse momento, ele é considerado congelado.

A diferença entre equilíbrio e congelado é importante pois é possível que um gás tenha propriedades totalmente diferentes (como velocidade do som, viscosidade, etc.) para o mesmo estado termodinâmico (pressão e temperatura). Gases congelados podem ser um grande problema na parte traseira de um veiculo. Durante a reentrada, correntes de ar são comprimidas a altas pressões e temperaturas pelas ondas de choque, esse ar é carregado pela onda até o final da nave, onde ocorre a rápida despressurização, e consequentemente, o congelamento. Esse ar congelado pode criar um vórtex, de forma a tornar a esse aspecto da reentrada muito difícil de modelar. O que pode ser um grande problema, pois apesar desse ar não esquentar muito, ele gera muita instabilidade para a aeronave.



Referências

  1. CNES and Aquitaine Regional Council join forces for atmospheric re-entry programmes. Página visitada em 19-10-2009.
  2. Kenneth Iliff and Mary Shafer, Space Shuttle Hypersonic Aerodynamic and Aerothermodynamic Flight Research and the Comparison to Ground Test Results, Página 5-6
  3. Lighthill, M.J.. (Jan 1957). "Dynamics of a Dissociating Gas. Part I. Equilibrium Flow". Journal of Fluid Mechanics 2 (1): 1–32. DOI:10.1017/S0022112057000713. Bibcode1957JFM.....2....1L.
  4. Freeman, N.C.. (Aug 1958). "Non-equilibrium Flow of an Ideal Dissociating Gas". Journal of Fluid Mechanics 4 (4): 407–425. DOI:10.1017/S0022112058000549. Bibcode1958JFM.....4..407F.

Notas[editar | editar código-fonte]

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