И все-таки: Бумажный самолетик с борта МКС: сгорит?

[Sender]

Sender в сообщении #1431050 писал(а):

По-видимому, выбитые из молекул целлюлозы атомы какое-то время будут двигаться внутри крыла в направлении, близком к продольному, каскадно выбивая новые атомы, что, видимо, приведёт к передаче самолёту большей части импульса налетевшего атома вкупе с проделыванием в плоскости крыла более или менее обширных треков-каналов.

А, стоп. Прикинул по энергии - при лобовом столкновении энергии налетающего с первой космической скоростью атома кислорода не хватит на разрыв двойных связей $C-C-C$ и $C=O$. Он может максимум оторвать от молекулы целлюлозы гидроксильную группу, разорвать гликозидную связь и/или образовать другую химическую связь(?, тут без специалистов по кинетике не обойтись).

[schoolboy]

Sender в сообщении #1431082 писал(а):

... разорвать гликозидную связь и/или образовать другую химическую связь(?, тут без специалистов по кинетике не обойтись).

Думаю, что даже химики, не специализирующиеся в кинетике, могут сказать. Реакция окисления целлюлозы экзотермическая, надо энергетический барьер преодолевать, а не связи полностью разрывать. Возможно, что тут и космических скоростей не надо, на высотах 200 – 300 км термосфера, температура днем выше 1500К, конечно, не так просто сказать, с какой скоростью будет окисляться целлюлоза, на Земле бы быстро сгорела.

[Sender]

schoolboy в сообщении #1431091 писал(а):

Реакция окисления целлюлозы экзотермическая, надо энергетический барьер преодолевать, а не связи полностью разрывать.

Если скорость слишком большая, может просто не успеть прореагировать и отскочит/полетит дальше.

[amon]

Утундрий в сообщении #1431065 писал(а):

Кстати, почему вы именует эту задачу "задачкой"?

Это зависит от того, на какой вопрос отвечать. Если на вопрос уважаемого Toolt: "Сгорит или не сгорит самолетик?", то задачка - сгорит к чертовой матери. Если мы космический аппарат сажаем, то да, задача.

[Xey]

Наверно известно, на какой высоте и по какой причине разрушаются ложные (надувные) головки баллистических ракет.

[Sender]

amon в сообщении #1431093 писал(а):

Если на вопрос уважаемого Toolt: "Сгорит или не сгорит самолетик?", то задачка - сгорит к чертовой матери.

Может, имеет смысл заменить бумагу титановой фольгой?

[amon]

Sender в сообщении #1431095 писал(а):

Может, имеет смысл заменить бумагу титановой фольгой?

Тогда уж лучше сразу Шатлом или Бураном.

[Toolt]

Собственно, возвращаясь к первоисточнику (2008 год):
"Бумага была изготовлена из волокон сахарного тростника и обработана специальным составом. Исследователи ставят перед собой задачу запустить самолетик из космоса, чтобы проверить, сможет ли он выжить в плотных слоях атмосферы.
Руководитель проекта профессор факультета аэронавтики и астронавтики Токийского университета Шинджи Сузуки признался в интервью Boston.com, что «сама идея выглядела невозможной, безумной — как может самолетик оригами преодолеть атмосферу? Я думал над этим и пришел к выводу, что мысль не такая уж и смешная и самолетик вполне может уцелеть».
Исследователи уверены, что, входя в атмосферу Земли на сравнительно малой скорости, самолетики будут испытывать гораздо меньшее трение и, как следствие, температуру, чем полноразмерный шатл. Длина бумажного самолетика — 7 см, ширина — 5 см. На разработку модели ушло 18 месяцев — она полностью сложена из листа бумаги, без разрезов или склеек. В аэродинамической трубе шаттлы оригами выдержали скорость ветра М7 и температуру до 230 градусов по Цельсию. По словам ученых, эти условия приблизительно соответствуют тем, что ждут самолетик при возвращении в земную атмосферу".

Еще: "Впервые с таким предложением выступили японские учёные и мастера оригами в 2008 году. Предполагалось осуществить сброс целой флотилии таких изделий с борта МКС. Однако затея была отложена на неопределенный срок из-за трудностей с отслеживаниес полета столь малых объектов без активных передатчиков на них. До момента входа в атмосферу, при старте с орбиты МКС (около 400 километров) от 30 до 100 самолётиков могли бы дрейфовать в открытом космосе несколько недель и войти в плотные слои атмосферы в непредсказуемом месте. Учитывая дальнейшее планирование в воздухе, определить, куда каждый из них приземлиться или приводнится — невозможно. Тем не менее, у этого диковинного проекта есть как минимум две важные научные задачи. Первая — доказать на практике возможность осуществления низкоскоростного входа в атмосферу. Вторая — испытания различных сверхлегких жаропрочных материалов".

В дальнейшем, японцы видимо отказались от чисто научного эксперимента с бумажным самолетиком. И так, как их целью было все-таки обеспечить спуск реальных аппаратов, где 230 градусов - не так уж обязательно, можно и побольше, - то уже в 2019 году попытались провести эксперимент с моделью самолетика из более жаропрочного материала. К сожалению, запуск корабля, на борту которого были самолетики, оказался неудачным:
"Четвертый запуск частной космической компании Interstellar Technologies прошел неудачно. Геофизическая ракета MOMO должна была отправить в суборбитальный полет несколько экспериментов, включая «бумажный самолётик» из жаропрочного материала. Однако вместо этого на высоте 13 километров автоматика отключила двигатель и носитель упал в океан".
Но японцы упрямы. Может и получится.

[Dmitriy40]

Для справки: за первые 9500с снижения от 400км до 200км самолётик встречается с 10мг атмосферы.
За следующие 200с снижения до высоты 150км ещё с 17мг атмосферы.
За следующие 100с снижения до высоты 120км ещё с 100мг атмосферы. К этому моменту он уже гарантированно сгорел даже без всяких химических кинетических реакций.
За следующие 60с снижения до высоты 100км ещё с 1.1г атмосферы.

Toolt в сообщении #1431100 писал(а):

Длина бумажного самолетика — 7 см, ширина — 5 см.

Какие-то неправильные у них самолётики, у нормального, из листа А4 размеры: длина по крылу 21см, размах крыла 11см, высота у хвоста 7см, масса 5г, площадь крыльев 140кв.см.

Toolt в сообщении #1431100 писал(а):

В аэродинамической трубе шаттлы оригами выдержали скорость ветра М7 и температуру до 230 градусов по Цельсию. По словам ученых, эти условия приблизительно соответствуют тем, что ждут самолетик при возвращении в земную атмосферу

Какие М7?! Орбитальная 7.67км/с это вообще-то 23 маха, а не 7. И вплоть до сгорания скорость практически не уменьшается.

Toolt в сообщении #1431100 писал(а):

До момента входа в атмосферу, при старте с орбиты МКС (около 400 километров) от 30 до 100 самолётиков могли бы дрейфовать в открытом космосе несколько недель и войти в плотные слои атмосферы в непредсказуемом месте.

Ну и о неделях речи не идёт, по крайней мере для нормального самолётика, всего-то меньше 3ч и двух витков.
Вдвое меньший самолётик (без изменения геометрии) падает ещё быстрее, за 9250с до 100км, сгорая чуть ниже нормального, на высоте около 110км.

[realeugene]

Sender в сообщении #1431095 писал(а):

Может, имеет смысл заменить бумагу титановой фольгой?

Первый корпус венерианского спускаемого зонда первоначальнго сделали из титана. Этот корпус засунули в камеру, иммитирующую венерианскую атмосферу, и он в ней сгорел. Титан - очень активный металл с очень прочной оксидной пленкой на поверхности, как и у аллюминия.

[Toolt]

Dmitriy40 в сообщении #1431103 писал(а):

К этому моменту он уже гарантированно сгорел даже без всяких химических кинетических реакций.
Какие М7?! Орбитальная 7.67км/с это вообще-то 23 маха, а не 7.

Сгорел? А можно это пояснить? Ведь вся эта встреча с миллиграммами атмосферы распределена во времени...
Насчет 7 махов вполне понятно, что они уверены, что встреча с атмосферой произойдет именно на этой скорости (т.к. основная скорость погасится где-то раньше, почему - это вопрос). Испытывать в трубе на орбитальной скорости очевидно бессмысленно.

[Dmitriy40]

Toolt в сообщении #1431110 писал(а):

Сгорел? А можно это пояснить? Ведь вся эта встреча с миллиграммами атмосферы распределена во времени...

Я же писал выше про 42кВт/кв.м потока энергии через поперечное сечение самолётика, т.е. фактически через передние кромки крыльев, на высоте 110км. А раз уж от 1200Вт/кв.м он нагревается до 115°С, то от в 35 раз больше точно сгорит.

[Sender]

realeugene в сообщении #1431108 писал(а):

Первый корпус венерианского спускаемого зонда первоначальнго сделали из титана. Этот корпус засунули в камеру, иммитирующую венерианскую атмосферу, и он в ней сгорел.

Не совсем понятно, как это могло произойти, учитывая, что венерианская атмосфера на $96.5\%$ состоит из углекислого газа.

-- Пт дек 20, 2019 16:51:49 --

Dmitriy40 в сообщении #1431103 писал(а):

Ну и о неделях речи не идёт, по крайней мере для нормального самолётика, всего-то меньше 3ч и двух витков.

Это при движении с нулевым углом атаки?

[Sender]

Собственно, будь соударения молекул с плоскостью крыла абсолютно упругими, подъёмную силу в разрежённом воздухе было бы нетрудно оценить:
$F_y=\rho S v^2 \sin \alpha \sin 2 \alpha$, где $\rho$ - плотность газа, $S$ - площадь крыла, $v$ - скорость набегающего потока, $\alpha$ - угол атаки.
А вклад ненулевого угла атаки в лобовое сопротивление $F_x=\rho Sv^2\sin \alpha(1-\cos 2 \alpha).$

[Toolt]

schoolboy в сообщении #1431091 писал(а):

Sender в сообщении #1431082 писал(а):

... разорвать гликозидную связь и/или образовать другую химическую связь(?, тут без специалистов по кинетике не обойтись).

Думаю, что даже химики, не специализирующиеся в кинетике, могут сказать. Реакция окисления целлюлозы экзотермическая, надо энергетический барьер преодолевать, а не связи полностью разрывать. Возможно, что тут и космических скоростей не надо, на высотах 200 – 300 км термосфера, температура днем выше 1500К, конечно, не так просто сказать, с какой скоростью будет окисляться целлюлоза, на Земле бы быстро сгорела.

Конечно, температура 1500К на таких высотах - это совсем не то, что на земле.
Насчет преодоления энергетического барьера и проч.: Если быстро провести по поверхности бумажного листа пламенем газовой горелки (в котором вполне достаточно высокоскоростных молекул кислорода), то на поверхности бумаги не остается никакого следа. Для начала реакции нагрет должен быть не только газ, но и бумага, причем до температуры воспламенения. Впрочем, это все-таки вопрос по химической кинетике, возможно я ошибаюсь. Тогда в данной теме появляется еще один вопрос (который я считал абсолютно надуманным) - о химической устойчивости материала самолетика в условиях наличия высокоскоростных молекул в набегающем потоке сильноразреженного газа.

-- 20.12.2019, 19:09 --

Sender в сообщении #1431120 писал(а):

Собственно, будь соударения молекул с плоскостью крыла абсолютно упругими, подъёмную силу в разрежённом воздухе было бы нетрудно оценить:
$F_y=\rho S v^2 \sin \alpha \sin 2 \alpha$, где $\rho$ - плотность газа, $S$ - площадь крыла, $v$ - скорость набегающего потока, $\alpha$ - угол атаки.

Скорее всего, если не все, то часть соударений должна быть упругой, и "подъемная сила" (в кавычках, как и рекомендовано) будет иметь место. Ну, все-таки японские ученые на чем-то основывались, предполагая длительное планирование самолетиков, снижение скорости до входа в атмосферу.