Buonasera, sono un neoiscritto appassionato di volo spaziale. Complimenti agli utenti tutti per la professionalità con cui vengono affrontati i temi proposti in ForumAstronautico.
Leggendo qualche topic qua e la (specialmente i commenti di Archipeppe), mi è sembrato di capire che le capsule semi-portanti sfruttino un “offset” sull’asse di simmetria tra il centro di pressione Cp e il centro di massa Cm per generare lift L ed a riguardo mi sorgono alcuni dubbi:
a parità di forma e dimensioni della capsula, maggiore è la distanza tra questi due punti e maggiore sarà in modulo la forza di lift L generata? Se si, cosa regola questo fenomeno? La generazione di lift su un profilo simmetrico non dipende esclusivamente dall’angolo di attacco AoA?
Grazie
Da non esperto, così a occhio la distanza tra i due punti influisce sulla stabilità, non sulla portanza.
Direi che la portanza dipende dalla distanza di questi punti rispetto all’asse di simmetria (che influenza l’angolo di attacco a cui si stabilizza la capsula)
La portanza su un profilo simmetrco dipende da velocitò, densità, incidenza ed ovviamente dal tipo di profilo (Cla).
Questo è valido per i profili sottili.
Concordo in pieno con la tua prima affermazione: difatti, supponendo che
- sia il Cp che il Cm giacciano sull’asse di simmetria del velivolo
- che il pilota ponga inizialmente il velivolo in in posizione retrograda ma con assetto cabrato (ovvero col muso all’in su rispetto al vettore velocità) , in modo da instaurare (“artificialmente”, con l’ausilio di RCS per intenderci) un certo angolo di attacco AoA
(vedi Allegato_1)
il momento generato dalla coppia di forze drag D e forza d’inerzia Fin di braccio b, allo spegnimento degli RCS, dovrebbe “riassettare” naturalmente il velivolo in posizione puramente retrograda, conferendogli una configurazione tale da costringerlo ad un rientro balistico puro.
Quindi, se ho capito bene, mi stai dicendo che, per esempio, se
- il Cp continuasse a giacere sull’asse di simmetria ed il Cm si trovasse ad una certa distanza da quest’ultimo
- il pilota posizioni il velivolo in posizione puramente retrograda (con il muso sulla direzione del vettore velocità ma in verso opposto)
la capsula sarebbe in grado di stabilizzarsi naturalmente attorno ad una posizione di equilibrio non ad AoA pari a 0 (configurazione di rientro balistico), ma ad un angolo AoA diverso da 0, in modo tale da generare portanza residua e performare una discesa più “dolce”.
(vedi Allegato_2)
Giusto? O sto delirando? 
Esatto Ritberger, ed è proprio questo il punto: “profili sottili”, ovvero con sezione in cui una dimensione è preponderante rispetto ad un’altra e nello specifico il classico profilo alare biconvesso simmetrico.
Secondo me, il problema è non si possa considerare tale profilo “sottile”, ne tanto meno ricondurlo ad un profilo alare: io comincio a pensare alla capsula (ed in particolare al suo scudo termico) come un enorme padella da cucina.
Mi spiego meglio: la portanza residua di cui si parla è, a mio parere, generata non da una qualsivoglia circuitazione attorno ad un “simil-profilo alare”, ma semplicemente trattasi di una componente residua della “resistenza aerodinamica” opposta da un profilo praticamente piatto (il nostro scudo termico, il fondo della padella) in caduta, diretta perpendicolarmente alla componente principale di drag ed ottenuta banalmente inclinando tale profilo rispetto alla velocità di avanzamento del velivolo.
Perdonate la mia ignoranza in materia e la presunta ovvietà degli argomenti trattati, ma da semplice (e soprattutto pigro 
) sognatore, sto tentando di farmi un’idea su come si comportano questi strani e rudimentali aggeggi che hanno permesso all’uomo di raggiungere le stelle.
Rudimentali come i miei disengi 
PS sul l’allegato 1 c’è un’imprecisione: manca la spinta degli RCS 
Sorry 
il problema non è geometrico ma fisico rispetto alla generazione di portanza tradizionale.
Non siamo in presenza di un mezzo continuo e a velocità ipersoniche.
Detto questo la smetto.
Ok 
E’ che spulciando tra i post riguardanti “di striscio” l’argomento mi è sembrato di capire che il problema fosse qualcosa di puramente geometrico…
Guarda qui:
http://www.forumastronautico.it/index.php?topic=17323.0
Qui Archipeppe parla di un offset tra Cp e Cm, senza specificarne la direzione. Cito testualmente:
“[…] Il punto è che per ottenere i risultati sopra descritti era necessario imporre alla capsula una portanza per così dire “residua”, in maniera tale da rendere la traiettoria di rientro non più perfettamente balistica. Il risultato, nell’Apollo CM come nelle Gemini RM e Soyuz RV era ottenuto creando un “offset” tra il Cm (baricentro) ed il Cp (centro di pressione) che induce una variazione nel rapporto L/D (Portanza/Resistenza) in regime ipersonico. Tale rapporto è zero nel caso di una capsula a rientro balistico (come le Vostok/Voskhod e le Mercury) e diverso da zero in tutti gli altri casi, in particolare per l’Apollo CM tale valore era di circa 0.368.[…]”
e dopo qualche ignorante divagazione devo aver forzato un po’la mano, interpretando la capsula come un sassolino che, lanciato a pelo d’acqua, per massimizzare la sua traiettoria deve “rimbalzare” sfruttando la “forza d’appoggio” del fluido agente sulla sua grande (relativamente al suo volume) superficie: variando l’inclinazione di tale superficie rispetto alla direzione del moto potevo così spiegare come il rapporto L/D si modificasse …
Ma evidentemente ero completamente fuori strada… 
Perchè? 
E’vero, non so nulla di regime ipersonico… mi spego meglio: leggendo i commenti sui tanti post che vertono o che sfiorano l’argomento si parla in termini di “L/D” , “offset tra Cp e Cm”, “crossrange”, “stabilità”, “monostabilità” e chi più ne ha più ne metta e si giunge addirittura a conclusioni del tipo “La forma del modulo di rientro della Soyuz è meglio di…” o “La posizione del centro di massa dell’Apollo è peggio di…” 
Il problema è che sono un novellino di ForumAstronautico ed ho aperto questo topic proprio per meglio comprendere il principio fisico del rientro semi-portante, sperando di non addentrarmi al buio in paroloni e conclusioni azzardate e, quindi, poter partecipare attivamente e senza imbarazzo alle discussioni più spinte e tecniche proposte dagli utenti più esperti. Tutto qui.
Quindi il contributo di persone esperte come te, Ritberger, è ben accetto per quanto mi riguarda.
Perdonate la mia ignoranza sull’argomento, ma se poteste essere un po più prolissi e/o anche indicarmi qualche link sul tema ve ne sarei infinitamente grato. 
È esattamente quello che intendevo.
Però ripeto che quello che so di aerodinamica ipersonica è quello che ho studiato più di 10 anni fa, in più offuscato dalla poca memoria dal non aver praticato l’argomento per tutto questo tempo. Quindi prendi la mia risposta su questo tema con le pinze 
Archipeppe non è più sul forum, ma continua a scrivere su G+, e proprio oggi parla di portanza delle capsule. Se avete un profilo google, https://plus.google.com/100430944215771720375/posts/j6gW8KHdH19
Bene, vedo che ha scritto la stessa cosa che ho scritto io, significa che non ho scritto una boiata :butt:
Sarà un caso??? Noi crediamo proprio di no… 
Grazie IK10D0!
Argghhh… non è i-kappa-dieci-di-zero, è i-kappa-uno-o-di-o 
(INDIA KILO ONE OSCAR DELTA OSCAR)
Albyz, sì, certo, un caso giacobbiano.
Beh,io trovo normale che un appassionato visiti più pagine che parlano di astronautica ed incuriosito da un certo tema voglia approfondirlo.
Del resto uno degli aspetti più interessanti del nostro forum è che è possibile affrontare questioni tecniche e teoriche con persone preparate, che oltretutto spesso lavorano anche nel settore.
Mi scuso innanzitutto con IK1ODO per l’imprecisione… 
Devo per caso ringraziare anche Carmelo Pugliatti per aver preso le mie difese? 
Perdonate l’innocente OT ma… C’è per caso una diatriba in atto di cui non sono a conoscenza?
No,niente di importante.
P.S.
Ma no,caro Almaz,non ho preso le tue difese,anche perchè non c’era nulla da difendere.
Nessuno ti ha mosso alcun rilievo.
Meno male. 
No, tranquillo.
Archipeppe ha lasciato il forum qualche anno fa per varie divergenze, ma ci fa piacere che continui a divulgare la nostra comune passione con la competenza che conosciamo bene.
Spulciando tra pubblicazioni varie sul web, ho cercato di farmi un’idea di massima sul problema.
Proverò a riassumere il tutto, indicando con “=>” le implicazioni logiche necessarie e sperando di non spararle grosse.
CLASSIFICAZIONE DEI REGIMI DEL FLUSSO
A seconda del numero di Mach M (definito come il rapporto tra velocità del flusso e velocità dell’onda sonora) un flusso può considerarsi:
- M < 0,3 Subsonico, praticamente incomprimibile
- 0,3 < M < 0,8 Subsonico
- 0,8 < M < 1,2 Transonico
- 1,2 < M < 5 Supersonico
- M > 5 Ipersonico
FLUSSO IPERSONICO (Vedi Alleg_1)
Mentre il flusso supersonico si comporta in modo completamente diverso da quello subsonico, non vi è una netta distinzione tra regime supersonico e ipersonico: M = 5 è infatti un valore convenzionalmente assunto, oltre il quale non possono più ritenersi trascurabili alcuni effetti, quali:
-
Distanze tra onda d’urto e corpo piccole
Se M aumenta infatti: -
=> si ha un urto di compressione (fenomeno fortemente non isoentropico che ha luogo a causa degli elevati gradienti di velocità, temperatura, pressione e densità a monte della superficie dello scudo termico) curvo (“bow shock”) a causa degli elevati angoli di deflessione dovuti al corpo tozzo
-
=> aumenta il salto di densità attraverso l’urto
-
=> aumenta la densità a valle dell’urto, in prossimità della capsula
Contemporaneamente il flusso è costretto a spostarsi dal centro della linea di corrente verso l’esterno a causa della presenza della capsula stessa:
-
=> per la conservazione della massa, all’aumentare della densità (e a pari velocità) deve diminuire “la sezione di passaggio” (ovvero quella formata tra l’onda d’urto e lo scudo termico)
-
=> l’onda d’urto si avvicina al corpo, assottigliando il cosiddetto “shock layer” (strato interposto tra urto e corpo)
-
Strato entropico
Poiché l’urto in questione possiede una certa curvatura, se M aumenta: -
=> aumenta il salto entropico attraverso l’urto
-
=> la linea di corrente prossima all’asse di sym subirà un gradiente entropico molto più elevato rispetto ai filetti più lontani, poiché in prossimità dell’asse di sym l’urto è circa normale alla linea di corrente stessa
-
=> sul “nose” del velivolo il cosiddetto “Entropic Layer” può interagire con lo “strato limite” a parete (zona caratterizzata da basse velocità relative => basse inerzie => effetti viscosi importanti, ovvero numeri di Reynolds bassi)
-
Interazione viscosa
Se M aumenta: -
=> la corrente fluida viene rallentata dallo strato limite (che è viscoso)
-
=> la temperatura dello strato limite cresce
-
=> la dimensione dello strato limite cresce in volume e quindi di spessore, invece di diminuire con l’aumentare di M come avviene nei flussi sub- e supersonici
-
=> aumenta la resistenza D (aumentando in un certo senso la superficie di riferimento della capsula stessa) e lo strato limite interagisce col flusso esterno (non viscoso)
-
Effetti delle elevatissime temperature
Se M aumenta: -
=> la temperatura dello strato limite (e dello shock layer) aumenta (vedi punto (3) sopra)
-
=> i gradi di libertà (varianza) delle molecole aumentano, poiché esse vibrano (quindi i Cp e Cv variano con la temperatura => cade l’ipotesi di gas caloricamente perfetto)
-
=> a temperature elevate (2000 K - 9000 K) si ha dissociazione di O2 → 2O ed N2 → 2N
-
=> a temperature elevatissime (> 9000 K) si ha ionizzazione O → O+ + e- ed N → N+ + e- (si ha il blackout radio al rientro proprio a causa agli elettroni liberi che assorbono le onde nelle frequenze radio)
-
=> a temperatura ancora più elevate si ha emissione radiativa del gas (un nucleo compie una transizione da uno stato eccitato verso uno ad energia inferiore emettendo energia)
NB: Il calore si trasferisce per convezione dallo strato limite alla superficie per velivolo, ma se le temperature sono sufficientemente elevate allora i gas cedono calore anche in forma radiativa
NB: Le temperature in prossimità della parete sono diverse da quanto ci si può aspettare con il modello di gas ideale;
sia, difatti, “v” la “velocità di reazione di dissociazione” e “t” “il tempo impiegato dalla particella fluida a percorre il campo di moto”, allora se:
-
v >> t
-
=> si ha equilibrio chimico
-
=> l’energia chimica delle dissociazioni viene ri-trasferita sul corpo quando le specie si ricombinano
-
=> la temperatura vicino al corpo è abbastanza elevata
-
v ca.= t
-
=> non si ha equilibrio chimico
-
=> il fluido trattiene questa energia nei gradi di libertà interni (si parla di “flusso congelato”)
-
=> la temperatura vicino al corpo risulta più bassa
NB:
-
se la parete dello scudo termico è catalitica nei confronti delle reazioni di O ed N, allora v aumenta e viene favorito l’equilibrio chimico
-
se la parete dello scudo termico non è catalitica nei confronti delle reazioni di O ed N, allora v diminuisce e si trasferisce meno calore sulla parete dello scudo termico
-
Bassa densità a quote elevate
Sia il numero “Knudsen Kn” pari al rapporto tra “cammino libero medio di una particella d” (ovvero la distanza media percorsa da una particella prima che ne colpisca un’altra adiacente) e la “lunghezza caratteristica del velivolo L”, tale che Kn = d/L.
Rientrando da quote elevate, si ha a che fare dapprima con gas rarefatto a bassa densità che non può essere trattato come un continuum a causa del suo elevato numero di Kn, ed in particolare: -
Dapprima il corpo si trova immerso in molecole libere (Kn = 1)
-
=> si utilizza la teoria cinetica dei gas
-
Durante la fase intermedia di rientro il corpo si trova immerso in un regime di transazione
-
Nell’ultima fase si trova immerso in un continuum (Kn < 0,03)
-
=> Si utilizza il modello di gas termicamente (ma non caloricamente) perfetto
NB: Il gas rarefatto non raggiunge mediamente una velocità nulla in prossimità della parete come accade per un fluido continuo, ma possiede una “velocità” residua cosiddetta di “slip”
NB: la temperatura del gas in prossimità della parete può essere diversa dalla temperatura della parete stessa, cosicché si parla di “temperature slip”
Tutti i fattori sinora descritti influenzano fortemente:
- distribuzione di pressione sulle pareti (quindi resistenza ed eventuale portanza)
- stabilità del velivolo
- coefficienti di attrito
- scambio termico
GENERAZIONE DI PORTANZA
Regimi sub- e supersonico
Nei regimi sub- e supersonico la generazione di portanza è imputabile all’accelerazione dell’aria indotta dall’ala (“profilo sottile”) grazie:
- alla sua geometria
- al suo angolo d’attacco
L’aria che investe l’ala viene deviata verso il basso sia dal ventre dell’ala, sia grazie alla conformazione del dorso (per bassi angoli d’attacco) che sfrutta l’effetto Coanda (quello per cui un fluido tende naturalmente a seguire il profilo della superficie che lambisce), cambiando quindi la sua velocità verso il basso: per il principio di azione e reazione si ha una forza contraria a tale moto e pari a:
L = 1/2 * rho * V^2 * S * Cl
che sostiene il velivolo e chiamata appunto portanza (o Lift L, agente normale alla velocità di avanzamento del velivolo), dove:
- rho è la densità del fluido
- V è la velocità del fluido
- S la superficie di riferimento
- Cl coefficiente di portanza
La resistenza aerodinamica (o drag D) rappresenta la forza esercitata dal fluido (aria) in direzione opposta alla velocità di avanzamento ed è valutabile analogamente come:
L = 1/2 * rho * V^2 * S * Cd
dove Cd rappresenta il coefficiente di resistenza
Regime ipersonico
Mentre, però, nei regimi di flusso sub- e supersonico i filetti di fluido più lontani dall’ala iniziano a deviare anch’essi a causa della curvatura dei filetti più vicini ad essa, nel regime ipersonico il flusso procede sostanzialmente indisturbato fino all’impatto con il profilo (vedi Alleg_5), non accorgendosi essenzialmente del comportamento delle particelle subito a valle a causa delle elevatissime velocità: si può pensare che tale fluido subisca un’accelerazione verso il basso praticamente istantanea.
Il fluido deviato verso il basso è essenzialmente quello interposto tra lo shock layer e il corpo, che possiede ad elevatissimi Mach densità estremamente elevate (a causa delle distanze tra onda d’urto e corpo piccole – vedi paragrafo “FLUSSO IPERSONICO”): per cui la capsula credo la si possa immaginare effettivamente come un sasso, che, a seconda di come impatta (e quindi del suo angolo d’attacco) l’acqua (nel nostro caso aria, ma estremamente densa) “rimbalza” se colpisce il pelo libero con il ventre piatto (ovvero se il suo angolo d’attacco è nullo) o “frena e affonda” se colpisce il pelo libero con il suo lato affusolato (ovvero ad angoli d’attacco elevati, quelli propri delle capsule, per intenderci).
E’quindi facile immaginare come si abbia il valore teorico massimo di L/D ad angoli d’attacco molto bassi (tendenti a 0°) in regime ipersonico, per poi assistere ad una diminuzione drastica di tale rapporto ad angoli d’attacco maggiori (praticamente il caso delle capsule).
NB: Ciò che non bisogna dimenticare è che se si aumenta L/D, ovvero si entra con bassi angoli d’attacco, il calore trasferito al velivolo cresce di molto (vedi sotto, paragrafo “FORMA DELLE CAPSULE”)
NB: Le capsule in regime sub- e supersonico non sono più in grado quindi di generare portanza, non essendo “profili sottili” (ovvero “ali”) progettati ad hoc per accelerare sufficientemente il fluido verso il basso a velocità così basse.
ASSETTO
Come si evince dal semplice ma pur sempre valido equilibrio dinamico sul corpo, per aumentare l’angolo d’attacco al rientro vi sono 2 modi:
- si utilizzano i thrusters per mantenere l’assetto desiderato, ovvero bisogna vincere il momento generato dalla coppia di forze “drag D” e “forza d’inerzia Fin”, altrimenti si performa un rientro puramente balistico (con angolo d’attacco AoA pari a 0 => lift L pari a 0) (Vedi Alleg_3)
- si progetta la capsula con un certo offset tra centro di pressione Cp e centro di massa Cm in modo tale che il momento generato dalla coppia di forze “drag D” e “forza d’inerzia Fin” si annulla naturalmente per un determinato assetto caratterizzato da un angolo d’attacco AoA diverso da 0 (Vedi Alleg_4)
NB: l’offset che governa l’angolo d’attacco è sostanzialmente quello in direzione normale all’asse di sym, ma è necessario comunque garantire un offset anche in direzione dell’asse di sym stesso per aumentare il braccio tra D e Fin e conferire quindi maggiore stabilità alla capsula (per “monostabilità” s’intende,infatti , la capacità di una capsula di raggiungere naturalmente la sua configurazione di rientro di progetto anche in caso di failure dei thrusters).
FORMA DELLE CAPSULE
A causa delle elevatissime energie cinetiche in gioco da dissipare sotto forma termica in atmosfera durante il rientro, è necessario assicurare che la quantità di calore trasferita al velivolo sia minima.
- Bisogna quindi minimizzare il coefficiente “q”, definito come rapporto tra “energia trasmessa al corpo” ed “energia totale dissipata” e stimabile (attraverso alcuni passaggi e sotto alcune ipotesi) come:
q = (1/2)*(Cf/Cd), dove Cf è il “coefficiente d’attrito a parete” e Cd “il coefficiente di drag”
Quindi per trasferire meno calore al velivolo è necessario:
-
Ridurre il coefficiente di attrito a parete Cf
-
=> si utilizzano superfici il più possibile levigate
-
Aumentare la resistenza aerodinamica e quindi il Cd
-
=> si ricorre a forme tozze (“blunted” - le capsule come le conosciamo noi) (Vedi Alleg_2)
-
La velocità di riscaldamento di un corpo è proporzionale al rapporto tra “superficie S” e “massa M”.
Quindi per diminuire la velocità di riscaldamento del velivolo: -
=> bisogna ridurre il rapporto S/M (cosa facilmente dimostrabile)
-
=> bisogna sostanzialmente ridurre il rapporto S/V, con “V volume del velivolo”
-
=> si può ricorrere a forme sferoidali (vedi Vostock), o comunque non affusolate (geometrie “blunted”, come Mercury, Gemini, Apollo e Soyuz)
-
=> si hanno L/D pessimi (bassissimi) e rientri del tutto (come Vostock e Mercury) o quasi “balistici” (come Gemini, Apollo e Soyuz)
-
=> si hanno “raggi d’azione” (footprint) e manovrabilità laterale (crossrange) al rientro bassissimi e G-forces (accelerazioni sperimentate dagli astronauti) elevate
NB: Per lo stesso motivo i bordi d’attacco alari e il nose dello Space Shuttle, e più in generale degli aerei ipersonici, sono arrotondati e mai affusolati, come invece l’aerodinamica imporrebbe
NB: Per massimizzare il Cd (e quindi il drag), si è ricorso a forme tozze sferiche o semisferiche per lo scudo termico, in quanto (oltre ai motivi di cui sopra) si è impossibilitati (per ovvii di resistenza strutturale ai forti gradienti di pressione) ad usare profili con spigoli vivi (che possiedono potenzialmente Cd ancora maggiori, come ad es. il “cubo” :P).
NB: Per minimizzare il rapporto S/M (ovvero S/V) non bisogna banalmente aumentare la massa M (ovvero il volume V), in quanto ciò comporterebbe:
- => un aumento delle forze d’inerzia
- => un necessario rinforzo dello scudo termico
- => una maggiore massa dello scudo termico
- => un aumento esponenziale della massa a vuoto del velivolo
- => un sovradimensionamento generale del lanciatore
NB: Chiaramente la forma della capsula sarà quindi frutto di un compromesso tra diversi fattori:
- Rapporto S/M (da minimizzare => forma sferica)
- Massa al rientro (da minimizzare)
- Volume abitabile (da massimizzare)
- Resistenza aerodinamica opposta al rientro (forma tozza)
- Stabilità (distribuzione delle masse e del Cm => forma tronco-conica o a campana, ma non sferica)
- Generazione di portanza al rientro (angolo di rientro diverso da 0 e quindi rapporto L/D diverso da 0)
- Resistenza aerodinamica opposta al decollo (tronco-conica se sprovvista di pannelli di protezione del payload, qualsiasi se protetta da quest’ultimi)
- Resistenza agli shock termici
- Vincoli strutturali (evitare spigoli vivi)
- Altri fattori di cui non sono a conoscenza
Un esempio di capsula semiportante: