(a) رژیم زیرصوت (Subsonic Regime)
در این حالت، سرعت جریان کمتر از سرعت صوت است.

نقطه جدایش (Separation point) در جلوی کپسول ایجاد می‌شود که جریان در آن جدا شده و نمی‌تواند از هندسه منحنی عبور کند.

گردابه بازچرخشی (Recirculation vortex) در پشت کپسول شکل می‌گیرد، جایی که جریان چرخشی و پیچیده است.

هیچ شوکی وجود ندارد چون سرعت زیر صوت است.

جریان در این ناحیه عمدتاً لایه‌ای و پایدار است.

(b) رژیم مافوق صوت پایین (Low Supersonic Regime)
با افزایش سرعت و عبور از سرعت صوت، یک شوک کمانی (Bow shock) در جلوی کپسول تشکیل می‌شود.

شوک باعث فشرده شدن ناگهانی جریان و افزایش فشار، دما و چگالی می‌شود.

جریان بعد از شوک هنوز تمایل به جدا شدن دارد و یک گردابه بازچرخشی در پشت کپسول باقی می‌ماند.

نیروی درگ (Drag) افزایش می‌یابد به‌علت شوک و بازچرخش جریان.

(c) رژیم مافوق صوت بالا (High Supersonic Regime)
در سرعت‌های بسیار بالا، شوک کمانی بسیار قوی در جلوی کپسول تشکیل می‌شود.

جریان بعد از شوک شدید، به‌شدت کند و داغ می‌شود.

جریان از بدنه جدا شده و یک نقطه جدایش واضح دارد.

شوک بازفشاری (Recompression shock) در پایین‌دست کپسول ایجاد می‌شود که جریان را دوباره فشرده و منظم می‌کند.

این رژیم همراه با بیشترین میزان گرمایش آیرودینامیکی و نیروهای آیرودینامیکی است.

این تصویر یک شماتیک از فرآیند محافظت گرمایی (TPS - Thermal Protection System) برای کپسول بازگشتی فضاپیما را نشان می‌دهد. در ادامه توضیح بخش‌های مختلف تصویر ارائه می‌شود

سمت چپ تصویر – نمای کلی کپسول بازگشتی:
Freestream flow: جریان آزاد هوا در هنگام ورود مجدد به جو.

Shock wave: موج ضربه‌ای که جلوی کپسول ایجاد می‌شود و دمای بسیار بالا تولید می‌کند.

Boundary layer: لایه مرزی بین سطح کپسول و جریان هوا که محل انتقال گرما به سطح کپسول است.

Reentry capsule: کپسول بازگشتی که باید در برابر گرمای شدید محافظت شود.
سمت راست تصویر – ساختار مواد محافظتی و فرآیندها:
این بخش نمای برش خورده‌ی مواد محافظ گرما را نشان می‌دهد:

لایه‌های ماده:
Char (زغال):

لایه‌ی سطحی که پس از تجزیه حرارتی (pyrolysis) شکل می‌گیرد.

گازهای حاصل از پیرولیز و محصولات واکنش را به بیرون می‌فرستد.

در برابر سایش مکانیکی و فرسایش محافظت می‌کند.

Pyrolysis (پیرولیز):

منطقه‌ای که مواد به علت گرما شروع به تجزیه حرارتی می‌کنند.

تولید گازهایی مانند: H₂O، CO، CO₂، CH₄، H₂، C₂H₆ و فنول (Phenol).

این گازها به سطح آمده و به خنک‌سازی سطح کمک می‌کنند.

Virgin (ماده‌ی دست‌نخورده):

ماده‌ی اصلی که هنوز تجزیه نشده.

به‌مرور با پیشرفت حرارت، وارد فاز پیرولیز می‌شود.

Substructure (زیرساخت):

ساختار نگه‌دارنده‌ی کپسول که باید دمای پایین‌تری را تجربه کند.

فرآیندهای انتقال حرارت و ماده:
Radiation (تابش): از موج ضربه‌ای به سطح کپسول.

Convection (جابه‌جایی): از لایه مرزی به سطح کپسول.

Chemical species diffusion (انتشار گونه‌های شیمیایی): ورود گونه‌های واکنشی به داخل سطح.

Conduction (هدایت حرارتی): انتقال گرما از سطح به درون مواد.

Mechanical erosion (فرسایش مکانیکی): سایش سطحی بر اثر جریان و ضربه.

Pyrolysis gas، Reaction products، Re-radiation: خروج گازها و تابش مجدد برای کاهش گرمای سطح.

توی ایران کپسول بازگشت به جو را سرکار خانم دکتر سحر نوری استاد آیرودینامیک دانشگاه امیرکبیر کار میکنند.
شما را دعوت میکنم به دیدن این مقاله

An Approximate Engineering Method for Aerodynamic Heating Solution around Blunt Body Nose
این مقاله ایشان هم در این خصوص هست و با انسیس فلوئنت انجام شده است.
ببینید چقدر بزرگان کشور به حوزه انسیس فلوئنت علاقمندند و در پروژه های بزرگ خود از این نرم افزار استفاده میکنند.

هدف این مقاله بررسی و ارزیابی فلوئنت بوده است.

یک مقاله هم قبلا از ایشان دیدم مربوط به پلاسما در فلوئنت که ذکر شده بود از UDF در این خصوص استفاده کرده اند و این است قدرت UDF برای حل مسائل در نرم افزار انسیس فلوئنت

این تصویر نواحی مختلف جریان هایپرسونیک اطراف کپسول فضایی آپولو را نشان می‌دهد. در سرعت‌های هایپرسونیک (بیشتر از 5 برابر سرعت صوت)، ویژگی‌های خاصی از جریان ظاهر می‌شوند که در این تصویر مشخص شده‌اند.

قسمت‌های مختلف شکل:

Wind Velocity (سرعت باد):
جهت جریان هوا را نشان می‌دهد که از چپ به راست در حال حرکت است.

Shock Wave (موج ضربه‌ای):
موج ضربه‌ای در جلوی کپسول تشکیل می‌شود که در آن تغییرات ناگهانی فشار، دما و چگالی رخ می‌دهد. این موج به دلیل حرکت بسیار سریع کپسول نسبت به هوا تشکیل شده است.

Boundary Layer (لایه مرزی):
ناحیه‌ای نزدیک به سطح کپسول که در آن اثرات ویسکوزیته هوا اهمیت دارد و سرعت هوا از صفر در سطح کپسول تا مقدار کامل جریان آزاد افزایش می‌یابد.

Inviscid Layer (لایه بی‌ویسکوز):
ناحیه‌ای از جریان که اثرات ویسکوزیته ناچیز هستند و جریان را می‌توان به صورت ایده‌آل (غیرویستکوز) مدل‌سازی کرد.

Separated Region (ناحیه جداشده):
در این ناحیه جریان از سطح بدنه جدا شده و باعث ایجاد ناحیه‌ای با جریان آشفته و گردابه‌ای می‌شود.

Viscous Mixing Region (ناحیه اختلاط ویسکوز):
ناحیه‌ای که در آن لایه‌های ویسکوز از لایه مرزی و ناحیه جداشده با جریان بی‌ویسکوز اطراف ترکیب می‌شوند.

Apollo Vehicle (وسیله آپولو):
بدنه کپسول فضایی آپولو که در حال حرکت در جریان هایپرسونیک است.

چندین کشور کپسول‌های بازگشت به جو دارند که برای اهداف مختلفی از جمله بازگرداندن فضانوردان، تجهیزات و نتایج آزمایش‌ها از فضا به زمین استفاده می‌شوند.

فضاپیماهای اصلی که کپسول بازگشت به جو دارند:

ایالات متحده آمریکا:
کپسول دراگون (Dragon) شرکت SpaceX، تنها فضاپیمای باری در حال حاضر است که قابلیت بازگرداندن تجهیزات و آزمایش‌ها از ایستگاه فضایی بین‌المللی را دارد. همچنین کپسول اوریون (Orion) که برای مأموریت‌های سرنشین‌دار به ماه و فراتر از آن طراحی شده است، یک کپسول بازگشت به جو نیز دارد.
روسیه:
فضاپیمای سایوز (Soyuz) که برای حمل و نقل فضانوردان به ایستگاه فضایی بین‌المللی و بازگرداندن آنها به زمین استفاده می‌شود، دارای یک کپسول بازگشت به جو است. فضاپیمای باری پروگرس (Progress) نیز به همین منظور طراحی شده است.
چین:
چین نیز دارای فضاپیماهای سرنشین‌دار و باری است که کپسول‌های بازگشت به جو دارند. این فضاپیماها شامل فضاپیمای شنژو (Shenzhou) برای مأموریت‌های سرنشین‌دار و فضاپیماهای باری هستند.