Когда самолеты становятся солнечными кораблями?

Я думаю, что здесь есть несколько неправильных представлений:

• Вращающиеся тела могут создавать подъемную силу. Это известно как эффект Магнуса .
• Подъемная сила является гидродинамическим явлением: разница в скорости потока над и под движущимся телом преобразуется в разницу давлений, которая поднимает тело. Однако в очень разреженных газах этот механизм перестает работать. Это связано с тем, что когда газ становится достаточно разреженным, континуальное приближение нарушается, частицы становятся несвязанными баллистическими одиночками, и давление больше не переносится из одной точки в другую. Линия Кармана находится примерно на этой высоте, поэтому выше этого предела Лифта не существует.
• Сопротивление — это другое явление, это интеграл всех толчков с частицами, движущимися в другом направлении, и поэтому он хорошо определен и существует даже в разреженных газах.
• Движение по орбите медленнее, чем орбитальная скорость: не так много случаев, когда баланс сил$mv^2/r = GM/r^2$определяющая орбитальную скорость, расстраивается другими силами. Только тогда это может привести к другой скорости движения по орбите. В астрофизическом контексте это было бы не очень экзотично (газ в плотных протопланетных дисках или аккреционных дисках черных дыр действительно чувствует свой собственный градиент давления и магнитные моменты), но в контексте космического полета, я думаю, это было бы довольно экзотично.
• С теми же рассуждениями мы знаем, что солнечный ветер не создает подъемной силы, а только сопротивление. Сопротивление может быть либо в линейном, либо в квадратичном режиме, в зависимости от длины свободного пробега соответствующего газа. С плотностью$\sim 10$протонов на$cm^3$, я оценил средний свободный путь внутри Солнечного Ветра как$10^{12}$м, так что мы находимся в линейном режиме, и тогда время сопротивления трения вычисляется как $$t_f = \frac{r \rho_0}{c_s \rho_{gas}}$$ , с$r$размер объекта,$\rho_0$плотность предмета,$c_s$- скорость звука газа (используется для параметризации температуры, которая дает неровности, это все еще неконтинуальный газ) и$\rho_{gas}$это плотность газа. Теперь мы можем искать пересечение двух шкал времени трения,$t_f^S$солнечного ветра и$t_f^A$в атмосфере, поэтому нам требуется$t_f^S = t_f^A$, что переводится в$c_s^A \rho^A = c_s^S \rho^S$. Скорость звука зависит от температуры$T$и средняя молекулярная масса$\mu$через$c_s = \frac{k_B T}{\mu}$и я беру$T^A = 10^3K, \, T^S = 3.6\cdot 10^4 K, \, \mu^A=30, \, \mu^S=1, \rho^S= 10^{-23}g\,cm^{-3}$. Тогда это примерно сводит данный критерий к$\rho^A \approx 10^3 \rho^S$, что выполняется при плотности атмосферы$\rho^A = 10^{-20} g \; cm^{-3}$, которого мы достигаем только далеко за пределами экзосферы. Интересно, что это значение будет достигнуто радиально раньше, чем$\rho^A = \rho^S$достигается, потому что солнечный ветер намного горячее экзосферы. Я тоже ошибочно предположил, что$\mu^A$не меняется, но принятие этого во внимание не изменит окончательный вывод.

Подводя итог, с вашим предложением будет довольно много места... пока вы не достигнете места.

Редактировать:
Чтобы поддержать вычисление времени сопротивления, как указано, я ссылаюсь на Weidenschilling (1977) и ссылки в нем, в которых указывается и используется время трения для различных режимов чисел Кнудсена и Рейнольдса.

Некоторые проблемы с этим:

1. Сопротивление зависит от площади поперечного сечения, а также от давления солнечного излучения. Это означало бы, что разные космические корабли будут иметь другое определение пространства. Мы могли бы обойти это, спроектировав «стандартный космический корабль», но именно для этого в первую очередь и предназначалось определение линии Кармана.

2. Экзосфера сложна, и ее границы основаны на том, где давление солнечного излучения превышает гравитационное притяжение Земли на атом водорода . Почему водород? Почему не атомарный кислород или что-то еще?

3. Солнечное излучение непостоянно, поэтому ваше определение пространства будет меняться вместе с солнцем.

В результате нам нужно было сделать единое определение. Таким образом, космический корабль — это корабль, который действует в космосе, то есть выше линии Кармана, в какой-то момент своего полета.

Определение линии Кармана нельзя игнорировать.

Википедия:

Таким образом, линия Кармана - это самая высокая высота, на которой орбитальная скорость обеспечивает достаточную аэродинамическую подъемную силу для полета по прямой линии, не повторяющей кривизну поверхности Земли.

Если вы можете оставаться выше линии Кармана, вы космический корабль. Полная остановка.

На самом деле это немного хуже. Самолет не может оставаться где-либо вблизи линии Кармана, потому что скорость, необходимая для создания подъемной силы, слишком высока, а нагрев при входе в атмосферу обречет его. Область хорошо разделена, потому что промежуточный диапазон долгое время запрещен для обоих видов транспортных средств.

По мере приближения к линии Кармана члены уравнений движения из орбитальной динамики становятся доминирующими, а члены из аэродинамики становятся поправками к ним. На более низких высотах ситуация обратная. Продолжая движение выше линии Кармана, подъемная сила довольно быстро становится незначительной. Фактически, между линией Кармана и высотой, на которой средний свободный пробег становится таким же, как поперечное сечение корабля, не так много расстояния, что приводит к падению аэродинамической подъемной силы до нуля, оставляя только ударную подъемную силу.