Насколько «феррариподобным» был GOCE? Был ли его коэффициент аэродинамического сопротивления таким же низким, как у автомобиля?

В этом комментарии упоминается:

Это соотношение между сопротивлением и массой доведено до относительного (для спутников) предела в GOCE , который, я думаю, должен быть близок к Земле, чтобы точно ощущать изменения силы тяжести, но «обтекаемый» (иметь малую площадь лобовой поверхности), чтобы не замедляться. слишком много для достижения продолжительности миссии не менее 20 месяцев. Некоторые называли его «Космическим Феррари» (Phys.org, 12 сентября 2013 г.: «Космический Феррари» должен упасть на Землю ).

И в этой статье Phys.org говорится:

Circulation Explorer (GOCE) вращается на чрезвычайно низкой высоте всего в 260 километров (160 миль), где есть затяжные молекулы атмосферы.

Чтобы уменьшить лобовое сопротивление, он имеет стреловидную восьмиугольную форму и два ребра для обеспечения дополнительной аэродинамической устойчивости, в отличие от коробчатой ​​формы спутников, которые работают в полном космическом вакууме.

Он остается в воздухе благодаря ионному двигателю, который начал с запаса топлива в 41 кг (90,2 фунта), а теперь сократился примерно до двух килограммов (4,4 фунта), сказал Руне Флобергхаген на симпозиуме ЕКА в Эдинбурге, Шотландия.

Вопросы):

  1. Орбита космического корабля была настолько низкой, что двигатели должны были работать непрерывно, чтобы противодействовать сопротивлению, или они просто работали с перерывами? Если прерывистый, примерно, каков был рабочий цикл.
  2. Насколько примерно ниже было сопротивление GOCE по сравнению с типичным космическим кораблем или сферой той же массы. Был ли у него такой же низкий коэффициент аэродинамического сопротивления, как у настоящего Ferrari?
FWIW, у Феррари на самом деле не особенно низкое сопротивление. Они разработаны в основном для того, чтобы выглядеть круто и, возможно, для создания прижимной силы на более высоких скоростях. Самое низкое лобовое сопротивление Ferrari, которое я смог найти при быстром поиске, — это California, 0,32: en.wikipedia.org/wiki/Ferrari_California Многие обычные седаны в наши дни имеют гораздо более низкое лобовое сопротивление: carbuzz.com/features/…

Ответы (2)

  1. Ионный двигатель работал непрерывно, чтобы немедленно компенсировать сопротивление. Сила сопротивления сильно менялась в течение каждого витка (т. е. менялась от ночи к дню), обычно от 4 до 12 мН на поверхности площадью 1 м².

  2. Точно нет. Коэффициент аэродинамического сопротивления был примерно в 10 раз выше. Низкий с Вт то, что может быть достигнуто в плотной атмосфере, в основном происходит из-за эффектов потока - поток воздуха создает подушку вокруг объекта. Это заставляет большую часть воздуха плавно двигаться вокруг и не ударять объект напрямую.

    В космосе воздух настолько разрежен, что такого эффекта нет, и каждая частица попадает прямо в спутник. Следовательно, важна не форма предмета, а только площадь его поперечного сечения (точнее, А ⋅ потому что 2 ⁡ ( α ) для угловых поверхностей).

    GOCE имел цилиндрическую форму с нижней стороной 1 м² и длиной 5 м. Куб того же объема имел бы в 3 раза большее поперечное сечение и, следовательно, в 3 раза большее сопротивление.

Re Куб того же объема будет иметь в 3 раза большее поперечное сечение и, следовательно, в 3 раза большее сопротивление. Это предполагает, что коэффициент сопротивления куба такой же, как коэффициент сопротивления GOCE. Это не относится к делу. GOCE имел коэффициент аэродинамического сопротивления выше среднего,
@DavidHammen - у куба почти такой же коэффициент лобового сопротивления, если он движется лицом к ветру. Средний спутник этого не делает и поэтому имеет более низкую с ж .
Разве заостренный конус совсем не выгоден?
@ikrase Не так уж и много. В случае идеальных упругих столкновений вы могли бы немного выиграть, но, как написал uhoh в другом комментарии: space.stackexchange.com/questions/46144/…

Насколько примерно ниже было сопротивление GOCE по сравнению с типичным космическим кораблем или сферой той же массы. Был ли у него такой же низкий коэффициент аэродинамического сопротивления, как у настоящего Ferrari?

Коэффициент аэродинамического сопротивления GOCE был выше , чем у типичного космического корабля. Из Geul, J., E. Mooij и R. Noomen. «Статистические прогнозы повторного входа GOCE». Материалы 7-й Европейской конференции по космическому мусору. 2017,

Коэффициент лобового сопротивления для α = β = 0◦ равен 3,15 по сравнению с CD = 13,24 для α = 90.

Подобные, если не худшие, цифры можно найти и в других местах. Каноническое значение коэффициента лобового сопротивления космического корабля составляет 2,2, независимо от формы. Это каноническое значение восходит к 1960-м годам.

GOCE имел небольшое поперечное сечение по ветру, но при этом был длиннее обычного космического корабля. Длинный, тонкий космический корабль испытывает сопротивление в той части космического корабля, которая номинально параллельна вектору ветра. Феррари и хорошо спроектированные реактивные самолеты также страдают от такого сопротивления, но в гораздо меньшей степени. Аэродинамическая форма имеет тенденцию отталкивать воздух в плотной атмосфере. Это не относится к низкой околоземной орбите.

Причина, по которой коэффициент лобового сопротивления GOCE выше среднего, заключается в том, что определение коэффициента лобового сопротивления космического корабля зависит только от площади его поперечного сечения. Любое сопротивление, возникающее в результате того, что части космического корабля, которые номинально скрыты поперечным сечением космического корабля, добавляется к коэффициенту сопротивления.

Тем не менее, GOCE потребовалось бы гораздо больше топлива для поддержания орбиты, если бы он имел кубическую или сфероидальную форму с тем же объемом. Высокий коэффициент аэродинамического сопротивления GOCE отчасти является артефактом того, как определяется коэффициент аэродинамического сопротивления. Но GOCE — это не Ferrari. Ни одно транспортное средство на низкой околоземной орбите не похоже на Ferrari в том смысле, что форма Ferrari резко снижает лобовое сопротивление по сравнению с автомобилем или грузовиком, имеющим форму тостера.

Был ли у него такой же низкий коэффициент аэродинамического сопротивления, как у настоящего Ferrari?

Настоящая Феррари имеет коэффициент аэродинамического сопротивления около 0,33. Хорошо сконструированный парашют имеет коэффициент аэродинамического сопротивления около 1,5. Коэффициент аэродинамического сопротивления GOCE более чем в два раза выше, чем у хорошо спроектированного парашюта. Так что нет, GOCE не был Ferrari. Однако это было «лучше», чем парашют — как парашют. (Правильно спроектированный парашют должен иметь высокий коэффициент лобового сопротивления.)

Хорошо, это ответ, заставляющий задуматься! Начиная с формы Ф Д "=" 0,5 р в 2 С Д А , объект представляет собой плоскую двумерную поверхность, молекулы воздуха имеют нулевую поперечную скорость и упруго рассеиваются назад , то я вижу, как С Д может достигать 4. Конечно, это не то, что на самом деле происходит при столкновениях. Но единственный способ, которым я могу видеть, что коэффициент лобового сопротивления может зависеть от длины сторон, если он направлен прямо «на ветер», - это если воздух имеет значительную температуру и много случайных поперечных скоростей.
Я подумаю над этим день-два, а потом, возможно, сформулирую другой вопрос. Спасибо за этот обстоятельный ответ!
@david-hammen Не могли бы вы процитировать вклад областей, выровненных с ветром? Я не понимаю, как они могут иметь какое-либо существенное влияние на орбиту с очень низкой молекулярной плотностью.
@uhoh: «Конечно, это не то, что на самом деле происходит при столкновениях» - это именно то, что происходит - за исключением тех молекул, которые прилипают к спутнику и позже высвобождаются с более низкой относительной скоростью. Но они по-прежнему вносят на 50% больше, чем те, которые «отражаются».
@asdfex нет, я почти уверен, что когда молекула ударяется о поверхность со скоростью несколько тысяч метров в секунду, происходит множество незеркальных и неупругих процессов. Во-первых, если космический корабль не является полированным кристаллом, атомарная шероховатость присутствует, поэтому рассеяние будет иметь распределение по направлениям, и передача импульса не будет полной. Во-вторых, столкновение вызовет поток фононов и даже может привести к выбросу атомов с поверхности. В-третьих, как вы упомянули, могут быть слипания и другие молекулярные осложнения.
@asdfex см. Как смоделировать рассеяние атомов от твердых стенок при конечной температуре для частиц в моделировании ящика? и ссылки в нем. (...В-четвертых, поверхность имеет конечную температуру и уже полна фононов, которые могут менять направление рассеянных молекул)
@DavidHammen «CD = 13.24», который вы цитируете, похоже, использует странное определение с Д который не принимает во внимание измененное поперечное сечение, поэтому какое определение с Д они используют?
@asdfex - в упомянутой статье утверждается это значение без цитирования или расчета. Вы правы, это довольно странное значение. Я подозреваю, что они использовали одну и ту же площадь поперечного сечения независимо от угла бокового скольжения при расчете коэффициента сопротивления.
Насколько «феррариподобным» был GOCE? Был ли его коэффициент аэродинамического сопротивления таким же низким, как у автомобиля?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v