Почему спутники LEO не имеют аэродинамической формы?

В Влияют ли атмосферные приливы на орбитальные спутники или запуски ракет? мы узнали, что атмосфера влияет на спутники на низкой околоземной орбите (НОО) и что «у большинства спутников есть что угодно, кроме красивой аэродинамической формы».

Почему спутники LEO не имеют аэродинамической формы?

Мне интересно, было бы неплохо предварить заголовок вашего вопроса фразой «поскольку спутники LEO подвержены сопротивлению» или что-то в этом роде. Для зрителей с более базовыми знаниями о космосе, если это не сказано, они могут недооценить вопрос, думая, что в космосе нет сопротивления.
@briligg Это было бы довольно длинное название. Сам вопрос достаточно понятен.
Хе. Напоминает мне «почему межзвездные транспортные средства SciFi почти всегда снабжены рулями направления и элеронами?»
Форма не имеет большого значения, но вы должны прочитать о режиме «Ночной планер» на МКС. Они фактически вращают солнечные панели ночью и могут уменьшить сопротивление до 30%.

Ответы (1)

Почему спутники LEO не имеют аэродинамической формы?

Потребность в электроэнергии превосходит потребность в снижении лобового сопротивления. Это означает значительную площадь поперечного сечения для поступающего солнечного излучения. Иногда это поперечное сечение солнечного излучения хорошо (или не очень) соответствует поперечному сечению сопротивления.

Что еще хуже, трудно утверждать, что какая-либо форма является «аэродинамической» на низкой околоземной орбите. В тропосфере коэффициент аэродинамического сопротивления обтекаемого объекта может быть менее одной десятой коэффициента сопротивления сферического тела, что, в свою очередь, составляет примерно четверть коэффициента аэродинамического сопротивления хорошо сконструированного парашюта. На орбите стандартное значение коэффициента аэродинамического сопротивления составляет 2,2, независимо от формы. Имейте в виду, что парашюты обычно имеют коэффициент сопротивления 1,75. Согласно этому стандартному представлению, форма не имеет значения, и какую бы форму ни имел объект, он менее аэродинамический, чем парашют. Все, что имеет значение, это площадь поперечного сечения.

Несколько недавняя статья Кеннета и Милдред Мо, Мо и Мо (2005), «Взаимодействие газ-поверхность и коэффициенты сопротивления спутников», Planetary and Space Science 53.8:793-801 ставит под сомнение этот стандартный коэффициент сопротивления 2,2. На высоте более 200 км коэффициент лобового сопротивления большинства форм превышает 2,2. Объекты в космосе не являются «аэродинамическими».


Обновление: почему форма не имеет значения (по крайней мере, не так сильно)
Для объектов, движущихся через тропосферу, форма объекта оказывает существенное влияние на сопротивление. Коэффициент аэродинамического сопротивления может варьироваться в сорок раз в зависимости от формы. Форма гораздо менее важна в термосфере. Там коэффициент аэродинамического сопротивления меняется, может быть, в два раза вместо сорока. Более того, те самые формы, которые считаются аэродинамическими в тропосфере, могут иметь очень высокий коэффициент сопротивления в термосфере.

Например, плоская пластина, ориентированная нормально к ветровому потоку, имеет форму, близкую к наихудшей форме, которую может иметь объект в тропосфере с точки зрения сопротивления. (Конечно, парашют еще хуже.) Стрела с наконечником красивой формы имеет значительно меньший коэффициент аэродинамического сопротивления, чем плоская пластина. В термосфере ситуация обратная. Это плоская пластина с более низким коэффициентом аэродинамического сопротивления.

Причина этого изменения заключается в том, как работает сопротивление в нижних слоях атмосферы по сравнению с верхними слоями атмосферы. Средний свободный пробег между столкновениями атмосферных молекул чрезвычайно мал в тропосфере. С другой стороны, средний свободный пробег колеблется от четверти километра на высоте 200 километров до 2,6 километра на высоте 300 километров и сотен километров на высоте 600 километров. Такая большая длина свободного пробега означает, что сопротивление действует в термосфере совершенно иначе, чем в тропосфере. Вязкость является доминирующей силой в тропосфере. Вязкость практически равна нулю в термосфере.

Вместо этого сопротивление в термосфере описывается свободным молекулярным потоком. Молекулы атмосферы в термосфере не «знают» о существовании объекта, подверженного торможению, пока не столкнутся с ним. К тому времени, когда окружающие молекулы взаимодействуют с молекулами, столкнувшимися с объектом, объект уже давно исчез.

Можете ли вы сказать, почему коэффициенты лобового сопротивления такие высокие, когда атмосфера такая разреженная? Кажется, что чем меньше молекул, тем больший эффект оказывает влияние каждой из них.
@briligg Слишком высокое число Рейнольдса в экзосферах. В основном потому, что вязкости не существует, а в сопротивлении тел без обтекаемости больше не преобладает составляющая давления в области следа при чрезвычайно высоких числах Рейнольдса. И наоборот, обтекаемость не помогает, создавая пограничный слой, эффективно расширяющий эту обтекаемость за счет локального давления воздуха при более высокой вязкости атмосферного давления. Вы должны быть на крайне низком НОО для оптимизации, чтобы иметь большое значение, но некоторые спутники были оптимизированы, например, GOCE и трио Swarm (все ESA).
@TildalWave - я думаю, вы имели в виду чрезвычайно высокие числа Рейнольдса. Возможно, слишком упрощенно, число Рейнольдса — это отношение сил инерции к силам сопротивления. Число Рейнольдса даже не имеет смысла над мезосферой, потому что сопротивление изменяется от того, что связано с вязкостью, к тому, что связано со свободным молекулярным потоком.
@DavidHammen Да, вот и все, я всегда все путаю с этим LOL В основном р в л мю куда мю → 0 (в значительной степени несуществующие вязкие силы). Так да, р е → ∞ . Cпасибо за исправление! Я злоупотребил полномочиями мода и отразил это в первоначальном комментарии. ;)
@briligg, кажется, что ваш первый комментарий к этому ответу должен быть отдельным вопросом. Вы хотите опубликовать это?
@JamesJenkins - я верю, что ты прав. Я сделаю снимок.
@DavidHammen - о боже. Я разместил вопрос отдельно, как предложил Джеймс, но, возможно, это излишне ... этот ответ теперь хорошо охватывает все, и в заголовке, вероятно, есть то, что кто-то будет искать, если ищет информацию по теме ... я думаю, я буду удалить другой вопрос.
«Согласно этому стандартному представлению, форма не имеет значения, и какую бы форму ни имел объект, он менее аэродинамический, чем парашют» ... вы имеете в виду более аэродинамический. Чем менее аэродинамично что-то, тем больше у него сопротивление, что, кажется, противоречит тому, что вы пытались сказать?
@GreenAsJade - Хороший парашют (в тропосфере) имеет коэффициент лобового сопротивления 1,75. Коэффициент сопротивления практически любого объекта в термосфере превышает 2,0. С точки зрения коэффициента лобового сопротивления парашют (в тропосфере) более аэродинамичен, чем почти любой объект на низкой околоземной орбите.
Ха - рад, что мы прояснили! Я, конечно, не понял это должным образом!
Спасибо, что не перенесли это расширенное обсуждение в чат. Отлично было прочитано :).
Не могли бы вы уточнить, как плоская пластина, ориентированная перпендикулярно направлению движения, может быть более аэродинамичной, чем стрела? Даже не обращая внимания на нулевую вязкость, наверняка площадь его поверхности, открытая в направлении движения, заставит его столкнуться с гораздо большим количеством частиц, чем стрелка (даже если мы предположим, что обе они имеют одинаковую общую площадь поверхности)?
@Rob - Стрела (или любой длинный цилиндр, летящий с длинной осью, параллельной вектору скорости) имеет два члена, которые приводят к сопротивлению: член, пропорциональный площади поперечного сечения, нормального к потоку, плюс еще один член, пропорциональный площадь поперечного сечения параллельна потоку. Этот второй член может доминировать для достаточно длинного цилиндра. Второй член обусловлен столкновениями вдоль стенки цилиндра. Поскольку константа пропорциональности для первого члена изменяется не более чем в два раза на низкой околоземной орбите, стрелы и другие длинные тонкие объекты не являются аэродинамическими в космосе.
Почему спутники LEO не имеют аэродинамической формы?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 4v