Какова типичная относительная скорость столкновения орбитального мусора на низкой околоземной орбите?

Мы все знаем, что в космосе нужно двигаться очень быстро. Мы также знаем, что при столкновении важна не абсолютная скорость, а относительная скорость. (Две машины с одинаковыми скоростями на шоссе, соприкасающиеся друг с другом, не обязательно приводят к большим повреждениям, но если бы одна из них стояла на месте, это, вероятно, произошло бы.) Большая часть орбитальных космических аппаратов находится на прямонаправленных орбитах просто потому, что они легче и если не активно помогает, то по крайней мере не болит; это также снижает относительную скорость между ними.

Тем не менее, люди продолжают говорить, что столкновения на орбите происходят на таких экстремальных скоростях.

Какова типичная относительная скорость столкновения части орбитального мусора с действующим космическим кораблем на низкой околоземной орбите? Каковы значения компонент вектора этой скорости?

Бонусные баллы за ответы, содержащие цитаты.

Также бонусные баллы за ответы, которые включают данные, из которых получен «типичный».

Чего заслуживает этот вопрос, так это ответа, который анализирует различные орбитальные плоскости спутников на НОО, поскольку они также должны быть репрезентативными для мусора. Большинство спутников на НОО не имеют наклонения 0, и даже невозможно (как таковое) запустить с наклонением 0 из основных космопортов, поэтому почти все спутники НОО находятся на орбитах с различным наклоном - некоторые из них похожи на солнечно-синхронные, даже слегка ретроградные. Таким образом, должно быть много возможностей для столкновений на значительной доле или даже выше орбитальной скорости.
@BlakeWalsh Вы заметите, что я специально не предполагал в этом вопросе какого-либо конкретного наклонения орбиты, а только то, что «большая часть» орбитальных космических аппаратов на НОО находится на прямой орбите.
Есть частичный ответ и несколько полезных ссылок, но было бы здорово получить более полный ответ, хотя я хотел бы увидеть фактическое распределение, а не просто что-то, сведенное к одной «типичной» скорости. Я бы не перестал пристегиваться ремнями безопасности, даже если бы «типичное» автомобильное мероприятие было чревато авариями.
Беглый взгляд здесь показывает, что «большие куски» (~ 30 см и больше) хорошо распределены между низким и высоким наклоном. Связанные крошечные части и другие семейства будут иметь свой собственный характер, но будет значительная доля пар с низким и высоким начислением. редактировать: лучшая математика (и другая скорость) показана здесь: spaceacademy.net.au/watch/debris/collvel.htm
@uhoh Действительно; обсуждение в комментариях к ответу Тристана во многом вдохновило меня задать этот вопрос. Я также немного отредактировал вопрос, чтобы попытаться решить вашу проблему, не делая вопрос слишком широким.
Поскольку вам нужны подробные данные и цитаты, я не буду давать ответ, поскольку базовые продукты данных контролируются экспортом. Это зависит от высоты и наклона вашей орбиты, но для МКС типичная скорость орбитального мусора составляет 11 км/с. Не стесняйтесь копаться на ntrs.nasa.gov с поисковым запросом ORDEM для подтверждения.
Как бы мы определили «типичный»? Медиана? В среднем? Режим? Средневзвешенное значение по массе обломков? Взвешено по синусу угла падения? Настоящая историческая или только ожидаемая? На наклонных орбитах «общий максимум» составит ~11 км/с. Редкие ретроградные орбиты дают ~16 км/с. Мусор на орбитах с большим эксцентриситетом также увеличивает максимальное значение (на НОО). Половина этого числа — ~5,5 — скорее всего, будет средним значением, но маловероятно, что это мода (наиболее часто встречающееся значение).
@Tristan Данные и цитаты хороши, но не обязательны. Отсюда и «бонусные баллы».
@СФ. Честно говоря, я готов использовать любое определение «типичного», которое, по мнению респондентов, лучше всего иллюстрирует доступные данные или их расчеты.

Ответы (3)

Взгляните на этот ответ Марка Адлера. Как видите, небольшая панель за 15 лет выдержала множество ударов. Я ожидал бы, что было множество ударов по всем. Сомневаюсь, что кто-нибудь знает, какова была средняя скорость удара.

Однако я попытаюсь дать вам несколько инструментов для изучения различных сценариев.

введите описание изображения здесь

Дан треугольник с длинами a, b, c:
с 2 знак равно а 2 + б 2 − 2 а б * с о с ( α )
куда α это угол между а и b.

Закон косинусов может показаться сложным. Но если вы помните, что cos(90º) равен нулю, вы можете увидеть, что теорема Пифагора исчезает, когда альфа равна 90º. Итак, если вы просто запомните − 2 а б * с о с ( α ) часть, остальное — теорема Пифагора, которую вы выучили в старшей школе.

И когда вы выполняете вычитание векторов, третья сторона треугольника — это дельта v между первыми двумя векторами скорости.

Ниже показан ряд векторов скорости 7,7 км/с, образующих разные углы с исходным вектором скорости 7,7 км/с. Это векторы от круговых низких околоземных орбит высотой 300 км:

введите описание изображения здесь

Почему вы предполагаете, что большинство спутников и мусора находятся под углом 30º или меньше? Для США и в еще большей степени России смена самолета будет очень дорогой для выхода на орбиту с малым наклонением, кроме того, экваториальная НОО будет полезна только для обслуживания (шпионажа) стран на экваторе, в то время как я ожидаю, что США и Россия в основном заинтересована в себе или друг в друге, поэтому отдает предпочтение более высоким склонностям (ведь высокие наклонности могут также обслуживать (шпионить) экватор). Все ссылки, которые я могу найти, имеют большинство спутников LEO между 30 и 110 градусами.
@BlakeWalsh Это было просто предположение с моей стороны. Погуглив, кажется, вы правы. Я удалил последние два абзаца своего ответа.
Большинство активов LEO имеют высокую склонность. Огромное число между 70 и 98 градусами.
Есть более простая формула, когда a и b равны: c = 2 * a * sin(α/2).

Не уверен, насколько точным вам нужен ответ, но если подумать о первой космической скорости и скорости убегания, это может быть значение только между ними. Итак, что-то между ~ 7,8 км / с - 11,2 км / с.

Конечно, как вы упомянули, относительная скорость имеет значение. Орбиты обломков могут быть противоположны орбите космического корабля, поэтому теоретическая максимальная относительная скорость будет 11,2 км/с + ~7 км/с = ~ 18 км/с (поскольку вы говорите о НОО, а не о ХЭО или что-то в этом роде). Поскольку большинство запусков происходит на прямой орбите, я полагаю, что большая часть обломков также будет находиться на прямой орбите, поэтому большинство столкновений, вероятно, происходит при относительной скорости перигея ВЭО (9-11 км/с). в зависимости от орбиты) и скорости КА на НОО (~7-7,5 км/с). Однако в худшем случае это около 19 км / с, как упоминалось ранее.

Однако возможны все скорости ниже этой, поскольку наклоны между космическими кораблями могут различаться, что приводит к очень разным относительным скоростям.

Похоже, хороший ответ для меня. Кто проголосовал против и почему? Я дал этому голос.

Я вычислил простой пример. Два объекта находятся на круговой низкой орбите, но в разных плоскостях. Скорость удара зависит от угла между плоскостями орбиты. Я использую 7,8 км/с для скорости на орбите.
Для угла 5° разность векторных скоростей составляет 0,68 км/с, для 10° 1,36 км/с, для 15° 2,04 км/с, для 30° 4,04 км/с, для 45° 5,96 км/с и для 90°. ° 11,04 км/с.
Две орбиты с разностью углов 45° к плоскости экватора в противоположных направлениях имеют между собой разность углов 90°.
Возможны скорости удара от 1 до 11 км/с.

Я думаю, вы упускаете эллиптический мусор. В таких случаях, как орбита Молния, она может составлять около 10 км на НОО.
@Antzi Разница между 7,8 и 10 км / с не так уж велика. Вы можете добавить расчет для эллиптических орбит.
Лучше перепроверьте математику. Я тоже ошибся в первый раз. При 90 градусах относительная скорость равна 2 × в 0 или 1,414 умножить на 7,8 км/с См. эту ссылку .
Два объекта, оба с наклоном 30 градусов, но с противоположными локальными сетями, должны столкнуться точно с орбитальной скоростью, поскольку составляющая скорости, которая не компенсируется, должна быть 2 x sin(30)
Цифры неверны. Даны две орбиты со скоростью 7,8 км/с: 5º 0,68 км/с, 45º 7,1 км/с, 60º 7,8 км/с (в этом случае оба вектора скорости и вектор дельты V образуют стороны равностороннего треугольника), 90º 10,9º ( В этом случае равнобедренный прямоугольный треугольник, гипотенуза равна sqrt (2) раз с каждой стороны).
Да, они ошиблись в два раза. Сейчас редактирую номера. Поздравляем всех, кто обнаружил, что значения неверны.
@HopDavid Да, цифры были неверными. Но ваше значение для 90° тоже неверно, 7,8*1,4142 это 11,03
@Uwe Я использовал 7,7 км / с в своей электронной таблице. Чтобы посмотреть на ваш, я изменил первую строку на 7,8, но забыл изменить следующие строки. Так что другие числа в моем комментарии тоже неверны, за исключением первой строки.
Какова типичная относительная скорость столкновения орбитального мусора на низкой околоземной орбите?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v