Bleibt „Was jenseits von Kármán passiert, jenseits von Kármán“?

Es ist sinnlos, über Orbitaldynamik für Gase zu sprechen. Der mittlere freie Weg nach oben durch und einschließlich des cis-Mondraums ist viel kürzer als jeder nützliche Orbitalweg. Beispielsweise zeigt Abbildung 14-6 in Champion et al . die mittlere freie Weglänge als Funktion der Höhe:

Durch die Mondumlaufbahn wächst sie auf nur wenige tausend km an. Jedes ausgestoßene Gas wird also mit dem Umgebungsgas ins Gleichgewicht gebracht, bevor es realistisch entweichen oder sogar für längere Zeit umkreisen kann.

Also dann die Antwort auf diese Frage

Gibt es einen Punkt, über dem die meisten Raketenabgase nicht Teil der Erdatmosphäre werden?

kommt darauf an, was man unter Atmosphäre versteht.

• Wenn Sie „das gesamte Gas meinen, das gravitativ an die Erde gebunden ist, sogar die weltraumähnlichen Teile“, lautet die Antwort: „Wenn es in dieser Atmosphäre emittiert wird, bleibt es in dieser Atmosphäre.“

• Wenn Sie die übliche Definition von Atmosphäre, Stratosphäre und darunter meinen (dh wo „Luft“ ist), dann muss man die Bewegung des im Weltraum emittierten Gases durch die Karman-Linie auf dem Weg zur und vielleicht durch die Stratosphäre betrachten .

Die Antwort auf diesen zweiten Aufzählungspunkt hängt etwas von der Zeitskala ab.

Es gibt viele Untersuchungen zu vertikalen Mischzeiten in der hohen Stratosphäre. Leider ist es größtenteils Paywalled, aber dieses Papier von 1997 gibt Ihnen eine Vorstellung von der Komplexität und den Problemen: Es sind mehrere Mechanismen beteiligt, verschiedene Teile der Welt haben unterschiedliche Bedingungen und die Verteilung der Treiber ist (noch) nicht klar.

Das Fazit ist, dass es definitiv zu einer Vermischung von bis zu 30-50 km kommt und die Zeitskala Jahre bis einige Jahrzehnte beträgt.

Darüber hinaus wird bei niedrigen Orbitalhöhen die mittlere freie Weglänge der Atmosphäre lang. Aber es ist nicht lang im Vergleich zur Größe der Atmosphäre, und die Zeit zwischen Kollisionen ist nicht lang im Vergleich zu Jahren. Es ist klar, dass eine Diffusionsmischung stattfindet, aber das ist langsam, langsamer als die Beobachtung. Es ist nicht klar, welche Massenmischmechanismen dominieren (insbesondere die Rolle von Kollisionen mit Ionen erhält viel Aufmerksamkeit und mehr als ein paar akademische Argumente), aber über Jahrzehnte ist eine Massenmischung eindeutig vorhanden.

Was in der Literatur, zumindest meines Wissens, nicht klar ist, ist die Antwort auf genau die hier gestellte Frage: Was ist die Zeitskala für das Mischen über den Boden der Thermosphäre und über die Oberseite der Stratosphäre?

Wenn es ausschließlich durch die Diffusion des vertikalen Gleichgewichts angetrieben wird, würde die Zeitskala wahrscheinlich Jahrhunderte betragen. Aber es könnte Mechanismen geben, die zB durch solare und ionische Wechselwirkungen angetrieben werden, die die Vermischung erheblich beschleunigen. Es ist eine schwierige Region zu untersuchen, und es ist nicht klar, wann dies geklärt wird.

Die Antwort lautet also "Nein, nicht, wenn Sie lange genug warten, aber wir wissen noch nicht, wie lange das ist."

Praktisch alle Abgase bleiben in der Atmosphäre, das meiste davon in der sehr hohen Atmosphäre. Um zu fliehen, müsste es Fluchtgeschwindigkeit erreichen. Es geht tatsächlich in die falsche Richtung und wird daher nicht die Energie haben, zu entkommen. Etwas davon, das leicht genug ist, wie übrig gebliebener Wasserstoff, könnte entweichen, aber es wird nicht so viel sein. Die einzigen Abgase, die der Erde entweichen könnten, sind interplanetare Missionen, bei denen je nach Flugbahn das letzte Abgas aus der Atmosphäre entweichen kann, oder rückläufige Abgase von einer Orbitalmission.

Ich vermute, dass fast alle Starts von der Erde den Raketenauspuff in der Erdumlaufbahn belassen werden, um bald zur Erde zurückzukehren, insbesondere weil die meisten Raketenschüsse fast in prograder Richtung erfolgen, was bedeutet, dass der Auspuff weniger Energie hat als der Rest der Umgebung.

Von allen Umweltauswirkungen, die bei Raketenstarts auf der Beobachtungsliste stehen, ist der Ozonabbau das größte Problem, gefolgt von Ruß/Partikeln und schließlich den CO2-Emissionen.

Schauen wir uns eine Transferbahn an, ihre Umlaufgeschwindigkeit bei Apoapsis, Fluchtgeschwindigkeit und Austrittsgeschwindigkeit.

Für eine Ellipse mit Periapsis und Apoapsis$r_{peri}, r_{apo}$

und die kritische Abgasgeschwindigkeit ist diejenige, die aus dem Rücken eines Raumfahrzeugs auf die Apoapsis schießt und sich auf sie zubewegt$v_{apo}$hätte immer noch Fluchtgeschwindigkeit:

Wenn Sie diese aufzeichnen, können Sie sehen, dass für den zweiten Impuls bei Apoapsis für Abgasgeschwindigkeiten von 2000, 3000 und 4000 m / s (ungefähr Isps von 200, 300 und 400) das Abgas eine Austrittsgeschwindigkeit für Apoapsis von ungefähr 80.000 130 hätte .00 und 260.000 Kilometer.

Es gibt sicherlich Raumschiffe, die so weit draußen in die Erdumlaufbahn gebracht werden, aber sie sind selten.

• Was ist die höchste verwendete nichtäquatoriale Erdumlaufbahn?
• Welcher künstliche Satellit hat die weiteste Umlaufbahn um die Erde?

Bei den meisten Satelliten, die näher an der Erde in eine Umlaufbahn gebracht werden, erreicht das Abgas nicht die Fluchtgeschwindigkeit. Stattdessen umkreist das Abgas die Erde und vermischt langsam seinen Impuls mit anderen Atomen der Atmosphäre und beginnt sich zu thermalisieren und physikalisch mit der Atmosphäre zu vermischen.

Es ist eine ganz neue Wachskugel für den Elektroantrieb! Damals um die „ Jahrhundertwende “ (dh 2001) wurden Satelliten zu GEO alle (oder fast alle) mit herkömmlichem chemischem Antrieb geschickt. Vollelektrische GEO-Telekommunikationssatelliten liegen heute voll im Trend, weil sie so viel Gewicht sparen. Zusätzlich zur Verwendung des elektrischen Antriebs für die Positionshaltung, der früher unter Verwendung von Arcjets entwickelt wurde , ist jetzt der Ionenantrieb sowohl für die Positionshaltung als auch für den Übergang von LEO zu GEO durch Spiralbewegung nach außen üblich.

Sie können die Abgasgeschwindigkeit eines Ionenmotors mit abschätzen

Wählen$E=$100 keV und$m_0 c^2=$931 MeV mal 50 bis 200 AMU und Sie erhalten zwischen 0,2 und 0,1 % der Lichtgeschwindigkeit, was weit über der Fluchtgeschwindigkeit liegt. Sie können mit Sicherheit davon ausgehen, dass jeder Drehimpuls, der durch elektrischen Antrieb in der Erdumlaufbahn bei oder über einem angemessenen LEO gewonnen wird, durch einen gleichen und entgegengesetzten Drehimpuls von Ionen kompensiert wird, die aus der Rückseite des Raumfahrzeugs herausfliegen. Je nach Szenario könnten sie vom Erdmagnetfeld eingefangen werden und sich spiralförmig in die Erdpole hineinwinden, wodurch sichergestellt wird, dass der Drehimpuls auf den Festkörper der Erde übertragen wird, oder, wenn sie weit genug entfernt sind, nach dem Einknicken der Erde in das Sonnensystem austreten ' Magnetfeld, was es komplizierter macht.

Also habe ich nur gefragt, wohin die Ionen des Ionenantriebs gehen? Bleiben sie im Sonnensystem oder schießen sie hinaus in den interstellaren Raum?

Python-Skript für Mathematik und Diagramme: https://pastebin.com/47wBu6sJ

Umlaufbahn (EDIT: eher wie Fluchtgeschwindigkeit)

So in etwa. Gas ähnelt allem im Weltraum: Wenn es sich in der Umlaufbahn befindet, wird es nicht herunterkommen, bis die Atmosphäre oder die Sonnenstrahlung seine Flugbahn ausreichend zersetzt. Aber egal was passiert, es wird sich auf der Atmosphäre absetzen, wenn es im Orbit bleibt. Wenn es der Anziehungskraft der Erde entgeht, wird es niemals herunterkommen.

Dabei kommt es nicht unbedingt auf die Höhe an, sondern eher auf die Umlaufbahn der Teilchen.

Der Crossover-Wert hängt vom Triebwerk ab, nämlich von seiner Abgasgeschwindigkeit und seiner Schwadenausbreitung sowie vom Aufstiegsprofil der Rakete. Die Antwort ist also, dass es nicht wirklich einen festgelegten Schwellenwert gibt, der für alle Raketen mit LP-1/LOX oder einer anderen Treibstoffkombination definiert, wann 50 % des Abgases auf die Erde zurückfallen und 50 % nicht. Es hängt ganz vom jeweiligen Raketenstart ab.

BEARBEITEN:

Lass mich meine Antwort überdenken...

Nehmen wir als Beispiel einen Merlin 1D von SpaceX an, der mit Kerosin und Sauerstoff betrieben wird.

Im Vakuum hat Merlin 1D einen spezifischen Impuls von 311 Sekunden, also unsere Abgasgeschwindigkeit$v_e=g_0\times I_{sp}$, also etwa 3.050 m/s.

Wenn die Rakete am Ende ihrer orbitalen Einführung in LEO einbrennt, bewegt sie sich mit einer Orbitalgeschwindigkeit von 7.800 m/s. Wenn das Abgas den Motor mit 3.050 m/s in die andere Richtung verlässt, dann würde die Endgeschwindigkeit des Abgases 4.750 m/s betragen, weit unter der Umlaufgeschwindigkeit. Es wird von der Atmosphäre zurückerobert.

Wenn die Abgase die Erde für immer verlassen sollen, müssen sie sich mit einer Fluchtgeschwindigkeit von 11.200 m/s von der Erde wegbewegen, und noch etwas, um andere Kräfte zu berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Rakete selbst mit Fluchtgeschwindigkeit plus Abgasgeschwindigkeit fliegen muss: 14.250 m/s. Die Rakete muss auf dem besten Weg aus dem Gravitationseinfluss der Erde sein, wenn sie im Weltraum bleiben soll.

Auch dies führt zu der gleichen Antwort, dass es keine praktischen 50 % gibt. Es ist eher ein binäres Ergebnis von Rückkehr zur Erde oder Rückkehr zur Erde. Die Höhe ist nicht wichtig, es kommt auf die Geschwindigkeit und Richtung des Auspuffs an.