Trifft eine der folgenden Aussagen darüber zu, was erforderlich ist, um dies zu erreichen:

• kontinuierliche Änderung seiner Rotation,
• ihm ein für alle Mal den richtigen Dreh geben,
• es passiert natürlich.

Die Antwort ist „Ja“ auf alle drei Fragen.

Wenn ein Fahrzeug richtig geformt ist und von Anfang an die richtige Drehung erhält, können natürlich auftretende Drehmomente wie das Drehmoment des Schwerkraftgradienten und das Drehmoment aus dem atmosphärischen Luftwiderstand dazu beitragen, dass sich das Fahrzeug in der gewünschten Ausrichtung dreht. Diese ist jedoch nie perfekt und es bleiben immer ungewollte Restdrehmomente.

Fahrzeuge müssen über eine Art aktives Lageregelungssystem verfügen, damit sie sich richtig orientieren können. Wenn diese Lageregelung auf Kraftstoff angewiesen ist, markiert die Erschöpfung der Kraftstofftanks das Ende der Nutzungsdauer des Fahrzeugs.

Update: Ansätze zur Lageregelung

Triebwerke verwenden.
Das Fahrzeug kann dies nur so oft tun, bevor ihm der Kraftstoff ausgeht. Für die meisten Fahrzeuge ist das das Ende der Mission. Ansätze, die den Einsatz von Triebwerken reduzieren, verlängern die Nutzungsdauer des Fahrzeugs oder ermöglichen eine größere Nutzlast. In einigen Fällen machen diese alternativen Ansätze die Notwendigkeit von Triebwerken vollständig überflüssig.

Nutzen Sie Drehmomente aus der Umgebung.
Fahrzeuge von Landsat bis zur Raumstation nutzen die externen Drehmomente, die von der Umgebung auf das Fahrzeug ausgeübt werden, anstatt sie zu bekämpfen. Umgebungsdrehmomente umfassen Schwerkraftgradientendrehmoment, atmosphärisches Drehmoment und magnetisches Drehmoment. (Es gibt auch das Druckdrehmoment der Sonnenstrahlung, aber das ist eine winzige Störung.) Einige kleine Fahrzeuge in der erdnahen Umlaufbahn, die mit magnetischen Drehmomenterzeugern ausgestattet sind, verbrauchen keinen Treibstoff. Sie bleiben funktionsfähig, bis sie wieder in die Atmosphäre eintreten.

Profitieren Sie von der Rotation.
Ein rotierendes Objekt hat einen Drehimpuls, der es schwieriger macht, sich zu drehen, als wenn sich das Objekt nicht dreht. Dies erhöht die Stabilität des Fahrzeugs (aber in einigen Fällen auch Instabilitäten). Einige der frühesten Satelliten waren spinstabilisiert.

Der nächste Schritt in der Komplexität besteht darin, das Fahrzeug so zu konstruieren, dass es aus zwei Teilen besteht, die sich um eine gemeinsame Achse, aber mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen. Die meisten Kommunikationssatelliten sind Dual-Spin-Satelliten. Der Rotor (mit Solaranlagen verputzt) dreht sich aus Stabilitätsgründen ziemlich schnell, während sich die Kommunikationsplattform nur einmal pro Tag dreht.

Ein anderer Ansatz besteht darin, die rotierenden Teile im Inneren des Fahrzeugs zu platzieren. Diese internen Rotationsvorrichtungen umfassen Schwungräder, Reaktionsräder und Steuermomentkreisel. Ein Schwungrad soll sich wie der Rotor in einem Kommunikationssatelliten mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit drehen. Ein Motor mit einer einfachen Steuerung wird benötigt, um das Rad auf Drehzahl zu bringen und dann auf dieser Drehzahl zu halten.

Das Hinzufügen der Fähigkeit, die befohlene Rotationsgeschwindigkeit zu dieser Schwungradsteuerung zu ändern, verwandelt das Schwungrad in ein Reaktionsrad. Mit dieser Fähigkeit kann Drehimpuls zwischen dem Hauptkörper des Raumfahrzeugs auf das Reaktionsrad übertragen werden. Ein Fahrzeug mit drei Reaktionsrädern, eines pro Drehachse, bietet ein aktives Mittel zur Steuerung der Fahrzeugdrehung. Reaktionsräder haben ein grundlegendes Problem darin, dass die Rotationsgeschwindigkeit zwischen einem minimalen Wert (damit der stabilisierende Einfluss nicht verloren geht) und einem maximalen Wert (damit das Rad keine strukturelle Integrität verliert) liegen muss. Ein Fahrzeug, das Reaktionsräder verwendet, benötigt einen alternativen Steuermechanismus, um dabei zu helfen, das Fahrzeug stabil zu halten, während Reaktionsräder an ihren Grenzen auf die nominale Rotationsgeschwindigkeit zurückgebracht werden.

Ein alternativer Ansatz ist ein Steuermomentkreisel (CMG). Dies sind im Wesentlichen Schwungräder mit einem anderen Motor, der gegen das rotierende Rad drückt. (Denken Sie an die apokryphen Geschichten von Physikern, die Flugzeugkreisel in Koffer steckten und sie dann als Schabernack hochschleuderten.) Die Menge an Drehmoment, die von CMGs pro angewandter Leistungseinheit erzeugt wird, kann ziemlich beeindruckend sein. Genauso wie Reaktionsräder Betriebsprobleme haben, tun dies auch CMGs. Bei CMGs ist das Problem die Gimbal-Sperre. Drehungen um eine oder mehrere Achsen werden schließlich unkontrollierbar. Ein Fahrzeug, das CMGs verwendet, benötigt einen alternativen Steuermechanismus, um dabei zu helfen, das Fahrzeug stabil zu halten, während CMGs auf ihre nominellen Drehachsen zurückgesetzt werden.

Der beste Weg, um eine Antenne immer auf die Erde gerichtet zu halten, besteht darin, ein großes Gewicht an die Spitze Ihrer Antenne zu kleben, wenn Sie es schaffen. Das Gewicht erhält mehr Zug und hält die Antenne natürlich in diese Richtung.

Abgesehen davon, dass so etwas passiv hilft, ist die nächstbeste Lösung die Spinstabilisierung. Indem Sie sich um eine Achse drehen, können Sie garantieren, dass die Achse immer ihre Richtung beibehält, wie beim Drehen eines Kreisels. Natürlich kann es zu einem gewissen Wackeln kommen, was zu einem Problem werden könnte, aber dies kann gehandhabt werden, wenn sorgfältig genug gearbeitet wird.

Wenn Sie eines dieser beiden nicht ausführen können, haben Sie höchstwahrscheinlich ein instabiles System. Dichteschwankungen, Wenden zur Aufrechterhaltung der Sonnenenergie, Sonnenwind und Lichtdruck, thermische Gradienten, all das kann eine sehr kleine Störung verursachen. Diese werden mit der Zeit vergrößert.

Das gleiche Gesicht "unten" halten

Wenn es natürlich vorkommt, gibt es dafür einen Begriff: Tidelocking.

Natürliche Orientierung

Man kann sich den Gezeitenstress zunutze machen, um auf natürliche Weise die Orientierung zu behalten.

Wenn ein Objekt von beträchtlicher Länge in die Umlaufbahn gebracht wird, erhält die Seite, die näher am Schwerpunkt liegt, etwas mehr "Zug" als das andere Ende und dreht sich um seinen eigenen Massenmittelpunkt. Dies dämpft schließlich die Rotation, um sie an die Umlaufdauer anzupassen. Dies kann jedoch Jahre dauern.

Es kann auch viel Material aufnehmen und hat andere Effekte. Es ist eine winzige Kraft, aber sie ist konstant und tiefgreifend. Bei einer geosynchronen Umlaufbahn sind es Bruchteile eines Zentimeters pro Sekunde pro Sekunde. Gerade genug, um eine stabile Wirkung zu erzielen.

Kurze Körper und insbesondere solche, die rund, klecksartig oder blockig sind, werden schließlich auch von der Flut erfasst, aber viel langsamer.

Darüber hinaus haben selbst große Objekte Probleme mit dem Zerfall der Umlaufbahn. Orbitalzerfall kommt aus mehreren Quellen: atmosphärischer Widerstand, Sonnenwindwiderstand, Sonnenwindkraft und Gezeitenspannungen. Der atmosphärische Widerstand bei den meisten erdnahen Umlaufbahnen führt zu einem Sturz, bevor die Gezeitenkraft eine große Rolle spielt. Der Solarwindwiderstand ist ähnlich, aber einige Größenordnungen geringer. Die Sonnenwindbeschleunigung "versucht" immer, die Periapsis auf die sonnenzugewandte Seite zu zwingen, ist aber eine winzige Kraft. Gezeitenspannungen versuchen, die Umlaufbahn auf die gleiche Dauer wie die Rotation des umkreisten Körpers zu ziehen.

Die meisten Objekte, die Menschen in Betracht ziehen, sind zu klein, um sich vor dem Zerfall auf natürliche Weise selbst zu orientieren.

Unnatürliche Ausrichtung

Wenn man ein Objekt in die Umlaufbahn bringt und seine Rotationslänge auf die gleiche wie seine Umlaufbahnlänge einstellt, hat man im Wesentlichen die Auswirkungen der Gezeitensperre repliziert ... solange die Längsachse ebenfalls unten ist.

Denken Sie daran, dass sich das Objekt um seinen Massenmittelpunkt dreht. Der Schwerpunkt der Schwerkraft liegt jedoch möglicherweise nicht auf dem Massenmittelpunkt, und daher ändert die Gezeitenspannung langsam die Ausrichtung des Objekts. In der Erdumlaufbahn wird dies auch durch die Gezeitenspannung des Mondes erschwert. Wohlgemerkt, die Gezeitenspannung des Mondes ist sehr gering – Nanometer pro Sekunde pro Sekunde –, die von den Millimetern pro Sekunde pro Sekunde der Erde in den Schatten gestellt wird, aber ausreichend ist, um orbitale Deformationen hervorzurufen.

Ein Satellit kann natürlich auf die lokale Vertikale ausgerichtet bleiben.

Im Orbit sind zwei Kräfte zu berücksichtigen: Schwerkraft und Zentrifugalkraft. Zentrifugalkraft ist eigentlich Trägheit in einem rotierenden Rahmen. Aber wenn Sie zufällig auf dem Karussell sind, fühlt es sich wie eine Kraft an.

Zentrifugalkraft ist$\omega^2r$und Schwerkraft ist$GM/r^2$

Um diese Auf- und Abschlepper darzustellen, verwende ich Ballons und Passagiere, die von Ballons befördert werden.

Dieses Bild zeigt ein Gleichgewicht von Schwerkraft und Zentrifugalkraft. Die Nettokraft ist Null.

Was passiert, wenn wir r verdoppeln, den Abstand vom Körpermittelpunkt?

Der Verdoppelungsradius verdoppelt den Aufwärtszug. Der Abwärtszug wird auf 1/4 reduziert. Die Nettobeschleunigung ist oben.

Und wenn wir den Radius halbieren …

Der Aufwärtszug wird halbiert, während der Abwärtszug vervierfacht wird. Die Nettobeschleunigung ist unten

Binden Sie diese drei zusammen und Sie erhalten eine Leine, die an der lokalen Vertikalen ausgerichtet bleibt:

Es gibt Satelliten, die die Stabilisierung des Schwerkraftgradienten verwenden , um ausgerichtet zu bleiben. Das hält auch viele Monde in Atem. Wenn wir jemals vertikale Halteseile oder Weltraumaufzüge haben, würde dies sie vertikal halten.

Stellen Sie sich Folgendes vor: Nehmen Sie ein Spielzeugflugzeug und binden Sie eine Schnur an einen Flügel. Drehen Sie sich nun auf der Stelle und lassen Sie das Flugzeug am Ende der Schnur fliegen. Du bist die Erde und das Flugzeug ist ein Satellit. „Dreht“ sich das Flugzeug wirklich? Oder fliegt es die ganze Zeit geradeaus, aber sein Kurs wird wegen der Schnur geändert?

Es ist genau dasselbe mit einem Satelliten, nur dass die Schnur die Schwerkraft ist. In Wirklichkeit fliegt der Satellit geradeaus, weil er vorwärts gestartet wurde, und er fällt ständig auf die Erde zu, aber seine Vorwärtsgeschwindigkeit gleicht die Anziehungskraft der Schwerkraft genau aus.

Stellen Sie es sich also nicht so sehr als Drehen vor, sondern es fliegt vorwärts mit kontinuierlichen automatischen Kursänderungen in eine kreisförmige Bahn.

Ein horizontal abgefeuertes Projektil fällt schließlich unter dem Einfluss von Schwerkraft und Luftreibung auf die Erde. Es wird während seines gesamten Fluges dieselbe Seite zur Erde zeigen, wenn es keine anfängliche Drehung gegeben hat. Wenn das gleiche Projektil im Weltraum mit genügend Kraft abgefeuert wird, dass es mit der gleichen Geschwindigkeit auf die Erde fällt, wie die Erde wegfällt, wird es niemals auf die Erde fallen und wird "in der Umlaufbahn" sein. Vorausgesetzt, es wurde kein anfänglicher Spin gegeben, wird es während seiner gesamten Umlaufbahn immer dieselbe Seite zur Erde zeigen. Gezeiten- und andere Kräfte können die Ausrichtung des Satelliten stören, und Triebwerke sind erforderlich, um die allgemeine Ausrichtung aufrechtzuerhalten, aber die Hauptbedingung besteht darin, während der gesamten Umlaufbahn dieselbe Seite zur Erde zu halten.

Dasselbe gilt für den Mond. Es ist ein Projektil, das versucht, in einer geraden Linie zu fliegen. Die Schwerkraft der Erde zieht ihn in die Umlaufbahn und muss daher die gleiche Seite zur Erde behalten.

Es gibt nichts Besonderes an der Rotation des Mondes um die Erde und es hat keine magische Drehung, die das gleiche Gesicht zur Erde behält.