Kann ein modifiziertes Sonnensegel die Erdatmosphäre nutzen, um eine exzentrische Umlaufbahn zu korrigieren?

Anscheinend wurde diese Frage bearbeitet, während ich sie beantwortete. Auf die Frage „Können Sie Auftrieb erzeugen?“: Mit einem Wort, nein. Aus zwei Hauptgründen.

Erstens wird der Auftrieb, wie wir ihn kennen und wie er in der klassischen Auftriebsgleichung kodifiziert ist, in einem Kollisionsgas erzeugt, dh der durchschnittliche Abstand zwischen molekularen Kollisionen (" mittlere freie Weglänge ") ist viel kleiner als die Abmessungen des Objekts, das den Auftrieb erzeugt . Dies gilt nicht in Orbitalhöhen. (Siehe die Diskussion in David Hammens Antwort auf "Warum sind LEO-Satelliten nicht aerodynamisch geformt?") Aufgrund des Fehlens von molekularen Kollisionen können die Moleküle, die "über" den "Flügel" fliegen, nicht von ihrer Bahn abgelenkt werden, um der Kontur des Flügels zu folgen wie die traditionelle Navier-Stokes- Annäherung an die Strömung würde nahelegen. Die klassische Auftriebsgleichung kann also nicht verwendet werden.

Wenn der klassische Auftriebsmechanismus ungültig ist, ist die einzige andere mögliche Auftriebsquelle die molekulare Ablenkung, bei der ankommende Moleküle mit der Oberfläche des Objekts kollidieren und diese Oberfläche quasi spiegelnd reflektieren ("abprallen"), was zu einem Nettoimpuls führt Austausch, der eine Kraft erzeugt. Aber um diese Kraft zu erhalten, braucht man zumindest bis zu einem gewissen Grad die quasi-spiegelnde Reflexion, und dies ist mit dem "Akkommodationskoeffizienten" verbunden, der seit den 1930er Jahren in der theoretischen und Laborliteratur und seit den 1960er Jahren in Tests im Weltraum verwendet wird . Arbeit von Kenneth und Mildred Moezeigen, dass die Messungen des Akkommodationskoeffizienten mit vollständig diffusen und langsamen Molekülbahnen nach der Kollision übereinstimmen, was darauf hindeutet, dass ein großer Teil der Moleküle an der Oberfläche adsorbiert und dann wieder emittiert wird: keine Spiegelreflexion, also keine Ablenkkraft.

Das heißt, Sie können eine Kraftkomponente aus der Reemission erhalten. Aber die Reemissionsgeschwindigkeiten liegen bei den thermischen Geschwindigkeiten für die Temperatur der Oberfläche, und diese sind viel langsamer als die Orbitalgeschwindigkeit. Die von der Wiederemission abgeleitete Kraft ist also viel geringer als die Widerstandskraft, und L / D ist so klein, dass es wertlos ist.

Übrigens zeigt die oben zitierte Forschung zum atmosphärischen Luftwiderstand im Orbit, dass es in sehr niedrigen Erdumlaufbahnen eine gewisse Variation des Luftwiderstandsbeiwerts (und damit des Akkommodationskoeffizienten) mit der Fahrzeugform gibt, aber darüber hinaus scheint er unabhängig von der Fahrzeugform zu sein . Es wäre also egal, ob die Sonnensegel dünnschichtig oder starr sind.

Die neu bearbeitete Frage lautet: „Wenn ein Sonnensegel verwendet wird, um Schub zu erzeugen, während man sich im Orbit um die Erde befindet, gewinnt die Umlaufbahn an Exzentrizität. Wenn die Umlaufbahn exzentrisch wird, nähert sich die Umlaufbahn der Atmosphäre.“ Wenn die große Halbachse a der Umlaufbahn fest bleibt, dann treibt eine zunehmende Exzentrizität tatsächlich den Periapsisradius nach unten.

Aber die Anwendung einer Kraftkomponente in Richtung des Geschwindigkeitsvektors wirkt sich auf die Erhöhung von a aus . An der Apoapsis ausgeübte Kraft wirkt dem Luftwiderstand entgegen, um den Periapsisradius zu vergrößern. Der Widerstand dort oben ist extrem gering, um zu verhindern, dass der Periapsisradius zunimmt, müsste die Ausrichtung des Sonnensegels sorgfältig gehandhabt werden, um die resultierenden Kräfte klein zu halten, sowohl entlang des Geschwindigkeitsvektors als auch senkrecht dazu. An der Periapsis entlang des Geschwindigkeitsvektors aufgebrachte Kräfte heben oder senken die Apoapsis: Antiparallele Kräfte, wie z. B. Luftwiderstand, senken die Apoapsis, während parallele Kräfte, wie z. B. die von einem richtig ausgerichteten Sonnensegel, die Apoapsis anheben. Da der Widerstand an der Periapsis am höchsten ist, wäre die Aufrechterhaltung des Apoapsis-Radius dort, wo das Sonnensegel am hilfreichsten wäre.

Die Anforderung, den Apoapsis-Radius beizubehalten, treibt die Größe des Sonnensegels voran, die erforderlich ist, um den Periapsis-Widerstand zu überwinden. Aus diesem Grund muss bei Apoapsis die Segelausrichtung sorgfältig gehandhabt werden. Das Segel ist in der Lage, Kräfte zu erzeugen, die weitaus größer sind als für die Aufrechterhaltung des Periapsis-Radius erforderlich. Eine inkompetente Handhabung der Segelausrichtung könnte große Änderungen in diesem Periapsisradius verursachen. Wenn diese Änderung nach unten geht, könnte dies zu Problemen führen.