Wann werden Flugzeuge zu Solarcrafts?

Ich denke, hier sind ein paar Missverständnisse zu klären:

• Rotierende Körper können Auftrieb erzeugen. Dies ist als Magnus-Effekt bekannt .
• Der Auftrieb ist ein hydrodynamisches Phänomen: Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit über und unter einem sich bewegenden Körper führen zu Druckunterschieden, die den Körper anheben. Bei sehr verdünnten Gasen funktioniert dieser Mechanismus jedoch nicht mehr. Dies liegt daran, dass, wenn das Gas dünn genug wird, die Kontinuumsnäherung zusammenbricht, Partikel zu entkoppelten ballistischen Einzelstücken werden und Druck nicht mehr von einem Punkt zum anderen übertragen wird. Die Karman-Linie ist ungefähr diese Höhe, daher existiert oberhalb dieser Grenze kein Auftrieb.
• Der Luftwiderstand ist ein anderes Phänomen, er ist das Integral aller Unebenheiten mit Partikeln, die in eine andere Richtung gehen und daher auch in verdünnten Gasen gut definiert und vorhanden sind.
• Kreisen langsamer als Umlaufgeschwindigkeit: Es gibt nicht viele Fälle, in denen das Kräftegleichgewicht besteht$mv^2/r = GM/r^2$die die Umlaufgeschwindigkeit definiert, durch andere Kräfte gestört wird. Nur dann kann dies zu einer anderen Umlaufgeschwindigkeit führen. In astrophysikalischen Kontexten wäre dies nicht sehr exotisch (Gas in dichten protoplanetaren Scheiben oder Akkretionsscheiben von Schwarzen Löchern spürt seinen eigenen Druckgradienten und magnetische Drehmomente), aber in einem Raumfahrtkontext denke ich, dass dies eher exotisch wäre.
• Aus dem gleichen Grund wissen wir, dass der Sonnenwind keinen Auftrieb erzeugt, sondern nur Luftwiderstand. Der Widerstand kann je nach mittlerer freier Weglänge des jeweiligen Gases entweder linear oder quadratisch sein. Mit der Dichte von$\sim 10$Protonen pro$cm^3$, schätzte ich den mittelfreien Weg innerhalb des Sonnenwindes$10^{12}$m, also befinden wir uns im linearen Bereich, und dann berechnet sich die Schleppreibungszeit als $$t_f = \frac{r \rho_0}{c_s \rho_{gas}}$$ , mit$r$die Objektgröße ist,$\rho_0$die Dichte des Objekts,$c_s$ist die Schallgeschwindigkeit des Gases (wird verwendet, um die Temperatur zu parametrisieren, die Unebenheiten erzeugt, es ist immer noch ein Nicht-Kontinuum-Gas) und$\rho_{gas}$ist die Dichte des Gases. Jetzt können wir nach dem Schnittpunkt der beiden Reibungszeitskalen suchen,$t_f^S$des Sonnenwindes u$t_f^A$in der Atmosphäre, so benötigen wir$t_f^S = t_f^A$, was übersetzt in$c_s^A \rho^A = c_s^S \rho^S$. Die Schallgeschwindigkeit hängt von der Temperatur ab$T$und mittleres Molekulargewicht$\mu$durch$c_s = \frac{k_B T}{\mu}$und ich nehme$T^A = 10^3K, \, T^S = 3.6\cdot 10^4 K, \, \mu^A=30, \, \mu^S=1, \rho^S= 10^{-23}g\,cm^{-3}$. Dann reduziert sich dieses Kriterium näherungsweise auf$\rho^A \approx 10^3 \rho^S$, die bei einer atmosphärischen Dichte von erfüllt ist$\rho^A = 10^{-20} g \; cm^{-3}$, die wir nur weit über die Exosphäre hinaus erreichen. Interessanterweise würde dieser Wert radial vorher erreicht werden$\rho^A = \rho^S$erreicht wird, weil der Sonnenwind so viel heißer ist als die Exosphäre. Das habe ich auch fälschlicherweise angenommen$\mu^A$ändert sich nicht, aber wenn man das berücksichtigt, würde das die endgültige Schlussfolgerung nicht ändern.

Zum Abschluss, mit Ihrem Vorschlag wäre ziemlich viel Platz ... bis Sie den Raum erreichen.

Bearbeiten:
Um die angegebene Berechnung der Schleppzeit zu unterstützen, verweise ich auf Weidenschilling (1977) und die darin enthaltenen Referenzen, in denen die Reibungszeiten für verschiedene Regime von Knudsen- und Reynolds-Zahlen angegeben und verwendet werden.

Einige Probleme damit:

1. Der Luftwiderstand hängt von der Querschnittsfläche ab, ebenso wie der Sonnenstrahlungsdruck. Dies würde bedeuten, dass verschiedene Raumfahrzeuge eine unterschiedliche Definition von Raum hätten. Wir könnten dies umgehen, indem wir ein "Standard-Raumschiff" entwerfen, aber genau dafür war die Definition der Karman-Linie in erster Linie gedacht.

2. Die Exosphäre ist kompliziert und ihre Grenze basiert darauf, wo der Druck der Sonnenstrahlung die Anziehungskraft der Erde auf ein Wasserstoffatom übersteigt . Warum Wasserstoff? Warum nicht atomaren Sauerstoff oder etwas anderes?

3. Die Sonneneinstrahlung ist nicht konstant, also würde sich Ihre Definition von Raum wieder mit der Sonne ändern

Infolgedessen mussten wir eine einheitliche Definition vornehmen. Somit ist ein Raumfahrzeug ein Fahrzeug, das im Weltraum operiert – das heißt oberhalb der Karman-Linie – an einem bestimmten Punkt seines Fluges.

Die Kármán-Liniendefinition ist nicht zu ignorieren.

Wikipedia:

Die Kármán-Linie ist daher die höchste Höhe, in der die Umlaufgeschwindigkeit ausreichend aerodynamischen Auftrieb bietet, um in einer geraden Linie zu fliegen, die nicht der Krümmung der Erdoberfläche folgt.

Wenn Sie über der Kármán-Linie bleiben können, sind Sie ein Raumschiff. Punkt.

Tatsächlich ist es etwas schlimmer. Es ist für ein Flugzeug nicht möglich, irgendwo in der Nähe der Kármán-Linie zu bleiben, da die zur Erzeugung von Auftrieb erforderliche Geschwindigkeit zu hoch ist und die Wiedereintrittsheizung es zum Scheitern verurteilt. Die Domäne ist gut aufgeteilt, denn der Zwischenbereich ist beiden Fahrzeugarten lange verboten.

Wenn Sie sich der Kármán-Linie nähern, werden die Terme aus den Bewegungsgleichungen aus der Orbitaldynamik dominant und die Terme aus der Aerodynamik werden zu Korrekturen davon. In tieferen Lagen ist die Situation umgekehrt. Oberhalb der Kármán-Linie wird der Auftrieb ziemlich schnell vernachlässigbar. Tatsächlich gibt es nicht viel Abstand zwischen der Kármán-Linie und der Höhe, bei der der mittlere freie Weg derselbe wie der Querschnitt des Fahrzeugs wird, was dazu führt, dass der aerodynamische Auftrieb auf Null abfällt und nur der Aufprallauftrieb übrig bleibt.