Warum sind LEO-Satelliten nicht aerodynamisch geformt?

Warum sind LEO-Satelliten nicht aerodynamisch geformt?

Der Bedarf an elektrischer Leistung überwältigt die Notwendigkeit, den Luftwiderstand zu reduzieren. Das bedeutet eine beträchtliche Querschnittsfläche für die einfallende Sonnenstrahlung. Manchmal korrespondiert dieser Querschnitt zur Sonneneinstrahlung gut (oder nicht so gut) mit dem Querschnitt zum Ziehen.

Was noch schlimmer ist, es ist schwer zu behaupten, dass irgendeine Form in einer niedrigen Erdumlaufbahn "aerodynamisch" ist. In der Troposphäre kann der Luftwiderstandsbeiwert eines stromlinienförmigen Objekts weniger als ein Zehntel desjenigen eines kugelförmigen Körpers betragen, der wiederum etwa ein Viertel des Werts eines gut konstruierten Fallschirms beträgt. Im Orbit beträgt der Standardwert für den Luftwiderstandsbeiwert 2,2, unabhängig von der Form. Denken Sie daran, dass Fallschirme normalerweise einen Luftwiderstandsbeiwert von 1,75 haben. Nach dieser Standardansicht spielt die Form keine Rolle, und welche Form ein Objekt auch immer hat, es ist weniger aerodynamisch als ein Fallschirm. Wichtig ist nur die Querschnittsfläche.

Eine etwas neuere Veröffentlichung von Kenneth und Mildred Moe, Moe & Moe (2005), „Gas–Surface Interactions and Satellite Drag Coefficients“, Planetary and Space Science 53.8:793-801 stellt diesen Standard-Widerstandskoeffizienten von 2,2 in Frage. Über 200 km Höhe haben die meisten Formen einen Luftwiderstandsbeiwert von über 2,2. Objekte im Weltraum sind nicht "aerodynamisch".

Update: Warum die Form keine Rolle spielt (zumindest nicht so sehr)
Bei Objekten, die sich durch die Troposphäre bewegen, hat die Form des Objekts einen dramatischen Einfluss auf den Luftwiderstand. Der Luftwiderstandsbeiwert kann je nach Form um den Faktor vierzig variieren. Form ist viel weniger wichtig in der Thermosphäre. Dort variiert der Luftwiderstandsbeiwert vielleicht um den Faktor zwei statt um den Faktor vierzig. Darüber hinaus können gerade die Formen, die in der Troposphäre als aerodynamisch geformt angesehen werden, in der Thermosphäre einen sehr hohen Luftwiderstandsbeiwert haben.

Beispielsweise hat eine senkrecht zur Windströmung ausgerichtete flache Platte in Bezug auf den Luftwiderstand nahezu die schlechteste Form, die ein Objekt in der Troposphäre haben kann. (Ein Fallschirm ist natürlich noch schlimmer.) Ein Pfeil mit einer schön geformten Pfeilspitze hat einen deutlich kleineren Luftwiderstandsbeiwert als eine flache Platte. In der Thermosphäre ist die Situation umgekehrt. Es ist die flache Platte, die einen niedrigeren Luftwiderstandsbeiwert hat.

Der Grund für diese Umkehrung ist die Art und Weise, wie der Luftwiderstand in der unteren Atmosphäre im Vergleich zur oberen Atmosphäre wirkt. Die mittlere freie Weglänge zwischen Kollisionen atmosphärischer Moleküle ist in der Troposphäre extrem kurz. Andererseits reicht die mittlere freie Weglänge von etwa einem Viertelkilometer in 200 Kilometer Höhe über 2,6 Kilometer in 300 Kilometer Höhe bis hin zu Hunderten von Kilometern in 600 Kilometer Höhe. Diese lange mittlere freie Weglänge bedeutet, dass der Luftwiderstand in der Thermosphäre ganz anders wirkt als in der Troposphäre. Viskosität ist die dominierende Kraft in der Troposphäre. Die Viskosität ist in der Thermosphäre im Wesentlichen Null.

Stattdessen wird der Luftwiderstand in der Thermosphäre durch freie Molekularströmung beschrieben. Atmosphärische Moleküle in der Thermosphäre „wissen“ nichts von der Existenz des Objekts, das dem Widerstand ausgesetzt ist, es sei denn, sie kollidieren damit. Das Objekt ist längst verschwunden, wenn umgebende Moleküle mit den Molekülen interagieren, die mit dem Objekt kollidierten.