Wie „Ferrari-like“ war GOCE genau? War sein Luftwiderstandsbeiwert so niedrig wie der des Autos?

Dieser Kommentar erwähnt:

Diese Beziehung zwischen Luftwiderstand und Masse wird in GOCE auf ein relatives (für Satelliten) Extrem gebracht, von dem ich denke, dass es nahe an der Erde sein musste, um die Änderungen der Schwerkraft genau zu erfassen, aber "stromlinienförmig" (mit einer geringen Frontfläche), um nicht zu verlangsamen zu viel, um eine Einsatzdauer von mindestens 20 Monaten zu erreichen. Einige nannten es „den Ferrari des Weltraums“ (Phys.org, 12. September 2013: „Ferrari des Weltraums“ soll auf die Erde fallen )

Und dieser Phys.org-Artikel sagt:

Circulation Explorer (GOCE) umkreist in einer extrem niedrigen Höhe von nur 260 Kilometern (160 Meilen), wo es verweilende Atmosphärenmoleküle gibt.

Um den Luftwiderstand zu verringern, hat es eine pfeilartige achteckige Form und zwei Rippen, um zusätzliche aerodynamische Stabilität zu bieten, eine Abkehr von der kastenartigen Form von Satelliten, die im vollständigen Vakuum des Weltraums arbeiten.

Es bleibt in der Luft dank eines Ionentriebwerks, das mit einem Vorrat von 41 Kilo (90,2 Pfund) Treibstoff begann und jetzt auf etwa zwei Kilo (4,4 Pfund) gesunken ist, sagte Rune Floberghagen auf einem ESA-Symposium in Edinburgh, Schottland.

Fragen):

  1. Orbitte das Raumschiff so tief, dass die Motoren kontinuierlich laufen mussten, um dem Luftwiderstand entgegenzuwirken, oder liefen sie nur intermittierend? Wenn intermittierend, wie hoch war ungefähr die Einschaltdauer.
  2. Wie viel geringer war ungefähr der Luftwiderstand von GOCE im Vergleich zu einem typischen Raumschiff oder zu einer Kugel der gleichen Masse? Hatte er einen so niedrigen Luftwiderstandsbeiwert wie ein echter Ferrari?
FWIW, Ferraris haben eigentlich keinen besonders geringen Luftwiderstand. Sie sollen hauptsächlich cool aussehen und vielleicht bei höheren Geschwindigkeiten Abtrieb erzeugen. Der Ferrari mit dem niedrigsten Luftwiderstand, den ich bei einer schnellen Suche finden konnte, ist der California mit 0,32: en.wikipedia.org/wiki/Ferrari_California Viele gewöhnliche Limousinen haben heutzutage einen viel geringeren Luftwiderstand: carbuzz.com/features/…

Antworten (2)

  1. Der Ionenantrieb wurde kontinuierlich betrieben, um den Luftwiderstand sofort zu kompensieren. Die Widerstandskraft variierte stark während jeder Umlaufbahn (dh von Nacht zu Tag), typischerweise zwischen 4 und 12 mN auf seiner 1 m² großen Oberfläche.

  2. Absolut nicht. Der Luftwiderstandsbeiwert war etwa 10-mal höher. Das Tief C W die in einer dichten Atmosphäre erreicht werden kann, kommt meist von Strömungseffekten - die Luftströmung erzeugt ein Kissen um das Objekt. Dies zwingt die Masse der Luft, sich sanft zu bewegen und nicht direkt auf das Objekt zu treffen.

    Im Weltraum ist die Luft so dünn, dass es keinen solchen Effekt gibt und jedes Teilchen direkt auf den Satelliten trifft. Es kommt also nicht auf die Form des Objekts an, sondern nur auf seine Querschnittsfläche (genauer gesagt A ⋅ cos 2 ⁡ ( a ) für schräge Flächen).

    GOCE hatte eine zylindrische Form mit einer Unterseite von 1 m² und einer Länge von 5 m. Ein Würfel mit gleichem Volumen hätte einen 3 mal größeren Querschnitt und damit 3 mal mehr Luftwiderstand.

Re Ein Würfel mit gleichem Volumen hätte einen 3-mal größeren Querschnitt und damit einen 3-mal größeren Luftwiderstand. Dies setzt voraus, dass der Luftwiderstandsbeiwert eines Würfels derselbe ist wie der Luftwiderstandsbeiwert von GOCE. Das ist nicht der Fall. GOCE hatte einen überdurchschnittlich hohen Luftwiderstandsbeiwert,
@DavidHammen - der Würfel hat fast den gleichen Luftwiderstandsbeiwert, wenn er sich frontal in den Wind bewegt. Der durchschnittliche Satellit tut das nicht und hat daher eine niedrigere C w .
Ist ein Spitzkegel überhaupt nicht vorteilhaft?
@ikrase Nicht so sehr. Bei perfekten elastischen Kollisionen könnte man etwas gewinnen, aber wie uhoh in einem anderen Kommentar schrieb: space.stackexchange.com/questions/46144/…

Wie viel geringer war ungefähr der Luftwiderstand von GOCE im Vergleich zu einem typischen Raumschiff oder zu einer Kugel der gleichen Masse? Hatte er einen so niedrigen Luftwiderstandsbeiwert wie ein echter Ferrari?

Der Luftwiderstandsbeiwert von GOCE war höher als der eines typischen Raumfahrzeugs. Von Geul, J., E. Mooij und R. Noomen. "GOCE statistische Wiedereintrittsvorhersagen." Proceedings of 7th European Conference on Space Debris. 2017,

Der Luftwiderstandsbeiwert für α = β = 0◦ beträgt 3,15, verglichen mit CD = 13,24 für α = 90.

Ähnliche, wenn nicht sogar schlechtere Zahlen finden sich anderswo. Der kanonische Wert für den Luftwiderstandsbeiwert eines Raumfahrzeugs beträgt 2,2, unabhängig von der Form. Dieser kanonische Wert stammt aus den 1960er Jahren.

GOCE hatte einen kleinen Querschnitt zum Wind, war aber auch länger als typische Raumfahrzeuge. Lange, dünne Raumfahrzeuge erleiden einen Luftwiderstand über den Teil des Raumfahrzeugs, der nominell parallel zum Windvektor ist. Ferraris und gut konstruierte Düsenflugzeuge leiden ebenfalls unter dieser Art von Luftwiderstand, jedoch in viel geringerem Maße. Eine aerodynamische Form neigt dazu, die Luft in einer dichten Atmosphäre beiseite zu schieben. Dies gilt nicht im erdnahen Orbit.

Der Grund, warum der Widerstandsbeiwert von GOCE höher als der Durchschnitt ist, liegt darin, dass die Definition des Widerstandsbeiwerts eines Raumfahrzeugs nur von seiner Querschnittsfläche abhängt. Jeglicher Luftwiderstand, der zu Teilen des Raumfahrzeugs führt, die nominell durch den Querschnitt des Raumfahrzeugs verdeckt sind, trägt zum Luftwiderstandsbeiwert bei.

Allerdings hätte GOCE bei gleichem Volumen in würfel- oder kugelförmiger Form deutlich mehr Treibstoff für die Aufrechterhaltung der Umlaufbahn benötigt. Der hohe Luftwiderstandsbeiwert von GOCE ist teilweise ein Artefakt dessen, wie der Luftwiderstandsbeiwert definiert ist. Aber GOCE ist kein Ferrari. Kein Fahrzeug in einer erdnahen Umlaufbahn ist Ferrari-ähnlich in dem Sinne, dass die Form eines Ferrari den Luftwiderstand im Vergleich zu einem Auto oder Lastwagen, das wie ein Toaster geformt ist, drastisch reduziert.

Hatte er einen so niedrigen Luftwiderstandsbeiwert wie ein echter Ferrari?

Ein echter Ferrari hat einen Luftwiderstandsbeiwert von etwa 0,33. Ein gut konstruierter Fallschirm hat einen Luftwiderstandsbeiwert von etwa 1,5. Der Luftwiderstandsbeiwert von GOCE ist mehr als doppelt so hoch wie der eines gut konstruierten Fallschirms. Also, nein, GOCE war kein Ferrari. Es war jedoch "besser" als ein Fallschirm - als Fallschirm. (Ein richtig konstruierter Fallschirm sollte einen hohen Luftwiderstandsbeiwert haben.)

Okay, das ist eine zum Nachdenken anregende Antwort! Ausgehend vom Formular F D = 0,5 ρ v 2 C D A , das Objekt ist eine flache 2D-Oberfläche, die Luftmoleküle haben eine Quergeschwindigkeit von Null und sie werden elastisch nach hinten gestreut , dann kann ich sehen, wie C D kann durchaus bis zu 4 betragen. Das passiert natürlich nicht bei Kollisionen. Aber ich kann nur erkennen, dass der Luftwiderstandsbeiwert von der Länge der Seiten abhängen könnte, wenn er direkt "in den Wind" zeigt, wenn die Luft eine beträchtliche Temperatur hat und eine große zufällige Quergeschwindigkeit vorliegt.
Ich werde ein oder zwei Tage darüber nachdenken und dann vielleicht eine andere Frage formulieren. Vielen Dank für diese fundierte Antwort!
@david-hammen Könnten Sie den Beitrag von Bereichen, die auf den Wind ausgerichtet sind, zitieren? Ich sehe nicht, wie diese einen signifikanten Einfluss im Orbit mit sehr niedrigen Moleküldichten haben können.
@uhoh: "Natürlich passiert das bei Kollisionen nicht" - genau das passiert - abgesehen von den Molekülen, die am Satelliten haften und später mit geringerer Relativgeschwindigkeit freigesetzt werden. Aber diese tragen immer noch 50% so viel bei wie die, die „reflektiert“ werden.
@asdfex nein Ich bin mir ziemlich sicher, dass viele nicht spiegelnde und unelastische Prozesse beteiligt sind, wenn ein Molekül mit mehreren tausend Metern pro Sekunde auf eine Oberfläche trifft. Erstens gibt es atomare Rauheit, es sei denn, das Raumfahrzeug ist ein polierter Kristall, und daher wird die Streuung eine Verteilung von Richtungen haben und die Impulsübertragung wird nicht vollständig sein. Zweitens erzeugt der Aufprall einen Schauer von Phononen und kann sogar Atome von der Oberfläche abspritzen. Drittens kann es, wie Sie bereits erwähnt haben, zu Verklebungen und anderen molekularen Komplikationen kommen.
@asdfex vgl. Wie simuliert man Atomstreuung an festen Wänden bei endlicher Temperatur für ein Teilchen in einer Box-Simulation? und Verweise darin. (... Viertens hat die Oberfläche eine endliche Temperatur und ist bereits voller Phononen, die die Richtung der gestreuten Moleküle ändern können.)
@DavidHammen Die von Ihnen zitierte "CD = 13.24" scheint eine seltsame Definition von zu verwenden C D das berücksichtigt nicht den geänderten Querschnitt, also welche Definition von C D benutzen sie?
@asdfex - Das referenzierte Papier behauptet diesen Wert ohne Zitierung oder Berechnung. Sie haben Recht, es ist ein ziemlich seltsamer Wert. Ich vermute, dass sie bei der Berechnung des Luftwiderstandsbeiwerts unabhängig vom Seitenschlupfwinkel dieselbe Querschnittsfläche verwendet haben.
Wie „Ferrari-like“ war GOCE genau? War sein Luftwiderstandsbeiwert so niedrig wie der des Autos?
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