Wie groß ist die typische relative Aufprallgeschwindigkeit von Trümmern im erdnahen Orbit?

Wir alle wissen, dass es im Weltraum darum geht, wirklich schnell zu sein. Wir wissen auch, dass es bei einer Kollision nicht wirklich auf die absolute Geschwindigkeit ankommt, sondern auf die relative Geschwindigkeit. (Zwei Autos mit gleicher Geschwindigkeit auf einer Autobahn, die sich berühren, führen nicht unbedingt zu großen Schäden, aber wenn eines von ihnen stillstehen würde, würde es wahrscheinlich.) Ein großer Teil der umlaufenden Raumschiffe befindet sich in prograden Umlaufbahnen, einfach weil es so ist einfacher und, wenn nicht aktiv hilfreich, tut es zumindest nicht weh; das verringert auch die Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden.

Dennoch sagen die Leute immer wieder, dass Kollisionen im Orbit mit solch extremen Geschwindigkeiten stattfinden.

Was ist die typische relative Aufprallgeschwindigkeit eines Trümmerstücks im Orbit auf ein einsatzbereites Raumfahrzeug in einer niedrigen Erdumlaufbahn? Was sind die Vektorkomponentenwerte dieser Geschwindigkeit?

Bonuspunkte für Antworten, die Zitate enthalten.

Auch Bonuspunkte für Antworten, die die Daten enthalten, aus denen das "Typische" abgeleitet wird.

Was diese Frage verdient, ist eine Antwort, die die verschiedenen Orbitalebenen von Satelliten in LEO analysiert, da dies auch repräsentativ für Trümmer sein sollte. Die meisten Satelliten in LEO haben keine Neigung von 0, es ist (als solche) nicht einmal möglich, von den großen Weltraumhäfen aus in Neigung 0 zu starten, daher befinden sich fast alle LEO-Satelliten in unterschiedlich geneigten Umlaufbahnen - einige sind sonnensynchron und sogar leicht rückläufig. Es sollte also viel Spielraum für Kollisionen bei einem erheblichen Bruchteil oder sogar noch mehr als der Orbitalgeschwindigkeit geben.
@BlakeWalsh Sie werden feststellen, dass ich in der Frage ganz ausdrücklich keine bestimmte Umlaufbahnneigung angenommen habe, nur dass sich "ein großer Teil" der umlaufenden Raumfahrzeuge in LEO in prograden Umlaufbahnen befindet.
Es gibt eine Teilantwort und einige hilfreiche Links, aber eine vollständigere Antwort wäre großartig, obwohl ich gerne eine tatsächliche Verteilung sehen würde, nicht nur etwas, das auf eine einzige "typische" Geschwindigkeit reduziert ist. Ich würde nicht aufhören, meine Sicherheitsgurte anzulegen, selbst wenn ein „typisches“ Auto-Auto-Ereignis ein Kotflügel-Bender wäre.
Ein kurzer Blick hier lässt vermuten, dass die „großen Brocken“ (~30 cm und größer) gut zwischen niedrigen und hohen Neigungen verteilt sind. Die damit verbundenen winzigen Teile und andere Familien werden ihren eigenen Charakter haben, aber es wird einen erheblichen Anteil an Paaren mit niedrigem Anteil/hohem Anteil geben. bearbeiten: bessere Mathematik (und andere Geschwindigkeit) hier gezeigt: spaceacademy.net.au/watch/debris/collvel.htm
@uhoh In der Tat; Die Diskussion in den Kommentaren zu Tristans Antwort war im Wesentlichen das, was mich dazu inspirierte, diese Frage zu stellen. Ich habe die Frage auch leicht bearbeitet, um zu versuchen, Ihre Bedenken auszuräumen, ohne die Frage zu weit zu fassen.
Da Sie detaillierte Daten und Zitate wünschen, werde ich keine Antwort geben, da die zugrunde liegenden Datenprodukte exportkontrolliert sind. Dies hängt von der Höhe und Neigung Ihrer Umlaufbahn ab, aber für die ISS beträgt die typische Geschwindigkeit für Umlauftrümmer 11 km/s. Fühlen Sie sich frei, auf ntrs.nasa.gov mit dem Suchbegriff ORDEM nach Bestätigung zu suchen.
Wie würden wir „typisch“ definieren? Median? Gemittelter Durchschnitt? Modus? Gewichteter Durchschnitt nach Trümmergewicht? Gewichtet nach Sinus des Aufprallwinkels? Tatsächlich historisch oder nur erwartet? Geneigte Umlaufbahnen erreichen das "übliche Maximum" auf ~11 km/s. Knappe rückläufige Umlaufbahnen ergeben ~16 km/s. Trümmer in stark exzentrischen Umlaufbahnen erhöhen das Maximum ebenfalls (in LEO). Die Hälfte davon - ~5,5 - wäre wahrscheinlich der mittlere Durchschnitt, aber ziemlich unwahrscheinlich der Modus (häufigster Wert).
@Tristan Daten und Zitate sind nett, aber nicht erforderlich. Daher "Bonuspunkte".
@SF. Ehrlich gesagt bin ich bereit, mich an die Definition von „typisch“ zu halten, die nach Ansicht der Antwortenden die verfügbaren Daten oder ihre Berechnungen am besten veranschaulicht.

Antworten (3)

Schauen Sie sich diese Antwort von Mark Adler an. Wie Sie sehen können, hat ein kleines Panel über 15 Jahre viele Stöße überstanden. Ich würde erwarten, dass es insgesamt eine Vielzahl von Auswirkungen gegeben hat. Ich bezweifle, dass jemand weiß, wie hoch die durchschnittliche Aufprallgeschwindigkeit war.

Ich werde jedoch versuchen, Ihnen einige Werkzeuge an die Hand zu geben, mit denen Sie verschiedene Szenarien untersuchen können.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Gegeben sei ein Dreieck mit den Längen a, b, c:
c 2 = a 2 + b 2 − 2 a b ∗ c Ö s ( a )
wo a ist der Winkel zwischen a und b.

Das Kosinusgesetz mag hart aussehen. Aber wenn Sie sich erinnern, dass cos(90º) Null ist, können Sie sehen, dass der Satz des Pythagoras wegfällt, wenn Alpha 90º ist. Also, wenn Sie sich das einfach merken − 2 a b ∗ c Ö s ( a ) Teil, der Rest ist der Satz des Pythagoras, den Sie in der High School gelernt haben.

Und wenn Sie eine Vektorsubtraktion durchführen, ist die dritte Seite des Dreiecks das Delta v zwischen den ersten beiden Geschwindigkeitsvektoren.

Unten ist eine Reihe von 7,7-km/s-Geschwindigkeitsvektoren, die verschiedene Winkel mit dem ursprünglichen 7,7-km/s-Geschwindigkeitsvektor bilden. Dies sind Vektoren von kreisförmigen niedrigen Erdumlaufbahnen in 300 km Höhe:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Warum nehmen Sie an, dass die meisten Satelliten und Trümmer Neigungen von 30º oder weniger aufweisen? Für die USA und noch mehr Russland wäre der Flugzeugwechsel sehr teuer, um in eine Umlaufbahn mit geringer Neigung zu gelangen, außerdem wäre eine äquatoriale LEO-Umlaufbahn nur nützlich, um Länder am Äquator zu bedienen (auszuspionieren), während ich USA und erwarten würde Russland ist/war hauptsächlich an sich selbst oder aneinander interessiert und bevorzugt daher höhere Neigungen (schließlich kann eine hohe Neigung auch den Äquator bedienen (ausspionieren). Alle Referenzen, die ich finden kann, haben die meisten LEO-Satelliten zwischen 30 und 110 Grad.
@BlakeWalsh Es war nur eine Vermutung meinerseits. Googeln scheint es, dass Sie richtig sind. Ich habe die letzten beiden Absätze meiner Antwort gelöscht.
Die meisten LEO-Anlagen sind stark geneigt. Riesige Zahl zwischen 70 und 98 Grad.
Es gibt eine einfachere Formel, wenn a und b gleich sind: c = 2 * a * sin(α/2).

Ich bin mir nicht sicher, wie genau Sie die Antwort brauchen, aber wenn Sie nur an die erste kosmische Geschwindigkeit und die Fluchtgeschwindigkeit denken, kann es nur ein Wert dazwischen sein. Also etwas zwischen ~7,8 km/s - 11,2 km/s.

Wie Sie bereits erwähnt haben, spielt natürlich die Relativgeschwindigkeit eine Rolle. Die Umlaufbahnen der Trümmer könnten der Umlaufbahn des Raumfahrzeugs entgegengesetzt sein, sodass die theoretische maximale Relativgeschwindigkeit 11,2 km / s + ~ 7 km / s = ~ 18 km / s betragen würde (da Sie von einem LEO sprechen und nicht von einem HEO oder so). Da die meisten Starts in einer prograden Umlaufbahn stattfinden, würde ich mir vorstellen, dass sich die meisten Trümmer ebenfalls in einer prograden Umlaufbahn befinden würden, sodass die meisten Einschläge wahrscheinlich mit einer relativen Geschwindigkeit der Perigäumsgeschwindigkeit eines HEO (9-11 km / s) stattfinden abhängig von der Umlaufbahn) und der Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs in LEO (~7-7,5 km/s). Der schlimmste Fall liegt jedoch bei etwa 19 km/s, wie zuvor erwähnt.

Alle Geschwindigkeiten darunter sind jedoch möglich, da die Neigungen zwischen den Raumfahrzeugen variieren können, was zu sehr unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten führt.

Sieht für mich nach einer guten Antwort aus. Wer hat dagegen gestimmt und warum? Ich habe dies positiv bewertet.

Ich habe ein einfaches Beispiel berechnet. Zwei Objekte befinden sich in einer kreisförmigen niedrigen Umlaufbahn, aber in unterschiedlichen Ebenen. Die Aufprallgeschwindigkeit hängt vom Winkel zwischen den Bahnebenen ab. Ich verwende 7,8 km/s für die Geschwindigkeit im Orbit.
Bei einem Winkel von 5° beträgt die vektorielle Geschwindigkeitsdifferenz 0,68 km/s, bei 10° 1,36 km/s, bei 15° 2,04 km/s, bei 30° 4,04 km/s, bei 45° 5,96 km/s und bei 90° ° 11,04 km/s.
Zwei Bahnen mit einem Winkelunterschied von 45° zur Äquatorebene in entgegengesetzten Richtungen haben einen Winkelunterschied von 90° zwischen sich.
Aufprallgeschwindigkeiten von 1 bis 11 km/s sind möglich.

Ich denke, Sie verpassen elliptische Trümmer. In Fällen wie einer Molniya-Umlaufbahn könnten es in LEO etwa 10 km sein.
@Antzi Der Unterschied zwischen 7,8 und 10 km/s ist nicht so groß. Sie können eine Berechnung für elliptische Bahnen hinzufügen.
Überprüfen Sie besser die Mathematik. Ich habe es beim ersten Mal auch falsch gemacht. Bei 90 Grad ist die Relativgeschwindigkeit 2 × v 0 oder 1,414 mal 7,8 km/s Siehe diesen Link .
Zwei Objekte, beide mit 30 Grad Neigung, aber mit entgegengesetzten LANs, sollten mit genau der Umlaufgeschwindigkeit kollidieren, da die Geschwindigkeitskomponente, die sich nicht aufhebt, 2 x sin (30) betragen sollte.
Zahlen sind falsch. Bei zwei Bahnen mit 7,8 km/s: 5º 0,68 km/s, 45º 7,1 km/s, 60º 7,8 km/s (In diesem Fall bilden beide Geschwindigkeitsvektoren und der Delta-V-Vektor die Seiten eines gleichseitigen Dreiecks), 90º 10,9º ( In diesem Fall ein gleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck, Hypotenuse ist sqrt(2) mal jede Seite).
Ja, sie lagen um den Faktor zwei daneben. Ich bearbeite die Nummern jetzt. Herzlichen Glückwunsch an alle, die herausgefunden haben, dass die Werte falsch sind.
@HopDavid Ja, die Zahlen waren falsch. Aber auch dein Wert für 90° ist falsch, 7,8 * 1,4142 ist 11,03
@Uwe Ich habe in meiner Tabelle 7,7 km / s verwendet. Um mir deine anzusehen, habe ich in die erste Zeile auf 7,8 geändert, aber versäumt, die folgenden Zeilen zu ändern. Die anderen Zahlen in meinem Kommentar sind also auch falsch, mit Ausnahme der ersten Reihe.
Wie groß ist die typische relative Aufprallgeschwindigkeit von Trümmern im erdnahen Orbit?
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