Wie stark und "heiß" ist der Wind auf der Nutzlast, nachdem die Verkleidung bei ~110 km eingesetzt wurde?

Question

Wie stark und "heiß" ist der Wind auf der Nutzlast, nachdem die Verkleidung bei ~110 km eingesetzt wurde?

äh

In der Frage Was macht Verkleidungen des 21. Jahrhunderts so wertvoll, dass sie möglicherweise wiedergewonnen und wiederverwendet werden könnten? Ich sagte:

Verkleidungen des 21. Jahrhunderts sind viel mehr als passive Dachboxen, um "den Wind von den Sachen des Kunden fernzuhalten".

In der Diskussion in den Kommentaren unter dieser Antwort wurden die Kriterien für eine sichere Höhe für den Verkleidungsauswurf diskutiert. Ich habe fünf SpaceX-Webcast-Videos und die entsprechenden Pressemappen schnell überprüft und festgestellt, dass die fünf Verkleidungseinsätze in einer Höhe von etwa 110 km eng gebündelt waren, unabhängig von der (Boden-) Geschwindigkeit oder der Zeit nach dem Start des sekundären Triebwerks.

Ich habe eine Schätzung der Zielneigung beigefügt. Damit und dem Breitengrad beim Einsatz könnte die tatsächliche Luftgeschwindigkeit geschätzt werden, aber ich suche wirklich nur nach groben Baseballzahlen.

_MISSION	_{Geschwindigkeit über Grund (m/s)}	_{GR. s. (km/h)}	_{Höhe (km)}	_{Zündung nach der 2. Stufe (Sek.)}	_{Neigung (geschätzt)}
_ORBCOMM-2	1571	5657	111	13	45°
_THAICOM-8	2536	9131	111	51	~0°
_Eutelsat/ABS	2517	9061	111	47	~0°
_JCSAT-16	2459	8852	110	48	~0°
_Iridium-1	2034	7322	107	40	86°
_{Echostern XXIII}	2847	10248	114	38	~0°

Die Atmosphäre ist bei 110 km ziemlich dünn; Ich schätze ca $2 \cdot 10^{-6}$ des Drucks des Meeresspiegels mit $exp(\frac{\text{-110 km}}{H})$ mit Skalenhöhe $H$ von 8,4 km.

Satelliten sind so gebaut, dass sie während des Starts enorme G-Kräfte aushalten, aber diese Kräfte auf jede Komponente sind proportional zur Masse der Komponente. Daher erfährt ein bestimmter Abschnitt all dieser leichten (Kapton oder Mylar?) Folie, die den Satelliten umhüllt, möglicherweise keine sehr große g-Kraft in Newton, aber sobald sich die Verkleidung entfaltet, werden einige Oberflächen einem sehr geringen Druck ausgesetzt sein, aber sehr Winde mit hoher Geschwindigkeit.

Zusätzlich zur Windkraft (Impulsübertragung) gibt es auch eine Energieübertragung, die mit der Geschwindigkeit schneller skaliert als die Impulsübertragung. Selbst wenn sich die mechanischen Massenkräfte als gering herausstellen, kann es also zu einer lokalen, durch Luftwiderstand verursachten Erwärmung kommen, und Dinge, die Wärme schlecht leiten (wie zum Beispiel dünne Polymerfilme), können heiße Stellen entwickeln.

Wenn man bedenkt, dass 110 km zwischen den Schichten E und F der Ionosphäre liegen, wird es außerdem einen erheblichen Elektronen- und Ionenwind geben, der ebenfalls Probleme verursachen könnte.

Daher:

Frage: Wie stark und "heiß" ist der Wind auf der Nutzlast, nachdem die Verkleidung bei ~110 km eingesetzt wurde?

Oben: Foto von der Sierra Nevada von Spaceflight Insider liefert die letzten 11 ORMCOMM OG2-Satelliten zum Start aus .

Markus Adler

Sie haben alles, was Sie brauchen. Es ist nur

\frac{1}{2} ρ v^{2}

${1\over 2}\rho v^2$ .

äh

@MarkAdler edit: „Wie stark und „heiß“:* …

Markus Adler

Das hast du hinzugefügt. Bei dieser verdünnten Strömung kann man den Wärmestrom mit abschätzen

\frac{1}{2} ρ v^{3}

${1\over 2}\rho v^3$ .

äh

@MarkAdler Ich werde eine Antwort generieren, wenn es sonst niemand tut. Ich kann rechnen, aber vielleicht gibt es relevantere und interessantere Informationen, die jemand mit mehr Wissen hinzufügen kann.

äh

@RussellBorogove Ich frage mich, ob ich meine Frage in etwas wie "Was sind die Überlegungen bei der Auswahl des optimalen Zeitpunkts für die Verkleidungstrennung" ändern sollte, aber das kann eine Menge anderer Überlegungen mit sich bringen. Es wäre interessant, sie zu diskutieren, aber ich bin nur hinter den "Wind"-bezogenen her. Ich verstehe Ihren Kommentar nicht - ist es Humor?

Russell Borogove

Oh, ich habe die Frage völlig falsch verstanden - weil Sie mit der Diskussion über die Wiederherstellbarkeit von Verkleidungen begonnen haben, dachte ich, Sie fragen eher nach den Belastungen der Verkleidung als nach der Nutzlast . Das tut mir leid.

äh

@RussellBorogove Oh, kein Problem! Eigentlich haben Sie mich über die Frage nachdenken lassen, möchte ich auf alle Überlegungen eingehen, die mit der Auswahl einer optimalen Höhe verbunden sind, oder nur die verschiedenen Belastungen und potenziellen Verschlechterungen berücksichtigen, denen die Nutzlast ausgesetzt sein kann.

Hobbes

Informationen zur atmosphärischen Dichte in dieser Höhe finden Sie unter space.stackexchange.com/questions/18223/…

äh

@Hobbes Ich war dort und habe mich auch unter ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models_home.html umgesehen , konnte aber nichts einfach zu verwendendes finden. Ich habe das Gefühl, ich könnte Code herunterladen oder einen Job einreichen, aber das ist offensichtlich übertrieben. Das Gleiche gilt auch für hier: ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models_home.html Aber wie ich dort angemerkt habe, sind hier einige tabellierte Druck- und Dichtedaten aus der Standardatmosphäre von 1976 ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models_home. html

SF.

Können Sie die Umgebungslufttemperatur in dieser Höhe ermitteln? Zu wissen, dass ich Ihnen das "heiße" Ergebnis der Geschwindigkeit geben kann.

äh

@SF. diese steht auf meiner "persönlichen To-Do"-Liste (im Gegensatz zu dieser To-Do-Liste zur Weltraumforschung ). Ich kann wahrscheinlich diese Berechnung durchführen und sollte es wahrscheinlich tun. Danke für die Erinnerung!

SF.

@uhoh: In diesem Fall lautet das Schlüsselwort "ram rise".

Hobbes

Die Dichte bei 110 km beträgt 7,1 E-8 bar, die Temperatur 240 K, gemäß der Tabelle in ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19770009539.pdf

äh

@ Hobbes ja, und die Massendichte auf derselben Zeile Z = 110.000 auf Seite 68 beträgt 9,7E-08 kg / m ^ 3. Die Verwendung von H = 110.000 macht nur einen relativ kleinen Unterschied. Vielen Dank!

SF.

Bei 8 km/s liegt die Temperatur auf einer flachen, dem Wind zugewandten Oberfläche in der Größenordnung von 25.000 K.

äh

@SF. zitiere deine Quelle. Ist das eine Materialplatte oder eine Komponente der Plasmatemperatur? Ist es überhaupt im Gleichgewicht? Allen möglichen Parametern kann eine Effektivtemperatur zugeordnet werden. Ein Plasma kann ein Elektron, ein Ion und eine neutrale Temperatur haben, die mit kinetischer Energie verbunden ist, und die elektronischen Anregungszustände der Atome/Ionen können sogar einen anderen haben, wenn man die hohe Geschwindigkeit und die geringe Dichte berücksichtigt. Ohne weitere Informationen bedeutet eine Temperaturzahl nicht viel.

SF.

@uhoh: warte, an der Verkleidungstrennung beträgt die Geschwindigkeit nach der Telemetrie von einem Strom etwa 2200 m / s. Das entspricht nur etwa 1900K. Berechnung der TAT für diese Geschwindigkeit. Für eine flache Oberfläche, die direkt gegen den Luftstrom verläuft, RAT=TAT.

awksp

Ich bin mir nicht sicher, wie sehr dies helfen würde, aber aus den Handbüchern der Trägerrakete, die ich durchgesehen habe, werden Verkleidungen zu einem Zeitpunkt abgeworfen, an dem der freie molekulare aerothermische Fluss weniger als 1135 W / m ^ 2 beträgt. Mark Adler gibt die richtige Formel für den Wärmefluss an.

awksp

Es wird keine vollständige Antwort sein, da ich nur den Teil "wie heiß" der Frage beantworten kann, aber es ist etwas?

Antworten (1)

Wie stark und "heiß" ist der Wind auf der Nutzlast, nachdem die Verkleidung bei ~110 km eingesetzt wurde?

Sie haben alles, was Sie brauchen. Es ist nur ${1\over 2}\rho v^2$ .
Das hast du hinzugefügt. Bei dieser verdünnten Strömung kann man den Wärmestrom mit abschätzen ${1\over 2}\rho v^3$ .
@MarkAdler Ich werde eine Antwort generieren, wenn es sonst niemand tut. Ich kann rechnen, aber vielleicht gibt es relevantere und interessantere Informationen, die jemand mit mehr Wissen hinzufügen kann.
@RussellBorogove Ich frage mich, ob ich meine Frage in etwas wie "Was sind die Überlegungen bei der Auswahl des optimalen Zeitpunkts für die Verkleidungstrennung" ändern sollte, aber das kann eine Menge anderer Überlegungen mit sich bringen. Es wäre interessant, sie zu diskutieren, aber ich bin nur hinter den "Wind"-bezogenen her. Ich verstehe Ihren Kommentar nicht - ist es Humor?
Oh, ich habe die Frage völlig falsch verstanden - weil Sie mit der Diskussion über die Wiederherstellbarkeit von Verkleidungen begonnen haben, dachte ich, Sie fragen eher nach den Belastungen der Verkleidung als nach der Nutzlast . Das tut mir leid.
@RussellBorogove Oh, kein Problem! Eigentlich haben Sie mich über die Frage nachdenken lassen, möchte ich auf alle Überlegungen eingehen, die mit der Auswahl einer optimalen Höhe verbunden sind, oder nur die verschiedenen Belastungen und potenziellen Verschlechterungen berücksichtigen, denen die Nutzlast ausgesetzt sein kann.
Informationen zur atmosphärischen Dichte in dieser Höhe finden Sie unter space.stackexchange.com/questions/18223/…
@Hobbes Ich war dort und habe mich auch unter ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models_home.html umgesehen , konnte aber nichts einfach zu verwendendes finden. Ich habe das Gefühl, ich könnte Code herunterladen oder einen Job einreichen, aber das ist offensichtlich übertrieben. Das Gleiche gilt auch für hier: ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models_home.html Aber wie ich dort angemerkt habe, sind hier einige tabellierte Druck- und Dichtedaten aus der Standardatmosphäre von 1976 ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models_home. html
Können Sie die Umgebungslufttemperatur in dieser Höhe ermitteln? Zu wissen, dass ich Ihnen das "heiße" Ergebnis der Geschwindigkeit geben kann.
@SF. diese steht auf meiner "persönlichen To-Do"-Liste (im Gegensatz zu dieser To-Do-Liste zur Weltraumforschung ). Ich kann wahrscheinlich diese Berechnung durchführen und sollte es wahrscheinlich tun. Danke für die Erinnerung!
Die Dichte bei 110 km beträgt 7,1 E-8 bar, die Temperatur 240 K, gemäß der Tabelle in ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19770009539.pdf
@ Hobbes ja, und die Massendichte auf derselben Zeile Z = 110.000 auf Seite 68 beträgt 9,7E-08 kg / m ^ 3. Die Verwendung von H = 110.000 macht nur einen relativ kleinen Unterschied. Vielen Dank!
Bei 8 km/s liegt die Temperatur auf einer flachen, dem Wind zugewandten Oberfläche in der Größenordnung von 25.000 K.
@SF. zitiere deine Quelle. Ist das eine Materialplatte oder eine Komponente der Plasmatemperatur? Ist es überhaupt im Gleichgewicht? Allen möglichen Parametern kann eine Effektivtemperatur zugeordnet werden. Ein Plasma kann ein Elektron, ein Ion und eine neutrale Temperatur haben, die mit kinetischer Energie verbunden ist, und die elektronischen Anregungszustände der Atome/Ionen können sogar einen anderen haben, wenn man die hohe Geschwindigkeit und die geringe Dichte berücksichtigt. Ohne weitere Informationen bedeutet eine Temperaturzahl nicht viel.
@uhoh: warte, an der Verkleidungstrennung beträgt die Geschwindigkeit nach der Telemetrie von einem Strom etwa 2200 m / s. Das entspricht nur etwa 1900K. Berechnung der TAT für diese Geschwindigkeit. Für eine flache Oberfläche, die direkt gegen den Luftstrom verläuft, RAT=TAT.
Ich bin mir nicht sicher, wie sehr dies helfen würde, aber aus den Handbüchern der Trägerrakete, die ich durchgesehen habe, werden Verkleidungen zu einem Zeitpunkt abgeworfen, an dem der freie molekulare aerothermische Fluss weniger als 1135 W / m ^ 2 beträgt. Mark Adler gibt die richtige Formel für den Wärmefluss an.
Es wird keine vollständige Antwort sein, da ich nur den Teil "wie heiß" der Frage beantworten kann, aber es ist etwas?

awksp · Answer 1

Betreiber von Trägerraketen (oder zumindest die großen) scheinen alle ihre Verkleidungen fallen zu lassen, sodass die von der verbleibenden Atmosphäre erzeugte Wärme unter 1135 W/m bleibt $^2$ . Nicht alle Betreiber geben Details zur Berechnung der Wärme an, aber diejenigen, die dies tun, sagen, dass der Wärmefluss unter Verwendung eines freien Molekularflusses durch eine Ebene senkrecht zur Fahrtrichtung berechnet wird, daher vermute ich, dass dies mehr oder weniger eine Standarddefinition ist .

Quellen:

Das Vega-Benutzerhandbuch, Seite 3-14

Die nominelle Zeit zum Abwerfen der Verkleidung wird so festgelegt, dass ein maximaler momentaner Lichtstrom von 1135 W/m nicht überschritten wird $^2$ . Dieser Fluss wird als freier Molekularfluss berechnet, der auf eine ebene Fläche senkrecht zur Geschwindigkeitsrichtung wirkt ( $\frac{1}{2}\rho V^3$ ).

Das Falcon 9 Payload-Benutzerhandbuch, Seite 32 :

Die Nutzlastverkleidung wird nominell eingesetzt, wenn die freie molekulare aerothermische Erwärmung weniger als 1.135 W/m beträgt $^2$ .

Das Ariane 5-Benutzerhandbuch, Seite 3-11 :

Die Nennzeit zum Abwerfen der Verkleidung wird so festgelegt, dass der aerothermische Fluss von 1135 W/m nicht überschritten wird $^2$ . Dieser Fluss wird als freier Molekularfluss berechnet, der auf eine ebene Oberfläche senkrecht zur Geschwindigkeitsrichtung wirkt, und basiert auf dem atmosphärischen Modell US66, Breite 15° Nord.

Das Delta IV Launch Services Benutzerhandbuch, Seite 3-19 :

Sofern nicht anders angefordert, erfolgt der Verkleidungsabwurf für Delta-IV-Missionen kurz nachdem die 3-Sigma-hohe theoretische freie molekulare Erwärmung für eine flache Platte senkrecht zum freien Strom unter 1135 W/m fällt $^2$ (360 Btu/h ft $^2$ ) basierend auf der Standardatmosphäre der Vereinigten Staaten von 1962.

Der Delta II Payload Planners Guide, Seite 4-13 :

Sofern nicht anders angefordert, erfolgt der Verkleidungsabwurf kurz nachdem die theoretische freie molekulare Erwärmung für eine flache Platte senkrecht zum freien Strom unter 0,1 Btu/ft gefallen ist $^2$ -Sek. (1135 W/m $^2$ ) basierend auf der US-Standardatmosphäre von 1962.

Das Atlas V Launch Services-Benutzerhandbuch, Seite 3-27 :

Das Abwerfen von PLF [Payload Fairing] tritt typischerweise auf, wenn der maximale freie molekulare Wärmefluss von 3 Sigma auf 1.135 W/m abnimmt $^2$ (360 Btu/h-ft $^2$ ).

Das Arianespace Sojus-Benutzerhandbuch, Seite 3-15 :

Die Nennzeit zum Abwerfen der Verkleidung wird so festgelegt, dass der aerothermische Fluss von 1135 W/m nicht überschritten wird $^2$ . Dieser Fluss wird als freier Molekularfluss berechnet, der auf eine ebene Fläche senkrecht zur Geschwindigkeitsrichtung wirkt und auf dem Atmosphärenmodell US 66, Breite 15° Nord basiert. Nach dem Abwerfen der Verkleidung variiert der aerothermische Fluss von 1135 W/m $^2$ auf weniger als 200 W/m $^2$ innerhalb von 20 Sekunden.

Das Proton Launch System Mission Planner's Guide, Seite 3-6 :

Die PLF [Nutzlastverkleidung] wird bei ungefähr 340 bis 350 Sekunden Flug abgeworfen (in einer Höhe von 121 bis 125 km oder mehr), und der maximale FMHF [freier molekularer Wärmefluss] übersteigt 1135 W/m nicht $^2$ jederzeit nach dem Abwurf der PLF.

Das ist ein überraschendes Maß an Konsistenz! Ich frage mich, was die Quelle dieses Wertes ist. Ich bemerke, dass es etwas mehr ist als der Sonnenlichtfluss in Bodennähe, aber ich bezweifle, dass es dort eine direkte Verbindung gibt.
Es sieht so aus, als ob die einstellige runde Zahl 0.1 Btu/ft22-secdie ursprüngliche Quelle der funky 1135 sein könnte. Dies ist eine wirklich großartige Antwort! Hier gibt es viel zu lesen.

Wie stark und "heiß" ist der Wind auf der Nutzlast, nachdem die Verkleidung bei ~110 km eingesetzt wurde?

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Markus Adler

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Markus Adler

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Russell Borogove

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Hobbes

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Hobbes

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awksp

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Russell Borogove

Pericynthion

äh

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