Was ist der ISS-Widerstand?

Die ISS verliert ständig an Höhe durch Luftwiderstand und andere Kräfte (Gezeiten, elektromagnetische Kräfte). Während es nicht so schwierig ist, diese Geschwindigkeit in den Quellen zu finden, da die Orbitalmechanik des Höhenverlusts die lineare Geschwindigkeit trotz zunehmendem Luftwiderstand tatsächlich erhöht, ist es nicht annähernd so einfach, die Verzögerungskraft zu finden.

Nehmen wir an, wir können ein Triebwerk mit sehr hohem ISp entwickeln, das die ISS auf konstanter Höhe hält, ohne dass die Lieferfahrzeuge erneut aufladen müssen. Welchen Schub müsste es haben, um die Höhe zu halten?

Möchten Sie, dass sie ständig feuern?
@Antzi: Ja, ohne Unterbrechung. Sagen Sie, es scheint, dass das EmDrive so gut funktioniert wie beworben. Oder realistischer, das ist ein sehr effizienter Ionenmotor.
Sie benötigen ein gewisses Maß an Drosselung, um die durch die Umgebungsfaktoren verursachten Schwankungen des Luftwiderstands zu berücksichtigen, und benötigen immer noch einige stärkere Triebwerke für Ausweichmanöver. Eine Variation der Höhe kann auch für schwächere Trägerraketen hilfreich sein, um die ISS (oder schwerere Fracht) zu erreichen.
@Antzi: ISS hat dafür ein perfekt funktionierendes RCS, und wenn das Triebwerk einen kleinen Schubüberschuss hätte, könnte es für eine Weile abgeschaltet werden ... behandeln Sie dies jedoch eher als Gedankenexperiment, um zu erklären, welche Art von Kraft ich meine anstatt eigentliche technische Anwendung. (ISS innen ist Mikrogravitation; ich möchte die Stärke der Luftwiderstandskomponente dieser Mikrogravitation wissen)
Das ist im Grunde das, was die leider abgesagte ISS VASIMR tun sollte.
@uhoh: Das ist ein Duplikat von diesem , nicht umgekehrt.
@Vikki-früherSean darüber, dass ich das gerade in Meta gepostet habe: Sind diese beiden ähnlichen Fragen reif für eine Zusammenführung? widersprechen, sollten wir zukünftige Leser zu den besten Antworten führen , nicht einfach zu den ältesten. Bei SE dreht sich alles um die Antworten.
Diese Frage und Antwort ist prägnanter als die neue und daher die bessere. Die neue Frage enthält viel unnötigen Flaum, der das Lesen erschwert.

Antworten (2)

Lassen Sie uns zunächst herausfinden, was der Widerstand tatsächlich ist. Dafür hat Heavens-above ein schönes Diagramm.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Bemerkenswert ist die Tatsache, dass sich der atmosphärische Luftwiderstand im Laufe der Zeit ändert, insbesondere mit dem Sonnenzyklus, aber er kann sich aus einer Vielzahl von Gründen ändern, insbesondere bei einem so dynamischen Körper wie der ISS. Bei einer aktuellen Höhe von etwa 400. Die Zeit, die es dauerte, um von 414 auf 406 km zu gelangen, betrug etwa 2,5 Monate oder, sagen wir, 75 Tage. Das bedeutet, dass der Luftwiderstand des Raumfahrzeugs etwa 106 m/Tag beträgt. Orbitalenergie kann berechnet werden durch e k = m ⋅ v 2 / 2 . Die Energie bei 406 km beträgt 29400301 J/kg und bei 406,1 29399868 J/kg. Pro Tag gehen also 433 J/kg Energie verloren. Die Kraft wird über diesen ganzen Zeitraum ausgeübt, um diese Energie verloren zu machen. F = m ⋅ EIN liefert uns, dass 433 J/kg / (in einem Tag zurückgelegte Entfernung) = m * a. Somit ist die konstante Beschleunigung, die es auf der gleichen Umlaufbahn halten würde, ungefähr 6.56 ⋅ 10 − 7   m / s 2 , oder 0,656   μ m / s 2 .

Bei einer Stationsmasse von 419455 kg würde die Verzögerungskraft 0,275 Newton betragen.

Mögliche Gründe für die Änderung der Luftwiderstandsrate sind: unterschiedliche Dichte der Atmosphäre, die die ISS in verschiedenen Höhen durchfliegt; unterschiedliche Breitengrade, was bedeutet, dass die ISS auf unterschiedliche Bedingungen der oberen Atmosphäre trifft (unterschiedliche Dichten, Temperaturen, Auswirkungen von Winden darunter, Auswirkungen, weil die Erde (und damit ihre Atmosphäre) nicht kugelförmig ist); und natürlich ändern Änderungen an der ISS-Konfiguration und -Ausrichtung, wie stromlinienförmig sie ist, ganz zu schweigen davon, dass unterschiedliche Nutzlasten das Verhältnis ihres Impulses zu ihrem Widerstandsprofil ändern, sodass sie mehr oder weniger von der gleichen Kraft beeinflusst wird.
Sie haben den größten von allen nicht berücksichtigt, nämlich den Sonnenzyklus. Der Sonnenzyklus führt dazu, dass die höhere Atmosphäre auf ihrem Höhepunkt aktiver und in den Sonnenminima weniger aktiv ist.

Hier ist ein Update der Antwort von @PearsonArtPhoto mit Daten aus anderen Zeiträumen. In dieser Antwort wird die Tropfenrate während des letzten Sonnenzyklus (#24) verwendet. Im aktuellen (2020) Minimum der Sonnenaktivität ist die Abfallrate wesentlich geringer:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

(Quelle: https://heavens-above.com/OrbitHeight.aspx?satid=25544 )

Das sind nur 200 Meter pro Monat, 7 m/Tag und eine Verzögerungskraft von 0,017 N.

Im Vergleich dazu war auf dem Höhepunkt des vorletzten Sonnenzyklus (#23) im Jahr 2002 die Aktivität doppelt so hoch, und die ISS litt viel mehr:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

(Quelle: https://heavens-above.com/OrbitHeight.aspx?satid=25544 )

Das ist eine atemberaubende Fallhöhe von 12 km/Monat oder 400 m/Tag, was einer Kraft von mehr als 1 N entspricht.

Das ist eine Veränderung um den Faktor 50 – die allerdings nicht allein der Sonnenaktivität zuzuschreiben ist: Die Umlaufbahnhöhe schwankte im Laufe der Jahre um 50 km, und auch der Betriebsmodus der ISS variierte. Im Jahr 2002 wurde der Modus "Nachtgleiter" noch nicht verwendet - er reduziert den Luftwiderstand während der Nacht, indem er die Position der Solarfelder optimiert.

Können Sie auf eine Referenz verweisen, die zeigt, dass derzeit Nachtgleiter verwendet werden? Ansonsten gefällt mir Ihre Antwort, aber die einzige Quelle, die ich dazu habe, ist sehr alt. Du könntest recht haben, ich weiß es einfach nicht.
Nein, ich habe keine aktuelle Quelle. Es wurde 2003 eingeführt. Ich habe das „heute“ entfernt, damit die Aussage in jedem Fall richtig ist.
Vielleicht kann @Tristan etwas aktuelles Wissen einbringen.
Besser noch, ich frage einfach space.stackexchange.com/q/50773/6944
Was ist der ISS-Widerstand?
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