¿Es posible el control aerodinámico en una exosfera, en caso de que la velocidad sea lo suficientemente alta?

Las exosferas son diferentes a las partes inferiores de las atmósferas (si las hay): las moléculas ya no chocan y no se comporta como un gas. Sin embargo, todavía causa un pequeño y pequeño arrastre en los satélites.

Si un avión espacial lo suficientemente rápido se acercara a la Tierra y pasara a través de su exosfera 1 , ¿podrían tener control aerodinámico en la exosfera? Si es así, ¿qué tan rápido tendría que ser tal nave?

1 La exosfera comienza en la termopausa , que suele estar entre 500 km (310 millas) y 1000 km (620 millas) sobre la superficie de la Tierra, según la actividad solar.

Para responder a esta pregunta, se necesitan 2 aclaraciones: 1.) ¿Qué tan importantes son estos "4000 km" para usted? La exosfera comienza en algún lugar entre 500 y 1000 km y la respuesta podría ser diferente para 500 km o 4000 km. 2.) ¿Quieres una respuesta teórica o una respuesta práctica? ...finalmente: DE ALGUNA MANERA RELACIONADO: en.wikipedia.org/wiki/…
@CallMeTom y, por supuesto, me gustaría saberlo para todos: exosfera inferior (440 mi / 710 km), el ejemplo que proporciono (2500 mi) y la exosfera superior (6000 mi / 9700 km). Mi ejemplo es solo eso, un ejemplo.
@CallMeTom Me gustaría tanto uno teórico como uno práctico, si deben estar separados (por ejemplo, si la velocidad requerida es tan alta que tendrá pocas posibilidades de usar el yugo de su nave en la exosfera de la Tierra).
@Giovanni está bien gracias! Edité su pregunta para reflejar esas aclaraciones e incluir un poco de "investigación previa". También agregué la liftetiqueta ya que en los vuelos espaciales es cualquier componente de la fuerza aerodinámica que no es paralela al vector de velocidad.
Relevante: what-if.xkcd.com/30 . Cita: "si giras, tu avión gira, pero sigue moviéndose en la dirección original. El autor de X-Plane comparó pilotar un avión marciano con volar un transatlántico supersónico".
@uhoh Gracias, aunque no necesitabas eliminar mi ejemplo. Pero no importa ya que uno puede verlo en los comentarios.
@JohnDvorak Eso es algo que le sucede a las naves espaciales a una velocidad orbital entre 50 millas (80 km) sobre la Tierra y la línea Kármán a 57 millas (92 km). Entre 80 y 92 km, un avión espacial a velocidad orbital tiene suficiente elevación aerodinámica y puede cambiar su alineación, pero no cambiará (significativamente) la dirección sino que seguirá orbitando la Tierra. En otras palabras, puede empujar el yugo y el avión hundirá su morro hacia abajo, pero esto no lo dejará volar significativamente hacia abajo, respectivamente, bajará su perigeo.
La cifra de mérito para el control aerodinámico es el número de Knudsen; Estoy bastante seguro de que esto se ha preguntado en el sitio antes y se ha explicado usando eso. Buscaré el duplicado cuando llegue a una PC real.
@OrganicMarble Nunca había oído hablar de eso antes. Para los que tampoco: en.wikipedia.org/wiki/Knudsen_number
Sí. Un número de Knudsen bajo significa que es posible el control aerodinámico.
No es exactamente una pregunta duplicada, pero la respuesta del usuario @WaterMolecule responde a su pregunta aquí. space.stackexchange.com/q/31925/6944 Simplemente cambie los números de polvo interestelar a sus números de exosfera.

Respuestas (2)

Sí. La nave es un cuerpo sólido que se mueve a través, bueno, no del aire, sino de algo que al menos ejerce una fuerza de arrastre sobre él. Entonces, si la nave ajusta ese arrastre ajustando paletas gigantes o electroimanes o algo así, entonces es culpable de comprometer la aerodinámica en el sentido general de ese término.

Pero la aerodinámica es rudimentaria porque no hay forma de generar sustentación (una fuerza ortogonal a la dirección de la nave, debido a un diferencial de presión) porque no hay presión , solo los impactos individuales de las moléculas en la nave (arrastre). El concepto de perfil aerodinámico se aplica solo cuando las partículas del fluido se empujan entre sí, no solo contra el cuerpo sólido.

La nave podría reducir la velocidad aumentando la resistencia total (piense en soltar un gran paracaídas) o cambiar de orientación (exceso de resistencia en un lado). No podía cambiar la dirección de su trayectoria, excepto por el método indirecto de aumentar la resistencia durante ciertos intervalos.

La velocidad a la que tiene que ir la nave para maniobrar así depende del alcance de los dispositivos que producen la resistencia y de la densidad de las moléculas en ese momento.

Bueno, todavía hay presión, pero extremadamente pequeña. De lo contrario, sería un vacío absoluto.
@Giovanni Es una cuestión de trayectoria media entre las colisiones de las partículas. Si una partícula puede rebotar en otras partículas y regresar a la nave, las otras partículas dentro de otras para que reboten para rebotar la anterior nuevamente, etc., entonces tienes una onda de presión y el cambio de presión causado por la reacción de la nave. en la nave, tienes ascensor. Si en el momento en que la partícula rebota en otra, la nave ya está a un kilómetro de distancia y la influencia de la nave sobre la presión no se refleja en la nave, muchas de las propiedades generales de los gases dejan de aplicarse.

En la práctica, no es posible controlar aerodinámicamente un espacio/aeronave por encima de unos 80 km de altitud. Es por eso que las Fuerzas Armadas de EE. UU. definen la altitud necesaria para obtener la Insignia de Astronauta por encima de 80,4672 km*.

* (estrictamente hablando, se define en unidades imperiales (50 múltiplos de 1.609344 km), como autor de esta respuesta, no quiero compartir una distancia en una unidad que no sea SI).

[..::EDITAR::.. Sí, puedes construir una situación, donde el arrastre influye en un objeto, ¡pero eso está muy lejos de "controlarlo"!]

Algunas naves espaciales están diseñadas para un comportamiento aerodinámico especial (ver GOCE), pero no se trata de controlarlo sino de minimizar la resistencia.

Los vehículos de reingreso a menudo están diseñados para ser estables durante el reingreso, pero eso funciona para altitudes mucho más bajas, por lo tanto, presiones atmosféricas más altas.

..::EDITAR::..

Como mencionas, podrías maximizar los efectos de las superficies de control siendo más rápido, pero en la mecánica orbital, ser más rápido da como resultado estar en otra órbita. Ser bajo pero rápido (necesario para controlar algo aerodinámicamente) significaría: estás en el periápside de una órbita altamente excéntrica o simplemente pasas la esfera de influencia de la Tierra. Incluso entonces, el efecto del control aerodinámico sería muy pequeño.

Sí, sabía que a la velocidad orbital no se puede tener control aerodinámico por encima de 50 millas (80 km). Pero en ninguna parte escribí sobre órbitas. Quise decir lo que estás describiendo en tu penúltima oración: pasar la esfera de influencia de la Tierra. Le sugiero que necesite velocidad de escape solar o más para tener control en la exosfera. Mi pregunta es si es posible y, de ser así, a qué velocidad. Pero por lo demás, su respuesta es muy buena (no puedo votar porque no estoy registrado).
Me imagino que a cierto grado de velocidad (probablemente muy cerca de las docenas de km/s), la pura energía explosiva liberada del bombardeo con iones tenues impartiría un impulso no despreciable a una nave en movimiento, haciendo que un perfil aerodinámico haga al menos algo para trayectoria.
Por eso comencé mi respuesta con "Prácticamente...": SÍ, en TEORÍA es posible construir una situación en la que un objeto está influenciado por la exosfera. ¡Pero la pregunta es sobre "CONTROLARLO"!
¿Por qué eres tan hostil hacia las unidades imperiales/no métricas?
1.) Horas de convertir documentos de Lockheed Martin (incluyendo explicarle a mi antiguo jefe la diferencia entre Libra-Masa y Libra-Fuerza... él todavía no cree que algo estúpido pueda ser verdad y se pregunta de dónde viene este error de factor 0.981) , y días de reconstrucción de modelos CAD porque LM construye un modelo usando pulgadas en un entorno mm. (Oh, echo de menos a mi antiguo colega jurando sobre LM) 2.) mientras este foro intente ser profesional y la comunidad vote en contra de las respuestas frívolas, no apoyaré aún más cosas estúpidas. 3.) Mi contribución a un mundo mejor. 4.) Orbitador climático de Marte
@CallMeTom Stack Exchange está en inglés, por lo que debe esperar que haya muchos británicos y estadounidenses por aquí y sería amable si convertimos las unidades para ellos en lugar de obligarlos a encontrar un convertidor (aunque después de su edición divertida no lo hacen necesita uno más tampoco). Puede verlo al revés: si nunca hubo una métrica, no habría ninguna confusión que describa. Y si alguien no conoce la diferencia entre libra-masa y -fuerza, esa es una historia bastante diferente.
Espero que muchos, o incluso la mayoría, británicos, australianos, canadienses, neozelandeses (y estadounidenses con formación científica y/o de ingeniería) estén de acuerdo con Kilómetros. Y habría aún más confusión sin la mertrificación porque una milla francesa (liga) no era idéntica a una milla prusiana (que se redefinió como cada 50 años), etc. Dato curioso: EE. UU. quería adoptar el sistema métrico como uno solo. de los primeros países, pero el barco que transportaba un Kilogramo a EE. UU. fue capturado por corsarios pro-británicos
@CallMeTom La milla internacional es 1,609344 km. Si bien hay que diferenciarla de la milla náutica (1.852 km), cuando se dice "milla", solo se refieren a la milla internacional. Pero veo que a muchos les gusta el sistema métrico porque es un sistema decimal fácil. Sin embargo, uno podría haber dividido el pie en centifoot y kilofoot o algo así.
¿Es posible el control aerodinámico en una exosfera, en caso de que la velocidad sea lo suficientemente alta?
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