¿Exactamente qué tan "parecido a Ferrari" era GOCE? ¿Era su coeficiente de arrastre tan bajo como el del auto?

Este comentario menciona:

Esta relación entre la resistencia y la masa se lleva a un extremo relativo (para los satélites) en GOCE , que creo que necesitaba estar cerca de la Tierra para detectar con precisión los cambios en la gravedad, pero "aerodinámico" (tener un área de superficie frontal baja) para no desacelerar demasiado para alcanzar una duración de la misión de al menos 20 meses. Algunos lo llamaron "el Ferarri del espacio" (Phys.org, 12-Sep-2013: 'Ferrari del espacio' listo para caer a la Tierra )

Y ese artículo de Phys.org dice:

Circulation Explorer (GOCE) orbita a una altitud extremadamente baja de solo 260 kilómetros (160 millas), donde hay moléculas persistentes de la atmósfera.

Para reducir la resistencia, tiene una forma octogonal en forma de flecha y dos aletas para brindar una estabilidad aerodinámica adicional, una desviación de la forma en forma de caja de los satélites que operan en el vacío total del espacio.

Se mantiene en el aire gracias a un motor de iones que comenzó con un stock de 41 kilos (90,2 libras) de combustible y ahora se ha reducido a unos dos kilos (4,4 libras), dijo Rune Floberghagen en un simposio de la ESA en Edimburgo, Escocia.

Preguntas):

  1. ¿La nave espacial orbitó tan bajo que los motores tuvieron que funcionar continuamente para contrarrestar la resistencia, o simplemente funcionaron de manera intermitente? Si es intermitente, aproximadamente cuál fue el ciclo de trabajo.
  2. Aproximadamente, cuánto menor fue la resistencia aerodinámica de GOCE en comparación con una nave espacial típica, o con una esfera de la misma masa. ¿Tenía un coeficiente de arrastre tan bajo como un Ferrari real?
FWIW, los Ferrari en realidad no tienen una resistencia particularmente baja. Están diseñados principalmente para verse geniales y tal vez para producir carga aerodinámica a velocidades más altas. El Ferrari de menor arrastre que pude encontrar en una búsqueda rápida es el California, con 0.32: en.wikipedia.org/wiki/Ferrari_California Muchos sedán comunes tienen mucho menos arrastre en estos días: carbuzz.com/features/…

Respuestas (2)

  1. La propulsión iónica se ejecutó de forma continua para compensar la resistencia inmediatamente. La fuerza de arrastre variaba mucho durante cada órbita (es decir, cambiaba de la noche al día), típicamente entre 4 y 12 mN en su superficie de 1 m².

  2. Absolutamente no. El coeficiente de arrastre era unas 10 veces mayor. Lo bajo C W que se puede alcanzar en una atmósfera densa proviene principalmente de los efectos de flujo: el flujo de aire crea un colchón alrededor del objeto. Esto obliga a que la mayor parte del aire se mueva suavemente y no golpee el objeto directamente.

    En el espacio, el aire es tan escaso que no existe tal efecto y cada partícula golpea directamente al satélite. Por lo tanto, lo que importa no es la forma del objeto, sino solo el área de su sección transversal (para ser precisos, A ⋅ porque 2 ⁡ ( α ) para superficies en ángulo).

    GOCE tenía forma cilíndrica con un lado inferior de 1 m² y una longitud de 5 m. Un cubo con el mismo volumen tendría una sección transversal 3 veces mayor y, por lo tanto, 3 veces más resistencia.

Re Un cubo con el mismo volumen tendría una sección transversal 3 veces mayor y, por lo tanto, 3 veces más arrastre. Eso supone que el coeficiente de arrastre de un cubo es el mismo que el coeficiente de arrastre de GOCE. Ese no es el caso. GOCE tenía un coeficiente de arrastre más alto que el promedio,
@DavidHammen: el cubo tiene casi el mismo coeficiente de resistencia si se mueve de frente al viento. El satélite promedio no hará eso y por lo tanto tiene una menor C w .
¿Un cono puntiagudo no es ventajoso en absoluto?
@ikrase No tanto. En el caso de colisiones elásticas perfectas, podría ganar un poco, pero como escribió uhoh en otro comentario: space.stackexchange.com/questions/46144/…

Aproximadamente, cuánto menor fue la resistencia aerodinámica de GOCE en comparación con una nave espacial típica, o con una esfera de la misma masa. ¿Tenía un coeficiente de arrastre tan bajo como un Ferrari real?

El coeficiente de arrastre de GOCE fue más alto que el de una nave espacial típica. De Geul, J., E. Mooij y R. Noomen. "Predicciones estadísticas de reingreso de GOCE". Actas de la 7ª Conferencia Europea sobre Basura Espacial. 2017,

El coeficiente de arrastre para α = β = 0◦ es 3,15, en comparación con CD = 13,24 para α = 90.

Se pueden encontrar números similares, si no peores, en otros lugares. El valor canónico para el coeficiente de arrastre de una nave espacial es 2,2, independientemente de la forma. Este valor canónico se remonta a la década de 1960.

GOCE tenía una pequeña sección transversal al viento, pero también era más larga que una nave espacial típica. Las naves espaciales largas y delgadas sufren arrastre a través de la parte de la nave espacial que es nominalmente paralela al vector del viento. Los Ferrari y los aviones a reacción bien diseñados también sufren este tipo de resistencia, pero en mucha menor medida. Una forma aerodinámica tiende a empujar el aire a un lado en una atmósfera densa. Esto no se aplica en órbita terrestre baja.

La razón por la que el coeficiente de arrastre de GOCE es más alto que el promedio es porque la definición del coeficiente de arrastre de una nave espacial depende solo de su área de sección transversal. Cualquier arrastre que resulte en porciones de la nave espacial que están nominalmente ocultas por la sección transversal de la nave espacial se suma al coeficiente de arrastre.

Dicho esto, GOCE habría necesitado mucho más combustible para el mantenimiento de la órbita si hubiera tenido una forma de cubo o esferoidal con el mismo volumen. El alto coeficiente de arrastre de GOCE es en parte un artefacto de cómo se define el coeficiente de arrastre. Pero GOCE no es un Ferrari. Ningún vehículo en órbita terrestre baja es como un Ferrari en el sentido de que la forma de un Ferrari reduce drásticamente la resistencia en comparación con un automóvil o camión con forma de tostadora.

¿Tenía un coeficiente de arrastre tan bajo como un Ferrari real?

Un Ferrari real tiene un coeficiente de arrastre de alrededor de 0,33. Un paracaídas bien diseñado tiene un coeficiente de arrastre de alrededor de 1,5. El coeficiente de arrastre de GOCE es más del doble que el de un paracaídas bien diseñado. Entonces, no, GOCE no era un Ferrari. Sin embargo, era "mejor" que un paracaídas, como un paracaídas. (Diseñado correctamente, un paracaídas debe tener un alto coeficiente de arrastre).

¡Bien, esta es una respuesta que invita a la reflexión! A partir de la forma F D = 0.5 ρ v 2 C D A , el objeto es una superficie bidimensional plana, las moléculas de aire tienen una velocidad transversal cero y se dispersan elásticamente hacia atrás, entonces puedo ver cómo C D puede ser posiblemente tan alto como 4. Por supuesto, eso no es lo que realmente sucede en las colisiones. Pero la única forma en que puedo ver que el coeficiente de arrastre podría depender de la longitud de los lados si apunta directamente "hacia el viento" es si el aire tiene una temperatura sustancial y hay mucha velocidad transversal aleatoria.
Iré a pensar en esto un día o dos y luego puedo formular otra pregunta. ¡Gracias por esta completa respuesta!
@david-hammen ¿Podría proporcionar una cita para la contribución de las áreas que están alineadas con el viento? No veo cómo estos pueden tener una influencia significativa en órbita con densidades moleculares muy bajas.
@uhoh: "Por supuesto, eso no es lo que realmente sucede en las colisiones", eso es exactamente lo que sucede, aparte de esas moléculas que se adhieren al satélite y se liberan más tarde a una velocidad relativa más baja. Pero estos siguen aportando un 50% tanto como los que se 'reflejan'.
@asdfex no, estoy bastante seguro de que cuando una molécula golpea una superficie a varios miles de metros por segundo, hay muchos procesos no especulares e inelásticos involucrados. Primero, a menos que la nave espacial sea un cristal pulido, hay rugosidad atómica y, por lo tanto, la dispersión tendrá una distribución de direcciones y la transferencia de momento no será completa. En segundo lugar, el impacto producirá una lluvia de fonones e incluso puede arrojar átomos fuera de la superficie. En tercer lugar, como mencionaste, puede haber pegajosidad y otras complicaciones moleculares.
@asdfex cf. ¿Cómo simular la dispersión atómica de paredes sólidas a temperatura finita para una simulación de partículas en una caja? y referencias en el mismo. (...Cuarto, la superficie tiene una temperatura finita y ya está llena de fonones, que pueden cambiar la dirección de las moléculas dispersas)
@DavidHammen El "CD = 13.24" que cita parece usar una definición extraña de C D que no tiene en cuenta la sección transversal modificada, entonces, ¿qué definición de C D usan?
@asdfex: el documento al que se hace referencia afirma ese valor sin cita ni cálculo. Tienes razón, es un valor bastante extraño. Sospecho que lo que hicieron fue usar la misma área de sección transversal independientemente del ángulo de deslizamiento lateral en su cálculo del coeficiente de arrastre.
¿Exactamente qué tan "parecido a Ferrari" era GOCE? ¿Era su coeficiente de arrastre tan bajo como el del auto?
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