¿Por qué los satélites LEO no tienen forma aerodinámica?

En ¿Las mareas atmosféricas tienen algún impacto en los satélites en órbita o en los lanzamientos de cohetes? aprendimos que la atmósfera impacta a los satélites en órbita terrestre baja (LEO) y que "la mayoría de los satélites tienen cualquier cosa menos una buena forma aerodinámica"

¿Por qué los satélites LEO no tienen forma aerodinámica?

Me pregunto si sería una buena idea comenzar el título de su pregunta con 'dado que los satélites LEO se ven afectados por la resistencia al avance', o algo así. Para los espectadores con un conocimiento más básico del espacio, si no se dice eso, podrían subestimar la pregunta, pensando que no hay resistencia en el espacio.
@briligg Ese sería un título bastante largo. La pregunta en sí es bastante autoexplicativa.
je. Me recuerda a "¿por qué los vehículos interestelares SciFi casi siempre cuentan con timones y alerones?"
La forma no importa mucho, pero debería leer sobre el modo "Night Glider" en la ISS. En realidad, giran los paneles solares por la noche y pueden reducir la resistencia hasta en un 30 %.

Respuestas (1)

¿Por qué los satélites LEO no tienen forma aerodinámica?

La necesidad de energía eléctrica supera la necesidad de reducir la resistencia. Eso significa un área de sección transversal considerable para la radiación solar entrante. A veces, esa sección transversal a la radiación solar se corresponde bien (o no tan bien) con la sección transversal al arrastre.

Lo que es peor, es difícil afirmar que cualquier forma es "aerodinámica" en la órbita terrestre baja. En la troposfera, el coeficiente de arrastre de un objeto aerodinámico puede ser menos de una décima parte del de un cuerpo esférico, que a su vez es aproximadamente una cuarta parte del de un paracaídas bien diseñado. En órbita, el valor estándar del coeficiente de arrastre es 2,2, independientemente de la forma. Tenga en cuenta que los paracaídas suelen tener un coeficiente de arrastre de 1,75. Según esta vista estándar, la forma no importa y cualquiera que sea la forma que tenga un objeto, es menos aerodinámico que un paracaídas. Todo lo que importa es el área de la sección transversal.

Un artículo algo reciente de Kenneth y Mildred Moe, Moe & Moe (2005), "Interacciones entre superficies de gas y coeficientes de arrastre de satélites", Planetary and Space Science 53.8:793-801 pone en duda este coeficiente de arrastre estándar de 2,2. Por encima de los 200 km de altitud, la mayoría de las formas tienen un coeficiente de arrastre que supera los 2,2. Los objetos en el espacio no son "aerodinámicos".


Actualización: por qué la forma no importa (al menos no tanto)
Para los objetos que se mueven a través de la troposfera, la forma del objeto tiene un efecto dramático en la resistencia. El coeficiente de arrastre puede variar por un factor de cuarenta dependiendo de la forma. La forma es mucho menos importante en la termosfera. Allí, el coeficiente de arrastre varía quizás en un factor de dos en lugar de cuarenta. Además, las mismas formas que se consideran de forma aerodinámica en la troposfera pueden tener un coeficiente de arrastre muy alto en la termosfera.

Por ejemplo, una placa plana orientada normal al flujo del viento tiene casi la peor forma que puede tener un objeto en la troposfera con respecto a la resistencia. (Un paracaídas es, por supuesto, incluso peor.) Una flecha con una punta de flecha bien formada tiene un coeficiente de arrastre significativamente menor que una placa plana. La situación se invierte en la termosfera. Es la placa plana la que tiene un coeficiente de arrastre más bajo.

La razón de esta inversión es la forma en que funciona la resistencia en la atmósfera inferior frente a la atmósfera superior. El camino libre medio entre colisiones de moléculas atmosféricas es extremadamente corto en la troposfera. Por otro lado, el camino libre medio varía desde aproximadamente un cuarto de kilómetro a 200 kilómetros de altitud hasta 2,6 kilómetros a 300 kilómetros y cientos de kilómetros a 600 kilómetros de altitud. Este largo camino libre medio significa que el arrastre opera de manera muy diferente en la termosfera que en la troposfera. La viscosidad es la fuerza dominante en la troposfera. La viscosidad es esencialmente cero en la termosfera.

En cambio, el arrastre en la termosfera se describe mediante el flujo molecular libre. Las moléculas atmosféricas en la termosfera no "saben" sobre la existencia del objeto que está sujeto a arrastre a menos que choquen con él. El objeto desapareció hace mucho tiempo cuando las moléculas circundantes interactúan con las moléculas que chocaron con el objeto.

¿Puedes decir por qué los coeficientes de arrastre son tan altos cuando la atmósfera es tan delgada? Parece que cuantas menos moléculas hay, mayor efecto tiene el impacto de cada una.
@briligg Número de Reynolds demasiado alto en exosferas. Básicamente, porque la viscosidad es inexistente y el arrastre de los cuerpos no aerodinámicos ya no está dominado por el componente de presión en la región de la estela a números de Reynolds extremadamente altos. Y al revés, la racionalización no ayuda al crear una capa límite que extienda aún más esta racionalización mediante la presión del aire local a una presión atmosférica de mayor viscosidad. Tienes que estar en LEO extremadamente bajo para que la racionalización marque una gran diferencia, pero algunos satélites fueron/son optimizados, por ejemplo, GOCE y Swarm trio (todos ESA).
@TildalWave: creo que te referías a números de Reynolds extremadamente altos. Quizás de manera demasiado simplista, el número de Reynolds es la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de arrastre. El número de Reynolds ni siquiera tiene sentido por encima de la mesosfera porque el arrastre cambia desde el debido a la viscosidad hasta el debido al flujo molecular libre.
@DavidHammen Sí, eso es todo, siempre lo estropeo con esto LOL Básicamente ρ v L m dónde m → 0 (prácticamente fuerzas viscosas inexistentes). Entonces sí, R mi → ∞ . ¡Saludos por la corrección! He abusado de los poderes de mod y lo reflejé en el comentario inicial. ;)
@briligg, su primer comentario sobre esta respuesta parece que debería ser una pregunta independiente. ¿Quieres publicarlo?
@JamesJenkins: creo que tienes razón. Tomaré un tiro.
@DavidHammen - Dios mío. Publiqué la pregunta por separado como sugirió James, pero tal vez sea superflua ... esta respuesta ahora cubre todo muy bien y el título probablemente tenga lo que alguien buscaría si buscara información sobre el tema ... supongo que lo haré borra la otra pregunta.
"Según esta vista estándar, la forma no importa, y cualquiera que sea la forma que tenga un objeto, es menos aerodinámico que un paracaídas" ... ¿quieres decir más aerodinámico? Cuanto menos aerodinámico es algo, más arrastre tiene, ¿lo que parece ser lo contrario de lo que estabas tratando de decir?
@GreenAsJade: un buen paracaídas (en la troposfera) tiene un coeficiente de arrastre de 1.75. El coeficiente de arrastre de casi cualquier objeto en la termosfera es superior a 2,0. Desde la perspectiva del coeficiente de arrastre, un paracaídas (en la troposfera) es más aerodinámico que casi cualquier objeto en órbita terrestre baja.
¡Ja, me alegro de haberlo aclarado! ¡Ciertamente no había entendido eso correctamente!
Gracias por no mover esta discusión extendida al chat. Fue una gran lectura :).
¿Podría explicar cómo una placa plana orientada normal a la dirección del viaje podría ser más aerodinámica que una flecha? Incluso ignorando que la viscosidad es cero, ¿seguramente su área de superficie expuesta en la dirección del viaje haría que colisionara con muchas más partículas que una flecha (incluso si asumimos que ambas tienen la misma área de superficie total)?
@Rob: una flecha (o cualquier cilindro largo que vuele con el eje largo paralelo al vector de velocidad) tiene dos términos que conducen al arrastre: un término proporcional al área de la sección transversal normal al flujo, más otro término proporcional al área de la sección transversal paralela al flujo. Este segundo término puede dominar para un cilindro suficientemente largo. El segundo término se debe a las colisiones a lo largo de la pared del cilindro. Como la constante de proporcionalidad para el primer término varía como máximo en un factor de dos en la órbita terrestre baja, las flechas y otros objetos largos y delgados no son aerodinámicos en el espacio.
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