¿Qué factores contribuirían a la capacidad de una nave espacial para mantener una órbita muy baja (VLEO) o al menos órbitas con perigeos muy bajos?

Pregunté ¿Qué representa una esquina alta del ataúd de un avión? en Aviación SE. Ahora me pregunto qué factores contribuirían a que una nave espacial sea capaz de mantener órbitas circulares bajas (por ejemplo, dentro de los 200 km / 125 mi desde el nivel del mar de la Tierra) u órbitas con perigeos muy bajos (por ejemplo, dentro de los 120 km / 75 mi más o menos) sin decaer demasiado. rápidamente ni volver a entrar en la atmósfera.

Para sobrevivir en órbitas bajas, ¿ayudaría que la nave espacial en cuestión fuera más pequeña? ¿Más grande? ¿Más masivo?

Técnicamente, ¿podría describir un dirigible no móvil como si estuviera en un VLEO geoestacionario? Si ese dirigible comienza a dar vueltas alrededor de la Tierra (posiblemente requiriendo algo de reabastecimiento de combustible en el aire), eso podría describirse como una órbita circular muy baja...
Hola Giovanni, vi tu edición de la etiqueta de órbita terrestre muy baja, pero el número que has asignado parece arbitrario y no está de acuerdo con el uso de la etiqueta. Por ejemplo, ¿ qué tan bajo es VLEO? (La aprobación más reciente de la FCC para SpaceX) A menos que pueda citar una definición formal, es mejor dejar la etiqueta en blanco que simplemente poner un número que parezca correcto. ¡Gracias!
@uhoh Es una convención que LEO se define en 160-2000 km y VLEO estaría debajo. Busque en WP o Quora, no es difícil averiguarlo. Si estamos de acuerdo con estas demarcaciones es una historia diferente.
@DarrelHoffman ¿Diría que un planeador o un globo de helio que circunnavegó la Tierra lo ha orbitado? No lo creo, deberías alcanzar la velocidad orbital para eso.
@Giovanni 2000 km parece estándar, pero ahora que la FCC reconoce la órbita terrestre muy baja como distinta de LEO, creo que Wikipedia y Quora deben actualizarse. La guía de uso debe estar actualizada y ser coherente con su uso en el sitio. Dado que SpaceX y la FCC están usando VLEO en acciones oficiales, creo que llegó para quedarse. Por lo tanto, es posible que LEO tenga que aumentar un poco, o tal vez reducirse a 80 km y VLEO se convierta en un subconjunto. De cualquier manera, las etiquetas de órbita terrestre muy baja y LEO deben actualizarse para reconocerse mutuamente.
@Giovanni también vea ¿Por qué FAI está considerando reducir la línea Karman a 80 km? & ¿ Cuándo es/será el simposio para revisar la línea Karman y considerar la "línea McDowell"? Dado que las cosas aún pueden orbitar por un corto tiempo muy por debajo de los 160 km, esas órbitas necesitan un lugar para existir y VLEO parece un buen lugar. & para antecedentes ¿La Unión Soviética puso un satélite no tripulado en "órbita muy baja" sobre la línea Kármán que usaba control de actitud aerodinámica?
@uhoh McDowell incluso descubrió que el satélite en órbita más bajo en una órbita aproximadamente circular fue Lixing-1 orbitando durante tres días a no más de 140 km (87 mi). space.skyrocket.de/doc_sdat/lixing-1.htm
@Giovanni excelente!
@Giovanni He abierto un espacio para una mayor discusión y quizás el refinamiento de ambas etiquetas: ¿ Dónde termina la etiqueta de órbita terrestre baja y comienza la etiqueta de órbita terrestre muy baja? ¿Cómo deberían definirse?

Respuestas (1)

Cuanto más baja es la órbita, mayor es la resistencia. Dado que la fuerza de arrastre es aproximadamente proporcional al área, pero la aceleración resultante es la fuerza dividida por la masa, cuanto más densa sea la nave espacial, menos se verá afectada por el arrastre.

La forma más sencilla de combatir la resistencia es llevar mucho combustible y usarlo con frecuencia. Esto hará que la nave espacial sea menos densa a medida que se vacía el tanque, pero también más liviana y, por lo tanto, tendrá menos masa para acelerar con el mismo combustible, de manera que se anula. Lo principal de lo que preocuparse es que tiene un combustible finito y, por lo tanto, eventualmente se agotará y no tendrá forma de evitar una eventual descomposición.

Los modelos de arrastre de naves espaciales son casi siempre esferas, pero podría intentar hacer un vehículo largo y angosto, es decir, con forma de cohete, y mantener la nariz orientada en la dirección del viaje. Esto reducirá la resistencia, pero si su vehículo tiene un extremo más pesado que el otro, entonces el gradiente de gravedad tenderá a enderezarlo, de modo que su lado largo mire hacia el viento, aumentando así la resistencia y apuntando el motor de cola en la dirección equivocada. dirección. Tendrá que controlar la actitud y tener propulsores adicionales orientados correctamente para corregirla.

Podrías hacer cosas muy interesantes al diseñar el cuerpo para que genere sustentación además de resistencia, y manteniendo la actitud como un avión. Esto es complicado de hacer bien y requiere mucha más dinámica de fluidos para un modelado adecuado de lo que se hace normalmente, por lo que necesitará un software personalizado para controlarlo.

Además, la resistencia es fricción, que calienta la nave espacial. Cuanto más bajo vayas, y más arrastre encuentres, más rápido se calentarán las cosas. Necesita formas de controlar ese calor y deshacerse de él, o su nave espacial de muy baja altitud puede derretirse mucho antes de que se quede sin combustible.

Pero no se puede generar suficiente calor a, digamos, 110 km (361 K pies) de altitud que sería un peligro para la nave a velocidad orbital, ¿o sí?
" hará que la nave espacial sea menos densa a medida que se vacía el tanque, por lo que necesitará gradualmente más combustible para lograr el mismo efecto contra la resistencia al avance ". es incorrecta. Sí, la nave espacial tendrá menos masa para el mismo perfil de arrastre, por lo que disminuirá la velocidad más rápido. igualmente (¡exactamente igual!) la menor masa requerirá menos combustible para compensar la velocidad perdida.
Solo estoy especulando sobre una órbita polar frente a la rotación de la Tierra. La velocidad orbital es unas 17 veces más rápida que la velocidad del aire en el ecuador y son perpendiculares entre sí. Entonces, si puedo diseñar una nave espacial con una relación de sustentación/arrastre de más de 17, entonces debería poder obtener un componente de fuerza neta positiva a lo largo de la dirección de viaje. Los aviones modernos alcanzan alrededor de 20, pero deduzco que los números son mucho más bajos a velocidades supersónicas. Alguna idea ... ?
@PcMan gracias, arreglado ahora.
solo para continuar con esta línea de pensamiento anterior, veo que la relación sustentación/resistencia para una placa plana en una atmósfera enrarecida y con reflexión especular es solo 1/tan (theta), que es arbitrariamente grande para ángulos de ataque muy pequeños. Supongo que el problema a estas velocidades es conseguir que las moléculas reboten bien en la superficie en la dirección correcta y sin perder energía. Incluso si puede encontrar una superficie lo suficientemente suave como para dar una reflexión especular a nivel atómico, la temperatura efectiva de una molécula de O2 a la velocidad orbital es de aproximadamente 2000 K, lo que seguramente es suficiente para romper la mayoría de las superficies.
Todavía no elaboraste la cuestión del calor. No creo que el calentamiento aerodinámico sea un problema para orbitar por encima de ~50 mi (80 km). Se observó que el transbordador Columbia perdió escombros alrededor de 70,5 km (44 millas) por primera vez.