¿Qué tan fuerte empuja la resistencia atmosférica en la ISS? ¿Es más de una libra?

Un comentario bajo esta pregunta me tiene pensando; Con su enorme estructura principal y paneles solares gigantes, la ISS presenta una sección transversal muy grande de la atmósfera enrarecida de la Tierra a 400 km de altitud. Tanto es así que he oído que cada vez que la ISS entra en la sombra de la Tierra, los paneles solares giran para presentar una superficie de arrastre mínima, y ​​algunos de ellos pueden hacer esto incluso en las partes soleadas de la órbita si no se necesita toda la potencia para cargar. las baterías y hacer funcionar los sistemas que actualmente consumen energía.

La resistencia es mala porque la ISS volvería a entrar pronto si no fuera por los envíos regulares de combustible para cohetes desde la Tierra para impulsar los motores que se queman para volver a elevar regularmente la órbita, que se encuentra en alrededor de 400 km en estos días.

Pregunta: ¿ Aproximadamente con qué fuerza empuja la resistencia atmosférica a la ISS? ¿Es más de una libra? La ISS pesa unos 400.000 kg, por lo que supongo que la fuerza de arrastre debe ser bastante importante para hacer mella en su velocidad, incluso durante meses.

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¿Responde esto a tu pregunta? ¿Qué es la resistencia de la ISS?
@asdfex Cuando cerramos como duplicados, queremos guiar a los futuros lectores a la mejor respuesta, no simplemente a la respuesta más antigua. Así que voté para cerrar eso como duplicado de esto porque encuentro esta respuesta mucho más legible, informativa y matemáticamente completa que la respuesta allí. Curiosamente, los datos allí muestran una tasa de descenso 10 veces más rápida, ya que está justo en medio del máximo de manchas solares de finales de 2014 asociado con el calentamiento atmosférico máximo, por lo que en este caso quizás fusionar los dos sea la mejor manera de servir a los futuros lectores. Lo marcaré y publicaré algo en meta sobre esto.
Me gustaría que esta pregunta no mezclara más unidades SI con libras de fuerza.
@ user2705196, ¿entonces debería cambiar 400,000 kg a 880,000 lbs? Oh, ¿quieres decir que debería preguntar "¿Es más de 4.5 Newtons?" A mí no me importa cómo termine el título; podría ser "¿Es más que un Henway? " Es arbitrario. Lo importante es que los cálculos reales (en preguntas o respuestas) no mezclen unidades. No he calculado nada aquí, por lo que las unidades realmente no importan.
¡Mi comentario fue principalmente irónico! Pero sí, si cambiaras km a millas, kg a libras (¿o piedras?), y mantuvieras las libras-fuerza, me habría parecido menos discordante. Por supuesto, idealmente como comunidad con mentalidad científica, me apegaría a las unidades SI (y derivadas) y, por lo tanto, simplemente pediría arrastrar a Newton. Sin embargo, no es necesario cambiar la pregunta. ¡Sobre todo estaba bromeando y debería haber agregado un ;-) para aclarar!
@Cristiano, ¿puedes mencionar en qué parte de esa página crees que aparece la fuerza en la ISS ? ¿Cuál es el valor de la fuerza que estás viendo allí? Por lo que puedo decir, no, no veo la respuesta a mi pregunta allí.
Existe el gráfico "Arrastre de la ISS / Arrastre del astronauta".
@Cristiano Ah! 20 a 50 mN ¡ Sí, ya veo! Leyendo de lado lo vi al revés de alguna manera. Sí, proporciona una respuesta a esta pregunta, ¡gracias!

Respuestas (2)

Aquí hay una estimación aproximada. La altura de la ISS cae a un ritmo de unos 10 metros por día. La energía de un cuerpo de masa. metro en una órbita circular de radio r es mi = − m metro 2 r , entonces

F v = d mi d t = m metro 2 r 2 d r d t .
Desde v = m r ,
F = metro v 2 r d r d t .
Sustituyendo metro = 4 ⋅ 10 5 kg, v = 7800 EM, r = 6.8 ⋅ 10 6 metro, d r d t = 10 / 86400 m/s, obtenemos que F es sobre 1 / 40 de un Newton, o sobre 1 / 200 de una libra-fuerza.

Editar: 10 metros por día es la tasa actual, tomada de la imagen ingrese la descripción de la imagen aquí(fuente y crédito: Heavens-Above ). Puede ser inusualmente bajo, vea los comentarios.

Entonces, dado un Sol tranquilo o normal, alrededor de 25 mN. Eso es menos de lo que hay en la mayoría de los satélites de comunicaciones totalmente eléctricos que se colocan en GTO y se circularizan y luego se mantienen en posición con propulsores de xenón. Propulsión totalmente eléctrica y sistema de lanzamiento multisatélite para satélites de comunicación La conversión en este momento puede ser más trabajo y riesgo de lo que vale, pero tal vez el mantenimiento de la estación eléctrica se integre en futuras estaciones espaciales.
Obtuve un orden de magnitud más usando la estación manteniendo un dv de 2 m/s/mes y dos órdenes de magnitud más usando la ecuación de energía orbital específica... para verificar.
Con GRAMO METRO = 3.986 × 10 14   metro 3 / s 2 y a = 6.778 × 10 6   metro obtengo una velocidad de 7668.6314   EM . A 10 metros más abajo obtengo una velocidad que es 5.68   × 10 − 3   EM más alto. Si eso sucede en 86400 segundos, entonces la aceleración es 6.57 × 10 − 8   EM 2 . Con metro = 4 × 10 5   kg eso es una fuerza de 0.0263   norte o alrededor de 1/38 de Newton, en excelente acuerdo con "alrededor de 1/40 de Newton".
@asdfex Podría haber usado un valor incorrecto para la tasa de caída de altura. Lo saqué de Heavens-above.com/IssHeight.aspx , que muestra una tasa de unos 300 m por mes. Sin embargo, la respuesta space.stackexchange.com/questions/9087/… (¡que incluso se refiere al mismo sitio!) muestra una tasa de orden de magnitud más alta. No sé cuál es el correcto. ¿O depende del ciclo solar?
@uhoh Para ser honesto, que la tasa de aumento de la velocidad orbital sea la misma que la desaceleración debida a la fuerza de frenado es algo así como una coincidencia. Si el potencial gravitatorio fuera proporcional no a r − 1 , pero para algún otro poder, serían diferentes. Aunque aún así, diferirían solo por un factor constante.
@Litho wow, no sabía eso, ¡ muy genial!
@uhoh Por si acaso: se aplica solo cuando la órbita se mantiene casi circular.
Litho, usé los mismos 10m/día o 300m/mes. El ciclo solar tiene una gran influencia. Pero tal vez un factor de 5 como máximo.
Es interesante que el ciclo solar aparezca aquí. El arrastre no es la única fuerza que actúa sobre el vehículo: la radiación solar sería otra, pero la dirección de la radiación solar oscilaría de un lado a otro a medida que la ISS gira alrededor de la tierra... actuando para acelerarla cuando se dirige a lo largo del vector de velocidad, luego para desacelerar cuando se dirige de manera opuesta al vector de velocidad. El efecto se cancelaría y las oscilaciones aparecerían con un período de la ISS (¿90 min?)
¿Quizás el efecto del ciclo solar es cambiar la densidad del aire a grandes alturas, lo que impactaría directamente en la resistencia (la fuerza dominante)? El arrastre siempre actúa de manera opuesta al vector de velocidad, por lo que su efecto no se cancelaría durante el período de una revolución, y cualquier periodicidad en su magnitud probablemente provendría de cambios en la densidad del aire, ¿parece? ¿Cambia la densidad del aire con la intensidad de la radiación solar?
La densidad del aire cambia mucho con la radiación. Incluso el lado día/noche es claramente distinguible
Entonces, supongo que la razón por la que encienden los paneles solares en la "noche" es porque enviar combustible para cohetes desde la superficie es muy costoso, no porque la resistencia sea sustancial.
@asdfex no es solo un factor de 5. La respuesta de 2015 muestra una tasa sostenida de más de un factor de 10 más rápido que esto, e incluso hay un ejemplo de más de 400 metros en un día . Ver también ¿Qué tan constante es la fuerza de arrastre atmosférica experimentada por la ISS?
@asdfex wow, veo tu nueva respuesta y la mencioné aquí. ¡Es una variedad increíble de arrastres!

Si bien la respuesta de Litho aborda el primer paso en la pregunta, de cuánto arrastre experimenta la ISS, no aborda directamente por qué vale la pena preocuparse por esa cantidad de arrastre, o gastar dinero en desarrollar una técnica para ajustar el ángulo del panel solar a la cuenta. para.

De hecho, incluso si la cantidad de resistencia aerodinámica ahorrada al rotar los paneles solares fuera insignificante a diario, el diseño de esa función aún podría haber tenido sentido mientras se desarrollaba el IIS, desde la perspectiva de la gestión de proyectos, porque la ISS es un enorme y largo esfuerzo a largo plazo.

Por un lado, ¡enviar combustible al espacio es muy costoso! Hacia 2010 , costaba unos 210 millones de dólares al año mantener la ISS en órbita. Eso es un gran incentivo para invertir en "eficiencias menores". De ello se deduce que la NASA estaría dispuesta a gastar un poco menos de $ 1 millón por año para ahorrar incluso la mitad por ciento de ese combustible. 1 Y, teniendo en cuenta la longevidad de la ISS, habrían estado dispuestos a gastar mucho más por adelantado.

1 Podrían estar dispuestos a gastar más de la cantidad en dólares de combustible ahorrado; el presupuesto de "peso de lanzamiento" de cualquier misión es mucho más limitado que el presupuesto de "costo de lanzamiento".

No estoy seguro de cuánto tiempo planeó originalmente la NASA mantener esta cosa en el espacio; pero este acuerdo NASA-RSA de 1998 utiliza frases como presencia humana permanente ; operaciones maduras ; y, proporcionar [...] planes de mantenimiento con cinco años de anticipación .

Además, debido a que la ISS ya necesitaba un sistema para rotar los paneles solares para rastrear el sol, agregar características adicionales a ese requisito grande e inevitable habría sido comparativamente económico.

Hasta cierto punto, agregar una lógica más sofisticada al controlador no habría aumentado sustancialmente los costos de desarrollo, ya que el controlador tenía que construirse y codificarse de todos modos. Quizás requirió actualizar el hardware para obtener un mejor rango de movimiento que era estrictamente necesario para rastrear el sol.

Eso podría afectar el peso de lanzamiento, que normalmente está prohibido; pero si ahorra peso en futuros lanzamientos, aún podría valer la pena. "Una característica adicional" habría agregado un pequeño costo adicional al presupuesto general de construcción.

La verificación de que la característica funciona y que no entra en conflicto con otros requisitos de diseño fácilmente podría ser más costosa que la característica misma; debe asegurarse de que todo lo demás siga funcionando cuando ajuste la disponibilidad de energía. Sin embargo, el costo total desde la perspectiva de las horas-hombre se habría amortizado en cientos de otras características que ya eran intrínsecas al diseño y que ya tenían que cotejarse entre sí para verificar su compatibilidad mutua.

Además, el objetivo de la ISS era ser un sistema actualizable de larga duración. Podrían haber lanzado una actualización más sofisticada (pero menos crítica) del sistema de control del panel mucho después de la fecha de lanzamiento de 1998, en un momento en que los cronogramas, los presupuestos y las restricciones de supervisión se habían relajado un poco. Estoy seguro de que actualmente realizan actualizaciones inalámbricas para algunas actualizaciones solo de software, aunque no diría cómo funcionaba en 1998.

Ni siquiera intenta responder a la pregunta que se hizo "¿Aproximadamente con qué fuerza empuja la resistencia atmosférica a la ISS?"
@OrganicMarble Ya hay una gran respuesta que cubre la parte más explícita de la pregunta; sin embargo, me refería más a la motivación de la pregunta que a la redacción.
Los sitios de Stack Exchange funcionan con un estricto sistema de preguntas y respuestas. No son para discusiones; el botón de respuesta está reservado solo para publicar respuestas.
@OrganicMarble Luego, lea la pregunta completa: "¿Aproximadamente con qué fuerza empuja la resistencia atmosférica en la ISS? ¿Es más de una libra? La ISS pesa aproximadamente 400,000 kg, por lo que supongo que la fuerza de resistencia debe ser bastante sustancial para hacer mella en su velocidad, incluso durante meses ". De la otra respuesta de Litho, esa fuerza de arrastre resulta no ser muy sustancial. Lo que no aborda es ¿por qué molestarse en agregar esta función cuando el impacto en la resistencia es tan pequeño?
@uhoh Me encontraré con un voto negativo si no está de acuerdo con que he contribuido con una respuesta razonable. Pero, por favor, no pongas palabras en mi boca.
@jpaugh Veo que estás aportando algo muy importante aquí y te lo agradezco! Es posible que desee copiar/pegar esto o partes de él como respuesta a ¿ Cómo se optimizan las orientaciones de los ocho paneles solares independientes de la ISS? Pero me cuesta creer que el impacto en la resistencia sea "tan pequeño". ¿Puede citar algunos números o fuentes autorizadas? La prosa no puede establecer una proporción cuantitativamente.
@jpaugh "Demasiado largo para ser un comentario:" es una frase estándar utilizada por los autores de respuestas de Stack Exchange para ayudar a los lectores a aceptar una publicación que, en opinión de algunas personas, podría no responder directamente a la pregunta, pero que, sin embargo, proporciona información adicional útil y esclarecedora para el beneficio de futuros lectores. Es algo estándar.
@uhoh, lo baso en la respuesta de Litho, que establece que toda la fuerza de arrastre en el IIS es "1/40 de un Newton, o aproximadamente 1/200 de una libra-fuerza". . Eso no suena como mucho en el camino de la resistencia; aunque es mucho en términos de costo y combustible.
@jpaugh "mucho" y "un poco" no tienen un significado absoluto aquí. Una fuerza pequeña durante un tiempo prolongado (arrastre hacia abajo) es de la misma magnitud y signo opuesto que una fuerza grande durante un tiempo corto (quemado de reinicio).
@uhoh Eso es cierto. Creo que abordé el "mucho tiempo" mejor que la primera respuesta; aunque mi respuesta no se basa tanto en las matemáticas como en el área algo más suave de la gestión de proyectos. Es importante recordar que el espacio no es solo una ecuación física. Es un lugar al que va la gente. Todo entra en juego.
@jpaugh si se desplaza por estos resultados, verá con qué frecuencia y con qué libertad usamos "demasiado largo para un comentario" al comienzo de una respuesta. No quiero decir que debas mantenerlo aquí, solo quiero mostrar que es una expresión de uso común aquí.
¿Qué tan fuerte empuja la resistencia atmosférica en la ISS? ¿Es más de una libra?
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