¿Qué tan fuerte y "caliente" es el viento en la carga útil después de desplegar el carenado a ~110 km?

En la pregunta ¿Qué hace que los carenados del siglo XXI sean tan valiosos como para recuperarlos y reutilizarlos? Yo dije:

Los carenados del siglo XXI son mucho más que cofres de techo pasivos para "quitar el viento de las cosas del cliente".

En la discusión en los comentarios debajo de esta respuesta , se discutieron los criterios para una altitud segura para la eyección del carenado. Hice una revisión rápida de cinco videos de transmisión web de SpaceX y sus correspondientes kits de prensa, y descubrí que los cinco despliegues de carenado estaban agrupados estrechamente alrededor de una altitud de aproximadamente 110 km, independientemente de la velocidad (sobre el suelo) o el tiempo después del arranque del motor secundario.

He incluido una estimación de la inclinación del objetivo. Con eso y la latitud en el momento del despliegue, se podría estimar la velocidad real del aire, pero en realidad solo estoy buscando números aproximados.

MISIÓN Velocidad de avance (m/s) Gramo. s. (km/h) Altitud (km) Posterior a la segunda etapa de encendido (seg.) Inclinación (estimada)
ORBCOMM-2 1571 5657 111 13 45°
THAICOM-8 2536 9131 111 51 ~0°
Eutelsat/ABS 2517 9061 111 47 ~0°
JCSAT-16 2459 8852 110 48 ~0°
Iridio-1 2034 7322 107 40 86°
Ecostar XXIII 2847 10248 114 38 ~0°

El ambiente está bastante enrarecido a 110 km; estimo sobre 2 ⋅ 10 − 6 de la presión del nivel del mar utilizando mi X pags ( -110 kilómetros H ) con una altura de escala H de 8,4 km.

Los satélites están construidos para soportar enormes fuerzas g durante el lanzamiento, pero esas fuerzas en cada componente son proporcionales a la masa del componente. Entonces, cualquier sección dada de toda esa película liviana (¿Kapton o Mylar?) que envuelve el satélite puede no experimentar una fuerza g muy grande en términos de newtons, pero una vez que se despliega el carenado, algunas superficies estarán expuestas a una presión muy baja pero muy vientos de alta velocidad.

Además de la fuerza del viento (transferencia de cantidad de movimiento), también hay transferencia de energía, y eso escalará más rápido con la velocidad que la transferencia de cantidad de movimiento. Entonces, incluso si las fuerzas mecánicas a granel resultan ser bajas, puede haber un calentamiento local inducido por arrastre, y las cosas que conducen mal el calor (como las películas delgadas de polímero, por ejemplo) podrían desarrollar puntos calientes.

Además, considerando que hay 110 km entre las capas E y F de la ionosfera, habrá un viento sustancial de electrones e iones, lo que también podría causar problemas.

De este modo:

Pregunta: ¿Qué tan fuerte y "caliente" es el viento en la carga útil después de desplegar el carenado a ~110 km?

ingrese la descripción de la imagen aquí

Arriba: Foto de Sierra Nevada de Spaceflight Insider entrega los últimos 11 satélites ORMCOMM OG2 para su lanzamiento .

Tienes todo lo que necesitas. es solo 1 2 ρ v 2 .
Edición de @MarkAdler: "Qué fuerte y "caliente:* ...
Agregaste eso. En este flujo enrarecido, puede estimar el flujo de calor con 1 2 ρ v 3 .
@MarkAdler Generaré una respuesta si nadie más lo hace. Puedo hacer los cálculos, pero puede haber información más relevante e interesante que alguien con más conocimientos pueda agregar.
@RussellBorogove Me pregunto si debería cambiar mi pregunta a algo como "¿cuáles son las consideraciones involucradas en la elección del momento óptimo para la separación del carenado", pero eso puede traer muchas otras consideraciones. Sería interesante discutirlos, pero solo busco los relacionados con el "viento". No entiendo tu comentario, ¿es humor?
Oh, estaba leyendo completamente mal la pregunta, porque comenzó con la discusión sobre la capacidad de recuperación de los carenados, pensé que estaba preguntando sobre las tensiones en el carenado en lugar de la carga útil . Lo lamento.
@RussellBorogove ¡Oh, no hay problema! En realidad, me ha hecho pensar en la pregunta, ¿quiero expandirme a todas las consideraciones involucradas en la elección de una altitud óptima, o simplemente considerar las diversas tensiones y la degradación potencial que puede experimentar la carga útil?
Para conocer la densidad atmosférica a esta altitud, consulte space.stackexchange.com/questions/18223/…
@Hobbes Estuve allí y también busqué en ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models_home.html pero no pude encontrar algo fácil de usar. Tengo la sensación de que podría descargar código o enviar un trabajo, pero eso obviamente es excesivo. Lo mismo para aquí también: ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models_home.html Pero como señalé allí, aquí hay algunos datos tabulados de presión y densidad de la atmósfera estándar de 1976 ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models_home. html
¿Puedes encontrar la temperatura del aire ambiente a esa altitud? Sabiendo que podré darte el "caliente" resultante de la velocidad.
@SF. este está en mi lista de "tareas personales" (a diferencia de esta lista de tareas pendientes de exploración espacial ). Probablemente pueda hacer este cálculo, y probablemente debería hacerlo. ¡Gracias por el recordatorio!
@uhoh: en ese caso, la palabra clave es "ram rise".
La densidad a 110 km es de 7,1 E-8 bar, la temperatura es de 240 K, según la tabla en ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19770009539.pdf
@Hobbes, sí, y la densidad de masa en la misma línea Z = 110,000 en la página 68 es 9.7E-08 kg / m ^ 3. Usar H=110,000 hace solo una diferencia relativamente pequeña. ¡Gracias!
A 8 km/s, la temperatura en una superficie plana "de cara al viento" será del orden de 25 000 K.
@SF. Cita tu fuente. ¿Es eso una losa de material o algún componente de la temperatura del plasma? ¿Está siquiera en equilibrio? A todo tipo de parámetros se les puede asignar una temperatura efectiva. Un plasma puede tener un electrón, un ion y una temperatura neutra asociada a la energía cinética, y los estados de excitación electrónica de los átomos/iones pueden incluso tener otro, considerando la alta velocidad y la baja densidad. Sin más información, un número de temperatura no significa mucho.
@uhoh: espera, en la separación del carenado, siguiendo la telemetría de una corriente , la velocidad es de alrededor de 2200 m/s. Eso corresponde a solo alrededor de 1900K. Cálculo de TAT para esa velocidad. Para superficies planas que van directamente contra la corriente de aire, RAT=TAT.
No estoy seguro de cuánto ayudaría esto, pero según los manuales del vehículo de lanzamiento que he visto, los carenados se desechan en un momento en que el flujo aerotérmico molecular libre es inferior a 1135 W/m^2. Mark Adler da la fórmula correcta para el flujo de calor.
No será una respuesta completa, ya que solo puedo responder la parte "qué tan caliente" de la pregunta, pero ¿es algo?

Respuestas (1)

Los operadores de vehículos de lanzamiento (o al menos los principales) parecen dejar caer sus carenados de manera que el calor producido por la atmósfera restante permanece por debajo de 1135 W/m 2 . No todos los operadores brindan detalles sobre cómo se calcula el calor, pero los que sí dicen que el flujo de calor se calcula utilizando un flujo molecular libre a través de un plano perpendicular a la dirección del viaje, por lo que sospecho que esto es más o menos una definición estándar .

Fuentes:

Manual del usuario de Vega, página 3-14

El tiempo nominal de desprendimiento del carenado se determina para no superar un flujo instantáneo máximo de 1135 W/m 2 . Este flujo se calcula como un flujo molecular libre que actúa sobre una superficie plana perpendicular a la dirección de la velocidad ( 1 2 ρ V 3 ).

Guía del usuario de carga útil de Falcon 9, página 32 :

El carenado de carga útil se desplegará nominalmente cuando el calentamiento aerotérmico molecular libre sea inferior a 1135 W/m 2 .

Manual del usuario de Ariane 5, página 3-11 :

El tiempo nominal de vaciado del carenado se determina para no superar el flujo aerotérmico de 1135 W/m 2 . Este flujo se calcula como un flujo molecular libre que actúa sobre una superficie plana perpendicular a la dirección de la velocidad y se basa en el modelo atmosférico US66, latitud 15° Norte.

Guía del usuario de los servicios de lanzamiento de Delta IV, página 3-19 :

A menos que se solicite lo contrario, la eliminación del carenado para las misiones Delta IV se producirá poco después de que el calentamiento molecular libre teórico alto de 3 sigma para una placa plana normal a la corriente libre caiga por debajo de 1135 W/m 2 (360 Btu/h pie 2 ) basado en la atmósfera estándar de los Estados Unidos de 1962.

La guía de planificadores de carga útil Delta II, página 4-13 :

A menos que se solicite lo contrario, el desprendimiento del carenado ocurrirá poco después de que el calentamiento molecular libre teórico para una placa plana normal a la corriente libre caiga por debajo de 0.1 Btu/ft. 2 -seg (1135 W/m 2 ) basado en la atmósfera estándar de EE. UU. de 1962.

Guía del usuario de Atlas V Launch Services, página 3-27 :

El descarte de PLF [carenado de carga útil] generalmente ocurre cuando el flujo de calor molecular libre máximo de 3 sigma disminuye a 1135 W/m 2 (360 Btu/h-pie 2 ).

Manual del usuario de Arianespace Soyuz, página 3-15 :

El tiempo nominal de lanzamiento del Carenado se determina para no superar el flujo aerotérmico de 1135 W/m 2 . Este flujo se calcula como un flujo molecular libre que actúa sobre una superficie plana perpendicular a la dirección de la velocidad y se basa en el modelo atmosférico US 66, latitud 15° Norte. Después de desechar el carenado, el flujo aerotérmico varía de 1135 W/m 2 a menos de 200 W/m 2 dentro de 20 segundos.

Guía del planificador de misiones del sistema de lanzamiento de protones, página 3-6 :

El PLF [carenado de carga útil] se desecha aproximadamente a los 340 a 350 segundos de vuelo (a una altitud de 121 a 125 km o más), y el FMHF [flujo de calor molecular libre] máximo no supera los 1135 W/m 2 en cualquier momento después del lanzamiento de PLF.

¡Ese es un sorprendente grado de consistencia! Me pregunto cuál es la fuente de este valor. Me doy cuenta de que es un poco más que el flujo de luz solar a nivel del suelo, pero dudo que haya una conexión directa allí.
Es más un valor tradicional que cualquier otra cosa.
Parece que el número redondo de un solo dígito 0.1 Btu/ft22-secpuede ser la fuente original del funky 1135. ¡Esta es una respuesta realmente genial! Hay mucho que leer aquí.
¿Qué tan fuerte y "caliente" es el viento en la carga útil después de desplegar el carenado a ~110 km?
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