¿Qué tan constante es la fuerza de arrastre atmosférica experimentada por la ISS?

Supongamos que uno quisiera modular la potencia de un propulsor de iones potente e hipotético en la ISS para compensar continuamente la fuerza de arrastre atmosférica a fin de lograr condiciones de caída libre casi perfectas (microgravedad cercana a cero) para los experimentos de la estación, al menos entre otros. maniobras

¿Cuál es la dependencia del tiempo de la fuerza de arrastre en la ISS? ¿Es bastante constante, digamos dentro del 10% sobre una órbita dada? ¿O hay una gran variación entre el día y la noche debido a la interacción de la radiación solar y el viento solar con la ionosfera?

¿Hay otros efectos que puedan causar cambios significativos en la fuerza de arrastre en la ISS dentro del marco de tiempo de una órbita dada también?

nota: este es un experimento de Gedanken para explorar la naturaleza de la fuerza de arrastre en la ISS en su altitud orbital, no una propuesta de una forma práctica de minimizar la microgravedad, ya que hay varias otras consideraciones, por lo que no es necesario comenzar una lista de estos en comentarios. Esta pregunta tiene su origen en los comentarios debajo de esta respuesta .

¿Recuerdas Tiangong-1? Incluso el día anterior cambiaron la hora prevista del impacto para que sirviera horas más tarde por falta de actividad solar prevista. Así que parece que hay una cantidad bastante significativa de variación, aunque no tengo números.
@NathanaelVetters, la fuerte retroalimentación en el reingreso atmosférico hace que el problema sea mucho más impredecible. A 400 km, la ISS solo pierde unos 10 metros o menos por órbita, por lo que ese tipo de comportamiento exponencial no es realmente un buen modelo aquí.
No es suficiente para una respuesta verdadera, pero tal vez ayude a alguien: hay una diferencia significativa en la densidad atmosférica (a 100 de km de altitud) con la latitud. Eso sería un efecto de dos veces por órbita. También tiene una diferencia día-noche. El único papel tapiz no pagado que tengo a mano es Newton&Pelz: agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/JA074i016p04169
Vaya, lo siento, parece que ese periódico en realidad es de pago. Mi error. voy a ver que encuentro...
@BobJacobsen está disponible en la NASA . Aunque los datos del Explorer en 1966 pueden no ser la última palabra sobre el tema, ¡ciertamente es interesante leer sobre ellos!

Respuestas (3)

En esta presentación sobre Satellite Drag hay una tabla con las variaciones de densidad en una altura de órbita de 400 km.

El ciclo solar provoca variaciones del 1600 % y un periodo de 11 años.
Variaciones semestrales con 125 % y un plazo de 12 meses.
Rotación solar (radiación UV) con un 250 % y un periodo de 27 días.
Grandes tormentas geomagnéticas con 800 % y 3 días.
Efecto diurno (día/noche) con un 250 % y una frecuencia de 1 día.

La Termosfera es calentada por el Sol, la densidad aumenta en el lado diurno de la Tierra. La ISS experimentará una modulación de densidad dentro de un período de órbita de unos 90 minutos.

¡Esto! Las enormes variaciones en la resistencia aerodinámica durante los once años solares hacen que predecir la resistencia aerodinámica sea muy difícil y un poco ficticio. La gran variación (pero no del todo enorme) a corto plazo hace que sea muy difícil predecir el día en que un satélite volverá a entrar. Una buena llamarada solar, que puede ocurrir incluso en ciclos solares débiles (por ejemplo, el Evento de Carrington), puede hacer que la atmósfera de la Tierra se hinche como un malvavisco sobrecalentado.
@David Hammen: Cita de la presentación: "Durante la gran tormenta geomagnética del 13 y 14 de marzo de 1989, se perdió el seguimiento de miles de objetos espaciales. Un satélite LEO perdió más de 30 kilómetros de altitud y, por lo tanto, una vida útil significativa durante esta tormenta. ."
¡Ay! ¡Qué hermoso, interesante lío!
"Efecto diurno (día/noche) con 250 % y un período de 1 día" ¿quieres decir un período de 1 órbita (por ejemplo, 90 minutos)?

Eche un vistazo a este documento sobre qué tan bien Gravity Probe B hizo exactamente eso. Tiene gráficas de la aceleración contrarrestante requerida en función de la escala de tiempo (expresada en frecuencia). GP-B estaba en una órbita más alta, 642 km, pero la variabilidad debería ser similar en el tiempo, solo que mucho menor en magnitud.

Normalmente advertimos a los nuevos usuarios sobre las respuestas de solo enlace, por lo que, para ser justos, también debería hacerlo aquí. ¿Puede incluir al menos un resumen o una captura de pantalla de la aceleración de la contraparte en función de la escala de tiempo (¿figura 9?) para preservar algo del valor y la utilidad de su respuesta si/una vez que el enlace se rompe? ¡Gracias!
Consulte también upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/ISS_altitude.png , que muestra la altitud de la ISS durante un período de poco más de siete años. Una vez superado el pico del ciclo solar 23, se permitió a la ISS operar a altitudes que habrían sido peligrosas durante el pico de ese ciclo solar.

Órbita: Apogeo: 408 km Perigeo: 401,1 km

La ley de Kepler de áreas iguales en tiempos iguales dice que la relación de velocidades Apogeo/Perigeo = 6808/6801.1 km = 1.001

El arrastre es proporcional al cuadrado de la velocidad, por lo tanto, la relación de arrastre = 1.002

Suposición: el coeficiente de arrastre es el mismo para las velocidades y la densidad atmosférica no cambia apreciablemente en una diferencia de 7 km a una altitud tan alta.

Entonces, 0.2% debería ser el cambio en la fuerza de arrastre.

Oh, eso es tan ignorante de mí. Editaré la respuesta.
La variación de altitud añadirá un factor de proporcionalidad, que no debería ser significativo. Buscaré una ecuación válida para la variación de densidad LEO
Esta respuesta pasa por alto el gran efecto diurno (un factor de más de dos), las variaciones mucho mayores debidas a pequeños cambios en la actividad solar y las variaciones absolutamente enormes en el transcurso del ciclo solar de once años.
¿El efecto diurno ocurre porque si estás en el perigeo y es de noche en el punto del perigeo, debido a una temperatura mucho más fría, la densidad disminuirá en LEO? O aumentar?
El efecto diurno no tiene nada que ver con las variaciones de altitud de las naves espaciales. Es una variación en la atmósfera misma. El Sol calienta el lado iluminado por el sol de la atmósfera de la Tierra, haciendo que se hinche. La atmósfera en el lado no iluminado de la Tierra se enfría y se contrae. La ISS navega a través de esta gran variación de densidad unas 16 veces al día.
¿Qué tan constante es la fuerza de arrastre atmosférica experimentada por la ISS?
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