¿Cuál es la velocidad de impacto relativa típica de los desechos orbitales en la órbita terrestre baja?

Todos sabemos que el espacio se trata de ir muy rápido. También sabemos que lo que importa en una colisión no es realmente la velocidad absoluta, sino la velocidad relativa. (Dos autos con velocidades coincidentes en una carretera que se tocan no necesariamente causan grandes daños, pero si uno de ellos estuviera parado, probablemente lo haría). Una gran fracción de las naves espaciales en órbita están en órbitas progresivas, simplemente porque es más fácil y, si no ayuda activamente, al menos no duele; eso también reduce la velocidad relativa entre los dos.

Sin embargo, la gente sigue diciendo que las colisiones en órbita ocurren a velocidades tan extremas.

¿Cuál es la velocidad de impacto relativa típica de una pieza de desechos orbitales a una nave espacial operativa en órbita terrestre baja? ¿Cuáles son los valores de las componentes vectoriales de esta velocidad?

Puntos de bonificación por respuestas que incluyen citas.

También puntos de bonificación por respuestas que incluyen los datos de los que se deriva el "típico".

Lo que esta pregunta merece es una respuesta que analice los diferentes planos orbitales de los satélites en LEO ya que eso también debería ser representativo de los desechos. La mayoría de los satélites en LEO no tienen una inclinación 0, ni siquiera es posible (como tal) lanzarlos a una inclinación 0 desde los principales puertos espaciales, por lo que casi todos los satélites LEO están en órbitas con diferentes inclinaciones, algunos como sincrónicos con el sol, incluso siendo ligeramente retrógrados. Por lo tanto, debería haber muchas posibilidades de colisiones a una fracción significativa de la velocidad orbital, o incluso más.
@BlakeWalsh Notará que, muy específicamente, no asumí ninguna inclinación orbital particular en la pregunta, solo que "una gran fracción" de las naves espaciales en órbita en LEO están en órbitas progresivas.
Hay una respuesta parcial y algunos enlaces útiles, pero una respuesta más completa sería excelente, aunque me gustaría ver una distribución real, no solo algo reducido a una sola velocidad "típica". No dejaría de usar mis cinturones de seguridad incluso si un evento "típico" de automóvil a automóvil fuera un choque de guardabarros.
Una mirada rápida aquí sugiere que los "trozos grandes" (~30 cm y más grandes) están bien distribuidos entre inclinaciones bajas y altas. Las piezas diminutas asociadas y otras familias tendrán su propio carácter, pero habrá una fracción significativa de pares de bajo-inc/alto inc. editar: mejores matemáticas (y diferente velocidad) que se muestran aquí: spaceacademy.net.au/watch/debris/collvel.htm
@uhoh De hecho; la discusión en los comentarios a la respuesta de Tristan fue en gran parte lo que me inspiró a hacer esta pregunta. También edité ligeramente la pregunta para tratar de abordar su inquietud sin hacer que la pregunta sea demasiado amplia.
Debido a que desea citas y datos detallados, no proporcionaré una respuesta, ya que los productos de datos subyacentes están controlados por exportación. Depende de la altitud y la inclinación de su órbita, pero para la ISS, la velocidad típica de los desechos orbitales es de 11 km/s. Siéntase libre de buscar en ntrs.nasa.gov con el término de búsqueda ORDEM para corroborar.
¿Cómo definiríamos "típico"? ¿Mediana? Media media? ¿Modo? ¿Promedio ponderado por el peso de los escombros? ¿Ponderado por el seno del ángulo de impacto? ¿Histórico real, o simplemente esperado? Las órbitas inclinadas obtendrán el "máximo común" a ~11 km/s. Las órbitas retrógradas escasas dan ~16 km/s. Los desechos en órbitas fuertemente excéntricas también aumentan el máximo (en LEO). La mitad de eso, ~ 5.5, sería probablemente el promedio medio, pero es muy poco probable que sea la moda (valor más frecuente).
@Tristan Los datos y las citas son buenos, pero no obligatorios. De ahí los "puntos de bonificación".
@SF. Francamente, estoy dispuesto a aceptar cualquier definición de "típico" que los encuestados consideren que ilustra mejor los datos disponibles o sus cálculos.

Respuestas (3)

Echa un vistazo a esta respuesta de Mark Adler. Como puede ver, un pequeño panel durante 15 años soportó muchos impactos. Espero que haya habido multitud de impactos en general. Dudo que alguien sepa cuál ha sido la velocidad de impacto promedio.

Sin embargo, intentaré brindarle algunas herramientas para examinar diferentes escenarios.

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Dado un triángulo con longitudes a, b, c:
C 2 = a 2 + b 2 − 2 a b ∗ C o s ( α )
dónde α es el ángulo entre a y b.

La ley de los cosenos puede parecer difícil. Pero si recuerdas que cos(90º) es cero, puedes ver que el teorema de Pitágoras desaparece cuando alfa es 90º. Así que si solo memorizas el − 2 a b ∗ C o s ( α ) parte, el resto es el teorema de Pitágoras que aprendiste en la escuela secundaria.

Y cuando haces una resta de vectores, el tercer lado del triángulo es el delta v entre los dos primeros vectores de velocidad.

A continuación se muestra una serie de vectores de velocidad de 7,7 km/s que forman diferentes ángulos con el vector de velocidad original de 7,7 km/s. Estos son vectores de órbitas terrestres bajas circulares de 300 km de altitud:

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¿Por qué asumiría que la mayoría de los satélites y los escombros tienen una inclinación de 30º o menos? Para EE. UU. y, en mayor medida, para Rusia, el cambio de avión sería muy costoso para entrar en una órbita de baja inclinación, además, una órbita LEO ecuatorial solo sería útil para dar servicio (espiar) a países en el ecuador, mientras que esperaría EE. UU. y Rusia está/estaba principalmente interesada en sí misma o entre sí, por lo que favorece inclinaciones más altas (después de todo, una inclinación alta también puede servir (espiar) al ecuador). Todas las referencias que puedo encontrar tienen la mayoría de los satélites LEO entre 30 y 110 grados.
@BlakeWalsh Fue solo una suposición de mi parte. Googleando parece que tienes razón. Eliminé los dos últimos párrafos de mi respuesta.
La mayoría de los activos LEO están muy inclinados. Enorme número entre 70 y 98 grados.
Hay una fórmula más sencilla cuando a y b son iguales: c = 2 * a * sin(α/2).

No estoy seguro de cuán precisa necesita la respuesta, pero solo pensando en la primera velocidad cósmica y la velocidad de escape, solo puede ser un valor entre eso. Entonces Algo entre ~7.8 km/s - 11.2 km/s.

Por supuesto, como mencionaste, la velocidad relativa importa. Las órbitas de los escombros podrían oponerse a la órbita de la nave espacial, por lo que la velocidad relativa máxima teórica sería de 11,2 km/s + ~7 km/s = ~ 18 km/s (ya que estás hablando de un LEO y no de un HEO o algo así). Dado que la mayoría de los lanzamientos tienen lugar en una órbita progresiva, me imagino que la mayoría de los desechos también estarían en una órbita progresiva, por lo que la mayoría de los impactos probablemente tengan lugar a una velocidad relativa de la velocidad del perigeo de un HEO (9-11 km/s). dependiendo de la órbita) y la velocidad de la nave espacial en LEO (~7-7.5 km/s). Sin embargo, el peor de los casos es de aproximadamente 19 km / s, como se mencionó anteriormente.

Sin embargo, todas las velocidades por debajo de eso son posibles, ya que las inclinaciones entre las naves espaciales pueden variar, lo que da como resultado velocidades relativas muy diferentes.

Me parece una buena respuesta. ¿Quién votó en contra y por qué? Le di a esto un voto a favor.

Calculé un ejemplo simple. Dos objetos están en una órbita baja circular pero en diferentes planos. La velocidad del impacto depende del ángulo entre los planos de la órbita. Uso 7,8 km/s para la velocidad en órbita.
Para un ángulo de 5° la diferencia de velocidad vectorial es 0,68 km/s, para 10° 1,36 km/s, para 15° 2,04 km/s, para 30° 4,04 km/s, para 45° 5,96 km/s y para 90 ° 11,04 km/s.
Dos órbitas con una diferencia de ángulo de 45 ° con el plano ecuatorial en direcciones opuestas tienen una diferencia de ángulo de 90 ° entre ellas.
Son posibles velocidades de impacto de 1 a 11 km/s.

Creo que te estás perdiendo escombros elípticos. En casos como una órbita de Molniya, podría ser de alrededor de 10 km en LEO.
@Antzi La diferencia entre 7,8 y 10 km/s no es tan grande. Puede agregar un cálculo para órbitas elípticas.
Mejor revisa las matemáticas. Lo hice mal la primera vez también. A 90 grados la velocidad relativa es 2 × v 0 o 1,414 veces 7,8 km/s Ver este enlace .
Dos objetos, ambos con una inclinación de 30 grados, pero con LAN opuestas, deben chocar exactamente a la velocidad orbital, ya que el componente de velocidad que no se cancela debe ser 2 x sin (30)
Los números están mal. Dadas dos órbitas de 7,8 km/s: 5º 0,68 km/s, 45º 7,1 km/s, 60º 7,8 km/s (en este caso, los vectores de velocidad y el vector delta V forman los lados de un triángulo equilátero), 90º 10,9º ( En este caso, un triángulo rectángulo isósceles, la hipotenusa es sqrt (2) por cada lado).
Sí, estaban fuera por un factor de dos. Edito los números ahora. Felicidades a todos los que descubrieron que los valores están mal.
@HopDavid Sí, los números estaban equivocados. Pero su valor para 90 ° también es incorrecto, 7.8 * 1.4142 es 11.03
@Uwe Estaba usando 7,7 km/s en mi hoja de cálculo. Para mirar el tuyo, cambié a la primera fila a 7.8 pero olvidé cambiar las siguientes filas. Entonces, los otros números en mi comentario también son incorrectos, con la excepción de la primera fila.
¿Cuál es la velocidad de impacto relativa típica de los desechos orbitales en la órbita terrestre baja?
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