Ликбез - все что вы хотели знать о космосе, но боялись спросить.

T.V.> Имею дурацкий вопрос. Использовал ли спутник GOCE подъемную силу? Видел статью про его аэродинамику, где эту подъемную силу на разных углах атаки замеряли, но использовали ли ее как-либо? Т.е. являлся ли GOCE самолетом на ионном двигателе, по сути?

В любом случае - скорее нет, чем да. Аэродинамическое качество на таких скоростях всегда много меньше единицы. Т.е. тормозящая сила в разы превышает подъёмную во всём диапазоне углов атаки, для любой мыслимой формы аппарата.

Б.г.> В любом случае - скорее нет, чем да. Аэродинамическое качество на таких скоростях всегда много меньше единицы. Т.е. тормозящая сила в разы превышает подъёмную во всём диапазоне углов атаки, для любой мыслимой формы аппарата.

Тоже склонен думать, что в данном конкретном случае скорее нет, чем да, однако выделенное, вероятно, неверно.
С чего бы ей всегда быть меньше? На каком основании? Это же почти идеальный случай ньютоновской подъёмной силы. Да, сама сила будет мала - но аэродинамическое качество не исключено что может быть больше единицы. Как у любого гиперзвукового аппарата. Там же еще и температура довольно большая - и махи соответствующие.

И, кстати, это ж додревняя идея - сателлоид.

Б.г.>> В любом случае - скорее нет, чем да. Аэродинамическое качество на таких скоростях всегда много меньше единицы.
Fakir> Тоже склонен думать, что в данном конкретном случае скорее нет, чем да, однако выделенное, вероятно, неверно.
Fakir> С чего бы ей всегда быть меньше? На каком основании?

На основании того, что скорость тела много больше средней скорости молекул. Это та же причина, которая не даёт звездолёту Бассарда разогнаться быстрее 30000 км/с.

Экспериментально измеренный максимум аэродинамического качества для 20 махов - 0,25.

Б.г.> На основании того, что скорость тела много больше средней скорости молекул.

Ну и?
Это и будет свободномолекулярное течение, работает ньютоновская модель (грубо, но).
И для плоской пластины качество может быть очень даже большим (~ctg), а не то что больше единицы. Но подъёмная сила при этом мала, да.

Б.г.> Это та же причина, которая не даёт звездолёту Бассарда разогнаться быстрее 30000 км/с.

Ы? А причём тут Бассард, хотя он и полная фентези?

Б.г.> Экспериментально измеренный максимум аэродинамического качества для 20 махов - 0,25.

ИМХО ты что-то путаешь. Как минимум до 10-15 М качество может достигать 2 даже у аппаратов компоновки типа шаттла-бурана-Клипера, не говоря о более плоских. И у Бурана ЕМНИС даже для 18 М качество превышало единицу (при том, что там максимизация качества не была целью, угол атаки из других соображения подбирался).

Или эти измерения для тел не самой подходящей формы (на гиперзвуке максимальным качеством обладает тонкая плоская пластина). Или для недостаточно разреженного газа.


Кстати, доп. фишка в том, что там может быть вовсе не 20 М. Температура от 100 до 200 км быстро растёт от 200 К до 1200 К.

Б.г.>> На основании того, что скорость тела много больше средней скорости молекул.
Fakir> Ну и?
Fakir> Это и будет свободномолекулярное течение, работает ньютоновская модель (грубо, но).

Ну как она может работать, если 90% столкновений неупругие? своим гиперзвуковым ЛА ты ионизируешь почти все молекулы, с которыми ты сталкиваешься. Они рекомбинируют и изотропно излучают всю ту энергию, которую ты им передал. Какой температуре соответствуют 8 км/с для молекулярного кислорода?

Fakir> И для плоской пластины качество может быть очень даже большим (~ctg), а не то что больше единицы.
За счёт чего?

Б.г.>> Это та же причина, которая не даёт звездолёту Бассарда разогнаться быстрее 30000 км/с.
Fakir> Ы? А причём тут Бассард, хотя он и полная фентези?

Суть в том, что его магнитная ловушка должна передавать атомам, на которые налетает, изменение скорости большее, чем получается в результате термоядерной реакции. Аналогично с высокими гиперзвуковыми скоростями - как только температура торможения будет близка к температуре полной диссоциации газа, не говоря уж о температуре ионизации, взаимодействие будет принципиально другим.

Б.г.>> Экспериментально измеренный максимум аэродинамического качества для 20 махов - 0,25.

Fakir> Или эти измерения для тел не самой подходящей формы (на гиперзвуке максимальным качеством обладает тонкая плоская пластина). Или для недостаточно разреженного газа.

Гиперзвук гиперзвуку рознь. На 6 махах волнолёты имеют аэродинамическое качество более высокое, чем любая плоская пластина (правда, там очень остра проблема охлаждения кромок )

Б.г.> Ну как она может работать, если 90% столкновений неупругие?

Очень сильное утверждение для орбитальной скорости. Не должно быть такого.

Во-первых, они не по нормали, а "вскользь" - мы же говорим о малых углах атаки, иначе однозначно приличного качества не будет.

Б.г.> своим гиперзвуковым ЛА ты ионизируешь почти все молекулы, с которыми ты сталкиваешься.

Для высот 100-200 км скорее всего молекулу еще и не сразу отыщешь.
Навскидку не помню, но сильно подозреваю, что там всё диссоциировано давно. И ионизировано в значительной мере. Ведь потоки солнечной и космической радиации - велики (т.е. развалиться легко), а плотности весьма малы (т.е. рекомбинация идёт медленно).

И именно ионизировать при тех скоростях - достаточно непросто.

То, что ты имеешь в виду может играть роль, но наверняка не при орбитальных параметрах.

Б.г.>Какой температуре соответствуют 8 км/с для молекулярного кислорода?

А в такой постановке вопрос вообще не имеет смысла.

Fakir>> И для плоской пластины качество может быть очень даже большим (~ctg), а не то что больше единицы.
Б.г.> За счёт чего?

Ньютоновской модели. Общая сила пропорциональна sin², сопротивление sin³, подъёмная сила sin²*cos.
Она, строго говоря, при свободномолекулярном течении не работает (в нютоновском предполагается, что поток после столкновения движется вдоль пластинки), но формулы в простейшей модели свободномолекулярного течения (зеркальное отражение молекул) получаются те же самые с точностью до двойки (коэффициента).
К ньютоновской модели вопрос дофига, но тем не менее она работает с неплохой точностью в широком диапазоне. И к тому же простая
ИМХО в орбитальных условиях еще боле-мене должна работать. Пусть и с огрехами - но принципиальная возможность получить качество выше единицы еще скорее всего останется.



Fakir>> Ы? А причём тут Бассард, хотя он и полная фентези?
Б.г.> Суть в том, что его магнитная ловушка должна передавать атомам, на которые налетает,

Суть в том, что его "ловушка" - это магнитное зеркало


Б.г.> изменение скорости большее, чем получается в результате термоядерной реакции. Аналогично с высокими гиперзвуковыми скоростями - как только температура торможения будет близка к температуре полной диссоциации газа, не говоря уж о температуре ионизации, взаимодействие будет принципиально другим.

А это как раз мелочи и пустяки.
Т.е. с технологической точки зрения не пустяки, конечно, именно с этим и кувыркаются полвека как - но никаких принципиальных барьеров тут нет.
С ГПВРД просто - ну, "просто" - добиться сверхзвукового горения. Или же делать очень длинный движок. Или по принципу АЯКСа.
Но принципиальных препятствий высокая температура торможения не создаёт.


Б.г.> Гиперзвук гиперзвуку рознь. На 6 махах волнолёты имеют аэродинамическое качество более высокое, чем любая плоская пластина (правда, там очень остра проблема охлаждения кромок )

При 6М ньютоновская модель еще не очень работает ЕМНИС, там чем больше - тем лучше. Где граница сверху - не помню, но вряд ли сильно меньше 16. Да и там не "отрубается", а расхождения растут.

Кстати, "плоские" волнолёты тоже имеют место.

Б.г.>> Ну как она может работать, если 90% столкновений неупругие?
Fakir> Очень сильное утверждение для орбитальной скорости. Не должно быть такого.
Давай считать вместе. Как же мне лениво, но тебе, видать, ещё ленивее! При 1000 кельвинов наиболее вероятная скорость движения молекул кислорода - около 650 м/с. Среднеквадратичная - чуть больше, но не суть. Значит, 8000 м/с - это наиболее вероятная скорость для температуры в 3500 кельвинов.
Fakir> Во-первых, они не по нормали, а "вскользь" - мы же говорим о малых углах атаки, иначе однозначно приличного качества не будет.

А какое это имеет значение при таких плотности и скорости? неужели у тебя поверхность гладкая на молекулярном уровне? Ну, даже если она гладкая вотпрямщас, через минуту перестанет.

Б.г.>> своим гиперзвуковым ЛА ты ионизируешь почти все молекулы, с которыми ты сталкиваешься.
Fakir> Для высот 100-200 км скорее всего молекулу еще и не сразу отыщешь.

Нет, пишут, в термосфере, как раз, преобладает молекулярный кислород. Его там больше, чем атомарного, и больше, чем молекулярного азота.

Fakir> Навскидку не помню, но сильно подозреваю, что там всё диссоциировано давно. И ионизировано в значительной мере. Ведь потоки солнечной и космической радиации - велики (т.е. развалиться легко), а плотности весьма малы (т.е. рекомбинация идёт медленно).

ты сам себе противоречишь. Плотности малы - значит, и поглощение мало. Рекомбинация и диссоциация идут с одинаковой скоростью, т.к. состав интегрально колеблется слабо. Ну, во время вспышек на солнце он слегка меняется, доля диссоциированных и ионизированных атомов увеличивается, атмосфера от этого распухает. Но поглощение энергии УФ гораздо меньше, чем поглощении энергии, передаваемой движением твёрдого тела.

Fakir> И именно ионизировать при тех скоростях - достаточно непросто.
Fakir> То, что ты имеешь в виду может играть роль, но наверняка не при орбитальных параметрах.

3500 К за счёт движения, плюс 1000 К начальной температуры термосферы - это диссоциация примерно 2/3 молекул. Ещё у примерно четверти возбуждаются колебательные уровни. Факт остаётся фактом - 90% соударений неупругие.

Б.г.>>Какой температуре соответствуют 8 км/с для молекулярного кислорода?
Fakir> А в такой постановке вопрос вообще не имеет смысла.
Ну переформулируй. Впрочем, я посчитал.
Fakir> но формулы в простейшей модели свободномолекулярного течения (зеркальное отражение молекул) получаются те же самые с точностью до двойки (коэффициента).
Fakir> Суть в том, что его "ловушка" - это магнитное зеркало

Так я и говорю - тут зеркало, и там зеркало. А у тебя получается, что одно зеркало - это хорошо, а другое - не очень

Fakir> Кстати, "плоские" волнолёты тоже имеют место.

Ну вот в книжке про гиперзвуковые ЛА чёрным по белому написано, что волнолёты с ломаной нижней поверхностью, "запирающей" ударные волны в полость, имеют АК принципиально выше, чем у любых тел с плоской нижней поверхностью.

Б.г.>>> Ну как она может работать, если 90% столкновений неупругие?
Fakir>> Очень сильное утверждение для орбитальной скорости. Не должно быть такого.
Б.г.> Давай считать вместе.

Во-первых, я о неупрогости столкновений Во-вторых ниже.

Б.г.> При 1000 кельвинов наиболее вероятная скорость движения молекул кислорода - около 650 м/с. Среднеквадратичная - чуть больше, но не суть. Значит, 8000 м/с - это наиболее вероятная скорость для температуры в 3500 кельвинов.

Именно - наиболее вероятная.
...Откуда следует, что диссоциации значимой не будет. Потому что все реакции начинаются на максвелловских хвостах, т.е. при энергиях и скоростях существенно бОльших, нежели средние.
Хочешь - сравни энергию налетающей молекулы с энергией диссоциации. И не забудь при этом, что вся кинетическая энергия целиком никак не может быть затрачена на диссоциацию (или иную другую реакцию) - закон сохранения импульса не позволит.

Fakir>> Во-первых, они не по нормали, а "вскользь" - мы же говорим о малых углах атаки, иначе однозначно приличного качества не будет.
Б.г.> А какое это имеет значение при таких плотности и скорости? неужели у тебя поверхность гладкая на молекулярном уровне?

Таки имеет, куда деваться.


Б.г.> Нет, пишут, в термосфере, как раз, преобладает молекулярный кислород. Его там больше, чем атомарного, и больше, чем молекулярного азота.

Ну может быть. Но конкретные высоты указаны?

Б.г.> ты сам себе противоречишь. Плотности малы - значит, и поглощение мало. Рекомбинация и диссоциация идут с одинаковой скоростью, т.к. состав интегрально колеблется слабо.

Ничуть. С одинаковой скоростью при температурной диссоциации, когда диссоциация за счёт налетевшей такой же молекулы. А не постороннего ионизирующего излучения. Грубо, с излучением диссоциация пропорциональна концентрации, а рекомбинация - её квадрату.

Б.г.> Б.г.>>Какой температуре соответствуют 8 км/с для молекулярного кислорода?
Fakir>> А в такой постановке вопрос вообще не имеет смысла.
Б.г.> Ну переформулируй. Впрочем, я посчитал.

О температуре говорить нет смысла. Нету у тебя максвелла или чего подобного, соответствующего этим 8 км/с.


Fakir>> Суть в том, что его "ловушка" - это магнитное зеркало
Б.г.> Так я и говорю - тут зеркало, и там зеркало. А у тебя получается, что одно зеркало - это хорошо, а другое - не очень

Не, ты не понял. У Бассарда зеркало строго по нормали. С дыркой посредине. Функции "воздухозаборника" оно выполнять не может вообще - т.е. ничуть не лучше, а как бы не хуже, чем просто труба диаметра витка с током. Но при этом еще и "отражает" налетающие ионы, причём действительно с довольно большой площади.

Fakir>> Кстати, "плоские" волнолёты тоже имеют место.
Б.г.> Ну вот в книжке про гиперзвуковые ЛА чёрным по белому написано, что волнолёты с ломаной нижней поверхностью, "запирающей" ударные волны в полость, имеют АК принципиально выше, чем у любых тел с плоской нижней поверхностью.

Да кто ж спорит. Именно так, на определённых диапазонах.
Что не отменяет существования и "плоских" волнолётов тоже.

Но то, о чём мы говорим - уже не волнолёт.

Б.г.>> При 1000 кельвинов наиболее вероятная скорость движения молекул кислорода - около 650 м/с. Среднеквадратичная - чуть больше, но не суть. Значит, 8000 м/с - это наиболее вероятная скорость для температуры в 3500 кельвинов.
Fakir> Именно - наиболее вероятная.
Fakir> ...Откуда следует, что диссоциации значимой не будет. Потому что все реакции начинаются на максвелловских хвостах, т.е. при энергиях и скоростях существенно бОльших, нежели средние.

При 4000 градусов диссоциированы 59% молекул, а, значит, и молекулы с наиболее вероятной скоростью тоже. Иначе говоря, диссоциировать будут все молекулы, которые имели до столкновения заметную компоненту скорости в сторону против движения космического аппарата.

Fakir> Хочешь - сравни энергию налетающей молекулы с энергией диссоциации. И не забудь при этом, что вся кинетическая энергия целиком никак не может быть затрачена на диссоциацию (или иную другую реакцию) - закон сохранения импульса не позволит.

А какое отношение имеет закон сохранения импульса для столкновения молекулы с твёрдым телом? Ну, да, импульс в системе сохраняется, но что считать системой? Это когда молекула с молекулой сталкиваются, там, да, сохранение импульса мешает.

Fakir> Ну может быть. Но конкретные высоты указаны?

Кислорода становится больше, чем азота, примерно на высоте 150 км.

Б.г.>> ты сам себе противоречишь. Плотности малы - значит, и поглощение мало. Рекомбинация и диссоциация идут с одинаковой скоростью, т.к. состав интегрально колеблется слабо.
Fakir> Ничуть. С одинаковой скоростью при температурной диссоциации, когда диссоциация за счёт налетевшей такой же молекулы. А не постороннего ионизирующего излучения. Грубо, с излучением диссоциация пропорциональна концентрации, а рекомбинация - её квадрату.

Вот у нас есть атмосфера. Её состав стационарен (отвлечёмся пока от вспышек на солнце). Значит, интегрально скорость диссоциации и скорость рекомбинации почти равны, за исключением доли атомов, которые после диссоциации получают скорость больше второй космической. Нестационарность может иметь место на терминаторе, там на восходе локально скорость диссоциации будет больше скорости рекомбинации.

Б.г.>> Б.г.>>Какой температуре соответствуют 8 км/с для молекулярного кислорода?
Fakir> Fakir>> А в такой постановке вопрос вообще не имеет смысла.
Б.г.>> Ну переформулируй. Впрочем, я посчитал.
Fakir> О температуре говорить нет смысла. Нету у тебя максвелла или чего подобного, соответствующего этим 8 км/с.

Зачем нам распределение, если у нас и при наиболее вероятной скорости будет диссоциация? Вообще же, для объекта размера МКС максвелловское распределение может и восстановиться, поскольку её размер существенно больше длины свободного пробега молекул на этой высоте.

Б.г.> 3500 К за счёт движения, плюс 1000 К начальной температуры термосферы - это диссоциация примерно 2/3 молекул. Ещё у примерно четверти возбуждаются колебательные уровни. Факт остаётся фактом - 90% соударений неупругие.
А тут надо разбираться что за неупругость у нас.
Вот столкнулось наше крыло с молекулой кислорода, но провзаимодействовало только с одним атомом. Тот оторвался и улетел. Дохрена энергии ушло на разрыв молекулы. да.
Но торможение-то аппарата где? Для нас это эквивалентно столкновению с единичным атомом.

Б.г.>> Факт остаётся фактом - 90% соударений неупругие.
Дем> А тут надо разбираться что за неупругость у нас.
Дем> Вот столкнулось наше крыло с молекулой кислорода, но провзаимодействовало только с одним атомом. Тот оторвался и улетел. Дохрена энергии ушло на разрыв молекулы. да.
Дем> Но торможение-то аппарата где? Для нас это эквивалентно столкновению с единичным атомом.

Даже если б это было так (а это не так), то в торможении аппарата поучаствовали 2 атома кислорода, а в создании подъёмной силы - только один. Те, что сталкиваются неупруго, в создании подъёмной силы не участвуют, а участвуют только в примерно изотропном рассеянии энергии.

Б.г.> Те, что сталкиваются неупруго, в создании подъёмной силы не участвуют, а участвуют только в примерно изотропном рассеянии энергии.
Ещё раз - а нам какая разница, пошёл переданный воздуху импульс на его отбрасывание вниз или ещё и на прочие действия?
мы этот импульс отдали и получили подъёмную силу. Пусть и меньшую - всё равно что плотность набегающего потока была меньше.

Б.г.>> Те, что сталкиваются неупруго, в создании подъёмной силы не участвуют, а участвуют только в примерно изотропном рассеянии энергии.
Дем> Ещё раз - а нам какая разница, пошёл переданный воздуху импульс на его отбрасывание вниз или ещё и на прочие действия?

Только "отбрасывание вниз" и создаёт подъёмную силу, "прочие действия" создают только аэродинамическое сопротивление, об этом я и говорю всё время.

Дем> мы этот импульс отдали и получили подъёмную силу. Пусть и меньшую - всё равно что плотность набегающего потока была меньше.

Аэродинамическое качество - это отношение подъёмной силы и лобового сопротивления. Лобовое сопротивление никуда не делось, а подъёмная сила уменьшилась. АК тоже уменьшилось.

Имеем два расчётных варианта
1) поток одиночных атомов
2) поток молекул

Если взаимодействие с ними приводит к одному и тому же результату в виде подьёмной силы (пусть и надо умножить плотность второго потока на понижающий коэффициент) - то какая нам разница?

Дем> Имеем два расчётных варианта
Дем> 1) поток одиночных атомов
Дем> 2) поток молекул
Дем> Если взаимодействие с ними приводит к одному и тому же результату в виде подьёмной силы (пусть и надо умножить плотность второго потока на понижающий коэффициент) - то какая нам разница?

1. Нет, оно не приводит к одному и тому же результату - потому что у молекулы есть колебательные и вращательные степени свободы, которых нет у атома. Поэтому форма графиков в зависимости от скорости будет разной. К тому же, для атомов число Маха будет в корень из двух раз меньше. Ну, в корень из разницы молекулярных весов.
2. Даже если бы это было так, я ж не говорю, что подъёмной силы вообще не будет, я говорю, что понижающий коэффициент сильно меняет картину. Суть в том, что лобовое сопротивление много больше подъёмной силы, а аэродинамическое качество - много меньше единицы.

Б.г.> При 4000 градусов диссоциированы 59% молекул, а, значит, и молекулы с наиболее вероятной скоростью тоже. Иначе говоря, диссоциировать будут все молекулы, которые имели до столкновения заметную компоненту скорости в сторону против движения космического аппарата.

Да нет же.
Во-первых, то, что диссоциировано 59% - еще совершенно не значит, что диссоциация произошла при "средних" скоростях столкновения. Она запросто могла развалиться, пока была на хвосте.
Во-вторых, в газе диссоциация идёт при взаимных столкновениях молекул - и роль играет не привязанная к СЦМ скорость, а скорость молекул относительно друг друга.
В-третьих, при столкновении молекулы с поверхностью ЛА у тебя всего лишь скорость молекулы - а не сложенные скорости, как в газе.
В-четвёртых, у тебя даже при "лобовом" столкновении вовсе не вся кинетическая энергия может пойти на диссоциацию.
И т.п.

Б.г.> А какое отношение имеет закон сохранения импульса для столкновения молекулы с твёрдым телом? Ну, да, импульс в системе сохраняется, но что считать системой? Это когда молекула с молекулой сталкиваются, там, да, сохранение импульса мешает.

О, это необъятная тема, как всегда при взаимодействии частиц (атомов, ионов, электронов, фотонов и т.п.) с веществом. На какие подсистемы разбивать - всегда зависит от тучи параметров начиная от скорости, кончая частотой (вспомним хоть Мёссбауэра).
Но в данном случае достаточно и того простого вывода, что если кин.энергия налетающей молекулы в точности равна энергии диссоциации - то она практически наверняка останется целой. Потому что в противном случае осколки имели бы нулевую скорость.


Б.г.> Вот у нас есть атмосфера. Её состав стационарен (отвлечёмся пока от вспышек на солнце). Значит, интегрально скорость диссоциации и скорость рекомбинации почти равны,

Конечно.

Б.г.> Зачем нам распределение, если у нас и при наиболее вероятной скорости будет диссоциация?

Это допущение ничем не обосновано.

Б.г.> Вообще же, для объекта размера МКС максвелловское распределение может и восстановиться, поскольку её размер существенно больше длины свободного пробега молекул на этой высоте.

Если на сильно большой смотреть - там что угодно получиться может, нельзя исключать, что он там "нагребёт" перед собой атмосферу и течение уже не будет свободномолекулярным, и вообще фиг знает что еще.

Упс. Я думал, что скорости выгоднее добавлять в апогее, а не в перигее. Просто тупо потому, что добавление, скажем, 1 км/с при высокой орбите и малой скорости вносит бОльший вклад в скорость, чем на низкой орбите и уже итак высокой скорости.

Balancer> Упс. Я думал, что скорости выгоднее добавлять в апогее, а не в перигее.
И тем поднимаешь перигей, а надо то поднять апогей, НЯП.

Balancer>> Упс. Я думал, что скорости выгоднее добавлять в апогее, а не в перигее.
Alexandrc> И тем поднимаешь перигей, а надо то поднять апогей, НЯП.

Дело не в этом
Это магия ракеты, с точки зрения классической физики.
работа - это ведь произведение Силы и Пути .
Ракетный двигатель производит постоянную силу, независимо от того, сколько пути при этом проходит. И расход топлива постоянный.
Поэтому ракетному двигателю выгодно работать тогда, когда скорость максимальная, т.к. он совершает при этом б'ольшую работу. А скорость максимальная у нас где? в перигее.