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主题:【原创】天宫遨游 -- 心有戚戚
注:本帖有补充
家园博客 你的说法是对的

一般情况下一次只用2个,所产生的160毫牛推力刚好和大气阻力抵消。半片肉虽小,但是一直吃,肯定也能吃成一胖子。

通宝推:住在乡下,
帖:4615268 复 4615260
以下是 作者 对本帖的 补充 (1)
2021-05-10 16:08:38
【原创】天宫阻力

虽然遨游在400公里左右的“太空”,天宫却还是会有大气阻力,所以装上了霍尔推力器。天和核心舱上一共有4台霍尔推力器,每台80毫牛推力。其中两台备份,两台使用,推力共160毫牛,也就一缕头发的重量,那究竟够不够呢?影响空气阻力的因素主要包括两个:1)大气密度;2)飞行器截面积。这两个因素对天宫来说都不是常量,而是变量。首先是大气密度, 和太阳周期紧密相关。太阳极大期时,更多的大气分子被太阳风刮到高空,使400公里处的大气密度达到最大。而在太阳极小期时,大气分子也安分多了,400公里处的大气密度会比峰值减少几十倍。 其次,飞行器截面积处于不断变化之中。天宫的初期只有核心舱和轴向对接的神舟载人飞船和天舟货运飞船,加上各自的太阳翼,截面积相对较小。而两个实验舱发射之后,会在径向对接,它们又带了600平米的太阳翼,截面积会大大增加。在日常运行中,太阳翼的方向又是可调的,使得截面积时刻在变。

由于天宫的环境大气密度和自身横截面都不确定,精确计算大气阻力基本上不可行。但是我们可以通过国际空间站的历史数据大致推算一下。天宫在完成实验舱组装后以及常年接驳神舟载人飞船和天舟货运飞船的条件下,总重量可达近百吨。而国际空间站的重量超400吨,是天宫的4倍以上。这样,两者主要结构体体的横截面积之比应该在1:3左右。而国际空间站的太阳翼总面积为2500平米,天宫的太阳翼总面积为800多平米(两个实验舱600平米,核心舱134平米,以及天舟货运飞船和神舟载人飞船上各几十平米),前者同样是后者的3倍左右。所以两者的总的截面积大致是1:3的关系,那么在同等大气密度条件下的天宫的阻力大约是国际空间站的三分之一。

下图显示在2020年的太阳极小期中,国际空间站五月的高度为418.55公里,六月的高度为418.35公里,下降率为每月200米、即每天7米。能量损失主要是重力势能 W = m*g*h,平均日损失为:W = 420,000公斤 * 9.8米/秒方 * 7米 = 28,812,000焦耳。 这是国际空间站日均损失势能,每秒钟损失能量约为:28,812,000/(24*60*60) = 333焦耳。根据能量守恒定律,势能损失和阻力做功相抵。大气阻力做功为 W = F*D,D是位移。空间站在400公里轨道每秒位移约7,700米,所以阻力 F = W/D = 333焦耳 / 7,700米= 0.043牛。在太阳极小期中,国际空间站的大气平均阻力为43毫牛,而天宫的大气平均阻力为它的三分之一,即15毫牛左右,大大低于两台霍尔推力器160毫牛的推力。

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外链图片需谨慎,可能会被源头改

下图显示在2002年的太阳极大期中,国际空间站一月的高度近398公里,二月的高度近382公里,下降率为每月约16公里、即每天约530米。平均日损失重力势能为:W = 420,000公斤 * 9.8米/秒方 * 530米 = 2,181,480,000焦耳。每秒钟损失能量约为:2,181,480,000/(24*60*60)=25,250焦耳。大气阻力F = W/D = 25,250焦耳 / 7,700米= 3.28牛。所以,国际空间站在太阳极大期中的大气平均阻力为3,280毫牛。这样,天宫在太阳极大期中大气平均阻力为1,100毫牛左右,即便是四台霍尔推力器320毫牛的推力,也只是阻力的三分之一不到。

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可以看出,天宫的大气阻力在一个从十几毫牛到上千毫牛之间的很大范围内变化。在太阳比较安静时,两台霍尔推力器每天只须工作约2个小时即可维持轨道。而在太阳非常活跃时,即使24小时全开也是杯水车薪。由于避免不了掉高度,每隔一个月左右须用双组元升轨火箭发动机提升轨道。值得注意的是,在天宫完成建造后不久的2025年将迎来太阳极大期的考验,此时天宫横截面积最大,环境空气密度也最大,阻力将呈几何级数增加。那时天宫需在地球阴影区将太阳翼转到平行于轨道方向,以尽量减少空气阻力。

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