エコー2はガス圧を必要とせずに球状のままでしたか?もしそうなら、これはどのようにして真実なのでしょうか?

エコー1とエコー2(プロジェクトエコー)は、地球に打ち上げられた後、宇宙で膨らんだ巨大な風船でした1つの地球局から別の地球局へのレーダー、テレビ、ラジオ信号の跳ね返りと、地球近傍の状況に関する情報の収集を試みるために使用されていました。

しかし、私は彼らがどのように球状になっているかを理解することができません。エコー1は直径30メートルで、エコー2は直径40メートルでした。ウィキペディアによると:

エコー1とは異なり、エコー2の皮膚は硬直性であり、バルーンは一定の内部圧力がなくても形状を維持することができました。これは、膨張ガスの長期的な供給の必要性を取り除き、バルーンがマイクロメテオロイドからのストライキを容易に生き残ることができることを意味した。このバルーンは、厚さ0.18ミル(4.5μm)のアルミニウム箔の2つの層の間に挟まれた、厚さ0.35ミル(9μm)のマイラーフィルムから構成され、一緒に結合された。バルーンは、ポリマーを弾性範囲内に残しながら、ラミネートの金属層をわずかに塑性変形させるのに必要なレベルまで膨張させた。これにより、剛性で非常に滑らかな球形シェルが得られました。

Echo
1がガス圧力を使用してサイズと形状を維持していた場合、それがSunlightを出入りする際の温度変化は大きな圧力変化につながりませんか?これらの圧力変化が風船の強さ内にまだ残っているような構造であり、最低圧力でさえ、それはまだほぼ球状であったか?

上記のブロック引用は、エコー2の場合、4.5ミクロンの厚さの2層のアルミニウムホイルの層が、最初の膨張後にガス圧に頼らずにバルーンを(ほぼ)球状に保つのに十分な剛性となったことを示唆している。
(4.5ミクロンはわずか約0.2ミルです)私は力がそれほど小さくないと思うので、これが働くにはあまりかからないでしょう、1Gでここに住んでいると想像するのは難しいです。

4.5ミクロンはわずか約0.2ミルである。 ウィキペディアによると:

米国では、フォイルは一般的に1000分の1インチまたはミルで測定されます。標準的な家庭用箔は、典型的には0.016mm(0.63ミル)の厚さであり、厚い家庭用箔は典型的には0.024mm(0.94ミル)である。フォイルは柔軟性があり、容易に曲げたり、物体の周りを包むことができます。

Question: Is the successful maintenance of Echo
2’s shape in the absence of gas pressure actually what happened?
Was this measured or established somehow experimentally?


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above: Echo 1, cropped from https://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_559.html

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above: Echo 1, from https://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_559.html
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above: Echo 2, from https://en.wikipedia.org/wiki/File:Echo_II.jpg
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ベストアンサー

TLDR:「インフレ」は実際には問題ではない。なぜなら、外圧と空力負荷は非常に低いからだ。
Echoシリーズは、意図的に漏出したバルーンであり、昇華性固体を搭載していて、ミッションのアクティブな部分を介してゆっくりと少量の膨張圧力を提供します。開発プロセスでは、いくつかの飛行テストの失敗を含む、過小圧力よりも過圧に対する懸念がはるかに高かった。

詳細に:

エコー私は以前の、より小さい一連の試みに従った。もともと、彼らは研究や設計目的のために宇宙での空気抵抗の基本的な測定を行うことを意図していました。
「プロジェクトエコーのオデッセイ」SP-4308の第6章、NASAのSpaceflightの歴史)1946年、William
J.
O’Sullivanは軌道抵抗測定による軌道高さの空気密度の最良の測定値を得る手段として気球を考えました。彼は、可能な限り面積/質量比を求めて、ドラッグが測定可能な効果を持つようにしたいと考えていましたが、彼はまたそれを構築し、展開することを望んでいました。

彼は次のような7つの重要なエンジニアリング問題を思いついた。

外側のフィルムが溶けたり、損傷を受ける可能性があります。しかし、これも、治療法があるようでした。荒い計算では、衛星の外側に熱反射塗料をドーピングすることによって高温を制御できることが示された。いくつかの熱反射金属は、金属箔にすることができれば、塗料なしで仕事をしているかもしれません。

空気密度飛行実験の問題を午前中に熟考して、O’Sullivanはついに寝た。しかし、彼は眠れませんでした。同氏は、翌日、大気ロケット調査委員会に彼のアイデアを公開したとき、彼は「全体のアイデアを無効にするいくつかの要素を見落としていた」と気付いた。ある時点で、彼はベッドに座って、笑って、「鉛バルーンのように行くだろう!」と言った。21彼のプラスチックで覆われた膨張可能な金属箔球は、プロのエンジニアはこれまでにやりたかっただろう。

上では直接言及していませんが、インフレのための内圧は本当に問題ではないことはすでに理解されていました。バルーンが非常に小さい抗力があれば、バルーンを膨らませておくために高い圧力差は必要ありません。大量の内部ガスがなければ、そのガスが昼夜のサイクルで圧力を増減することは決して懸念されませんでした。

最初の試みは、30インチ(0.75m)の球体がエクスプローラー飛行場のサブ衛星として乗ることでした。たくさんの工学的作業が行われました。

[T]he Space Vehicle Group tested dozens of plastic and metal
foils (even gold) in search of the right combination to withstand
the extreme range of temperatures that the little satellite would
encounter: from 300°F in direct sunlight to -80°F when in the
shadow of the earth. The group found half of the answer to the
problem in a new plastic material called “Mylar.” Made by E. I. du
Pont de Nemours & Co., Mylar was being used for recording tape and
for frozen-food bags that could be put directly into hot water.
When manufactured in very thin sheets, perhaps only half as thick
as the cellophane wrapper on a pack of cigarettes, Mylar plastic
proved enormously tough. It showed a tensile strength of 18,000
pounds per square inch, which was two thirds that of mild
(low-carbon content) steel.

The second half of the answer, that is, an effective metal
covering for the plastic that could protect the satellite from
radiation and make it visible to radar scanners, proved a little
more difficult to find. For more than a month, the O’Sullivan group
“tested metal after metal, looking for ways to paint them on Mylar
in layers far thinner than airmail onionskin paper.” Then, one man
in the Space Vehicle Group heard about a technique for vaporizing
aluminum on plastic that the Reynolds Metals Company of nearby
Richmond, Virginia, was experimenting with for the development of
everyday aluminum foil. This new and unique material was acquired
and successfully tested.

結局、スプートニクが飛行した後、小さな衛星の使命はより大きなものに成長した。地上の人々がそれを見ることができるように最初の12
‘(4m)の直径で、次に50’と100
‘(30m)を見て、それを本当にうまく見ることができ、受動通信リレーをテストすることができます。

1959年に、「Shotput」と呼ばれる実験用飛行機(空間にボールを投げた…)の12インチモデルで作業すると、問題は過剰インフレであって、

サテランコンテナの開口部が挑戦的であるため、大サテュンヌを膨らませることなく、サテライトを膨らませないという問題は、サリバンがその問題の要点を説明していたのをさらに苛立たせました。宇宙の激しい真空中では、折り畳まれた衛星の内部またはサテライトの外側の空気は、爆発的な速さで膨張し、衛星を裂く傾向がありますが、この問題の理解は容易には得られませんでした。サテランの噴出と完全な膨張が行われ、プロセスが高速カメラで撮影され、プロセスの誤動作を検出する、宇宙空間の激しい真空を達成することが可能な大規模な地球上のチャンバー。

これは最初の飛行から考え出さなければならなかった:

NASAの最初の検査が終了して5日後の1959年10月28日の早い時間に、大西洋沿岸を上下する人々は、空を照らす小さな光の華麗なショーを目撃しました。この奇妙な展示は、離れた花火のものと違って、約10分間続いた。ニューイングランドからサウスカロライナ州にいたるまで、警察や消防署、新聞事務所、テレビ、ラジオ局に異常な目撃情報が流出した。それは流星だった?もっとスプートニク?
UFO? NASAは最終的に宇宙打ち上げに成功しましたか?

     

インフレータブル球は、5:40p.m.にWallops
Islandから発射されました。最初の数分間、すべてうまくいった。
…テスト飛行の早い瞬間に、Shotputは完璧に演奏しました。ロケットは直径26インチ、球形、190ポンドのペイロードキャニスターを取り入れました。その内には、130フィートのアルミコーティングされたマイラープラスチック製の衛星がきれいに折り畳まれていました。そこで、ペイロードがブースターから正常に分離され、キャニスタが開き、バルーンが膨張し始めました。
Project Echoの最初のステップは明らかに成功した。

     

その後、予期しないことに、膨張しているバルーンが爆発しました。ペイロードエンジニアは、膨張剤として意図的にバルーンの折り目の内部に残留空気を残していた。外側の圧力がゼロであるため、空気が急速に膨張し、気球の薄いメタライズされたプラスチックの皮が破裂し、気球が細断された。
Shotput私は歴史だった。気球を吹き飛ばすのを助けるために残気を使用することは、Crabillの言葉では、「悪い間違い」でした。

空気の1モル(16g)が22.4lの体積を占めることをSTPで知った$ PV = nRT
$とmylarの18,000psiの降伏強度とを組み合わせて、250モル(わずか4kg)の空気巨大な100インチ(30m)のエコー1ではそれが爆発するだろう。圧力がかかる場所はたくさん、ひずみを取るには材料の細いリングだけがあります。

バルーンを膨らますために水を使用することは成功しませんでした(数多くの打ち上げ失敗をカウントしないでください:
“私たちのロケットはいつも爆破する”):

Wallops
Islandのビーチに設置された500インチの焦点距離の写真カメラは、バルーンが膨張して爆発したため写真を撮っていましたが、Project
Echoタスクグループのチームでも数週間確認しましたなぜ風船は爆発したのですか?一部の研究者は、風船を膨らませるために使用された水が原因であると信じていました。他の揮発性液体と同様に、水は空間の圧力がゼロになると爆発的に沸騰します。衛星の内部に運ばれた弾性容器が発射時に漏れたり破裂したりする可能性があり、ゆっくりと穏やかなインフレをもたらすために計画どおりにゆっくりと制御された速度で水を放出しなかったと考えられていました。
“漏れた水は簡単に爆発を起こした可能性があります。

これに対する解決策は本当にパズルの最後の部分でした。

将来、水膨張システムが誤動作しないように、Walter
Bressette率いるチームは、昇華した固体物質、すなわち固体状態から直接蒸気への変換である安息香酸に切り替えました。このような材料では、ガスへの変換は、太陽からの熱を吸収する速度によって制限される。本質的に、それは瞬時にではなくゆっくりと「ガスオフ」するでしょう。

バルーンを硬直に保つための十分なインフレーション問題は、意図的に漏れ気味のバルーンを作った重度の過膨張よりもはるかに下回っていました。

研究者らは、爆発の別の貢献者が残気であった可能性があると心配しました。ペイロードエンジニアが意図的にバルーンの折り畳みの中にインフレーション剤として残していたLangleyのO’Sullivanは、宇宙の激しい真空中のサテーン、折り畳まれたサテュルーンの内側の空気、または折り畳みの間のサテュロンの外側の空気は、爆発的な速さで膨張し、サテュヌールを裂く傾向があります。将来の展開からすべての残留空気を取り除くために、エンジニアは、バルーンを折り畳んだ後に空気を逃がすために、バルーンに300個以上の小さな穴を作りました。バルーンが詰まったら、キャニスターをわずかに開いた状態で真空タンクに置いた。内圧がほぼゼロになったところでキャニスタを閉じ、Oリングで内部の真空を維持しました。

テストと静かな批評家の両方で成功するためには、永続性が本当に必要でした。

この時点までに、プログラムは2つの小さなエコーテスト用の小さなサテリンを含む合計7回の失敗を経験しました。
5月31日に実施されたテストでは、チームはShotputランチャを使用して戻った。ビーコンを追跡すると、バルーンは正常に展開され、NASAのエンジニアが最近の後退から逃れるのに役立ちました。

     

それでも、批評家は全体的なエコーのコンセプトを疑っていました。ある人は、サテリンが宇宙に上ってきて正しく膨張したとしても、ミクロ隕石はその皮膚を穿刺し、時間内に気球を破壊すると誓っていました。そうではなく、Langleyのエンジニアは反対しました。そのアイデアは、バルーンをわずかに押しつぶすだけの力でバルーンを加圧して永久的なセットをとることでした。内圧が無くなった後でさえ、バルーンはその形状を保持するだろう。外皮は非常に剛性ではなかったので、エンジニアリングスラング「死んだ柔らかい」の中にあった。小さな隕石で穿孔され、まだ粉砕されなかった可能性がある。最後に、Bressetteの研究によれば、微小隕石は1日の表面積の100万分の1未満しか侵食されないことが示された。打ち上げと展開だけがうまくいくならば、サテュヌリの昇華型固体加圧システムは、エンジニアが通信実験を行うのに十分長く働くはずです。

エコー私は1960年8月12日午前5時39分に首尾よく飛行し、午前7時41分に最初の軌道に乗って、カリフォルニアからニュージャージー州のベル研究所への無線信号を反映した最初のメッセージを中継した。アイゼンハワー大統領の声。

電気通信には多くの報道がありましたが、空気密度測定値を覚えていますか?エコー1と2の光学観測とレーダー観測は、その目的のために何ヶ月もかけて行われました。

データに興味がある場合は、 NASAテクニカル注D-1366「最初の500日間のエコー1衛星とそのロケットケーシングの軌道動作」寸法と膨張システムを含む建設の多くの詳細を確認する:

エコーIの有効断面積は7,854平方フィートです。発射重量は157ポンドが124ポンドに減少し、33ポンドの安息香酸とアントラキノンが失われ、最初の数週間は軌道上でインフレを維持するために使用された。

For a tour-de-force study of the results, including interesting
descriptions of the theory and calculations techniques needed to do
it, see “Experimental and Theoretical Results on
the Orbit of Echo I”, Smithsonian Contributions to Astrophysics,
Vol. 6, p.125 (1963)
They were able to separate out the drag
component from gravitational effects (in 1962!), solar radiation
effects, and even effects due to IR radiation from earth. This was
hard, because although launch-time parameters were known, further
evolution was not:

打ち上げ直後、衛星は直径100±1フィートの球に近づきました。それは厚さ約0.2uのアルミニウム層で外部被覆された半ミルのマイラーから作られた。その初期重量は、33.34ポンドの昇華性粉末を含めて156.995ポンドであった。粉末は2種類ありました。最初のもの(体重10ポンド)は非常に蒸発性があり、後者は蒸気圧がはるかに低かった。

     一方、比A/M
[面積/質量]は正確には分かっていない。打ち上げ前に導入された小さな穴と流星の穴があれば、ガスを正確に予測することはほとんど不可能な速度で逃げることができます。したがって、最初の衛星質量の21%が昇華性粉末の形態であったため、純粋に理論上、衛星質量の正確な時間依存性を決定することは困難である。

しかし、観測された軌道をフィッティングすることによって、彼らはそれを理解することができました:

衛星の総質量は、最初の13日間は0.64ポンド/日の割合で減少し、0.16ポンド/日で減少したと仮定して、[データと計算]
。このモデルによれば、1961年1月15日以降、風船にはごく少量のガスしか残っていませんでした。隕石の穴の増加が予想されるにもかかわらず、質量損失率が4倍になると、
2つの粉末のより揮発性の逃避のために。

不確かさと興味深い脚注の詳細な議論では、

これまで悪い風船がたったの約1ポンドの空気で衝突したことを示すことができるので、マスロスの遅い最終速度は、バルーンの1つの表面だけを貫通する空気分子の蓄積によって、隕石の塵との衝突による質量の増加はおそらくポンドよりもはるかに少なかった。

その高度では、実際には大した空気圧はありません。実際には、

1月後半と1961年2月の大半の間に、太陽放射場からのエネルギーが空気抵抗に失われたエネルギーより多く得られました。パッシブな人工衛星が実際に増加したのは初めてのことです。

しかし、Echo Iはその軌道生命の早い段階で材料を昇華させてしまったとしても、その形を保つことが観察されました:

M.I.T.によるエコーIの断面測定。 Millstone
Hillレーダーは、発射後数日から1961年1月11日までの気球の形状にはほとんど変化がなかったことを示しています。

2年後の1963年でも、軌道抵抗測定は、面積/質量比が一定で安定していることを示しており、基本球形が保持されていることを示している。
(明らかに、Echo
Iの軌道についての研究は、過去1ヶ月間まで同じA/M比を維持していたと思われる再入場まで軌道を描いているが、コピーを見つけることはできなかった)

Echo
IIに関する情報は、やや難しいものです。それが開始される頃には、電気通信の関心はすでにアクティブ衛星(TelStarら)に移っており、宇宙飛行士の任務はEcho
1によってほぼ達成されていました。

Echo II技術文書(cf:「機械的および物理的性質Echo II Metal-Polymer
Laminate(NASA TN D-3409)
)は、より硬く、より長い寿命を持つことを意図していたことを示しています。

エコー11気球のデザインは、エコーIとは対照的に永久剛化の概念に基づいていました。アルミナ化マイラーフィルムは、エンベロープの球状度を維持するために内部ガスの存在を継続する必要がありました。具体的には、エコーIIラミネートは、2層のアルミニウム層の塑性変形を達成するのに十分な所定のレベルの皮膚応力に意図的に加圧され、依然としてポリマーフィルムの弾性範囲内にとどまった。加工硬化特性に起因するアルミニウムフィルムの強化された剛性は、昇華生成物が以前に導入された穴を逃した後に球形を保持することを可能にした
  バルーンスキン。

Echo IIの展開インフレーションシステムはEcho
Iに似ていましたが、長期の第2昇華コンポーネントはありませんでした。皮膚の剛性はそれを処理するためのものでした。

Echo IIの結果は、「実験的および理論的評価のPASSIVE COMMUNICATIONS
SATELLITE “NASA TN D-3154

を参照してください。興味深い結果がいくつかあります。それは、電波反射特性などです。意図したほどの皮膚張力がなく、意図したよりも速く回転しています。

初回通過直後にレーダー反射のシンチレーションが観測されました。その後のレーダーデータは、1000psi以下に相当する内部圧力レベルおよび接線方向皮膚応力値に関連する可能性がある。期待値は5000-6000psiであった。
2番目の大きな予想外の結果は、Echo
I1バルーンが100秒の回転周期で慣性軸を中心に回転していたことを示している、100秒の周期での反復的なRCS低下で明らかであった。
     

多くのオブザーバーは、レーダーデータのシンチレーション挙動の特徴を明らかにするために高度な理論を持っていました。エコーバルーンを膨張させるために使用される昇華材料は、バルーンの外側に通気されると、太陽放射束によってイオン化され、バルーンの周りに可変密度のプラズマを形成することが示唆された。

しかし、展開に失敗した可能性もあります。

バルーンとキャニスターの2つの半分(バルーンが最初に排出されたもの)の衝突によって生成される可能性のある、認識可能な円形または細長い穴と材料フラップの可能性が詳細に検討されました。計算では、キャニスターが適切な軌道を持ち、気球の軌道を横切るように見えるが、2000〜5000メートルの距離で隔てられていることが示されたが、衝突は起こっていないと考えられている。レーダーデータは、識別可能な形式のレーダーデータとして認識できるような大きさの気球の穴や涙の存在を実証していない。代わりに、エコー11のレーダーシンチレーションは主にバルーンの回転によって課される歪み、および1000psiの皮膚のストレスに関連して現れる、集中した表面塊(テレメトリービーコンなど)は、主にバルーン赤道でのゴアシームに平行なシワ円柱形状を示しています。

この時点で、エコーはまだ周り、まだ球でした:

Echo I1システムの検査に加えて、レーダー施設は、比較品質のためにEcho I1とEcho
Iの両方を順番に観察するよう求められました。エコーIは、1960年以来、軌道上で非応力球面系を表し、エコーIIは、離散的な圧力で応力がかかった皮膚の硬質膜を表す。比較データは、エコーIおよびエコーIIのピークシンチレーション振幅が同等であることを示した;

だから、期待されていなかったレーダー計測形状の詳細はありましたが、Echo
IIの基本的な球状の性質は、観測された飛行の間、継続的な加圧なしに保持されていました。エコー1によく似ています。

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