¿Sería posible que un satélite orbitara a unos 20 km sobre la superficie de la Tierra (o lo suficientemente alto como para no chocar con montañas y aviones)?

No, debido a la resistencia del aire.

La línea Kármán (unos 100 km) es la altitud a la que se necesita menos energía para acelerar en órbita que para volar aerodinámicamente. Por debajo de ese punto, ningún objeto puede orbitar sin un empuje constante.

Sin embargo, incluso si la atmósfera no fuera un problema, un satélite podría no ser capaz de mantener una órbita tan baja. Las montañas, los mares y las placas tectónicas tienen densidades diferentes y tiran con una fuerza gravitacional ligeramente diferente. En la órbita terrestre baja (100–200 km) estas variaciones promedian y son, como máximo, una molestia. Sin embargo, a 20 km, distorsionarían la órbita, probablemente haciéndola inestable.

Las concentraciones de masa (mucho mayores) de la luna hacen lo mismo a altitudes mucho más altas que eso, y hay una banda de altitudes en la que una órbita estable solo es estable si se inclina a evitar pasar por encima de estas concentraciones de masa.

Como mencionó Walter Brameld, es sí sin una atmósfera y sin relación con la Tierra. Veamos un poco las matemáticas simples. Primero, digamos que estamos “orbitando” alrededor de un objeto como la luna (sin atmósfera), pero con el mismo tamaño y propiedades de la Tierra. Suponiendo una órbita circular, necesitaríamos una velocidad de: [matemática] v = \ sqrt {\ mu / r} [/ matemática], donde u es 398,600 km ^ 3 / s ^ 2 para la Tierra y r sería 6378 km (radio de la Tierra) + 20 km (altitud). Llame a eso aproximadamente 7.9 km / s para una órbita circular suponiendo que no haya degradación debido al arrastre. Para más adelante, también notamos que nuestro período orbital es de ~ 1.4 horas.

Ahora agreguemos la atmósfera … a 20 km, la velocidad del sonido en la atmósfera estándar es de aproximadamente 300 m / s, por lo que el número de Mach de nuestro hipotético satélite es [matemática] M = u / c [/ matemática], donde u es nuestro satélite velocidad y c es 300 m / s. Tan poco más de Mach 26, sostenido durante 1,4 horas por “órbita”.

Se dijo que el transbordador espacial alcanzaba alrededor de Mach 25 en la atmósfera superior, sin embargo, eso fue al reingresar sin propulsión. Creo que el avión más rápido fue el X-43 en torno a Mach 9, sin embargo, el sistema de propulsión solo se ejecutó en cuestión de segundos y esto se logró a una altitud mucho más alta. En pocas palabras … encuentra la manera de mantener el vuelo Mach 26 incluso durante unos minutos a 20 km, llame al DoD, está a punto de ser rico.

No, y sí, lo tienes en los detalles de la pregunta. Lo único que lo impide es el aire. Algo que se mueve a una velocidad orbital de 20 km hacia arriba se quemaría como un meteorito.

Sin embargo, podrías hacerlo en la luna. Tiene atmósfera despreciable. El punto más alto en la luna es 10.786 km según la NASA. Entonces estarías a salvo a 11 km. Si planificaste tu órbita con cuidado, ¡podrías incluso orbitar más bajo que eso y ver las montañas pasar a tu lado!

Demasiado bajo para la órbita. El aire tan alto causará suficiente fricción para desacelerar para volver a entrar.

Los globos meteorológicos alcanzan aproximadamente esa altura a su altura máxima. Dibujar esa altura en órbita requeriría un empuje constante.

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