Pytanie:
Jak możliwe są „skoki kosmiczne”?
s-m-e
2013-07-20 02:32:55 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Czy widziałeś pierwszy z dwóch nowych filmów o Star Treku? Kirk (Chris Pine), Sulu (John Cho) i czerwona koszula wykonują w tym filmie coś naprawdę niesamowitego: skaczą z kosmosu na planetę, w zasadzie chronieni tylko przez jakiś kombinezon.

Moje pytanie (a): Czy możliwy jest skok z rzeczywistej kosmosu na Ziemię? Jeśli tak, w jaki sposób? Jakie są rzeczywiste problemy z tym związane? Czy kiedykolwiek zostało zbadane? Jeśli tak, jaki był wynik?

Załóżmy dwa scenariusze mojego pytania. Jeden skok z prawdziwej krawędzi kosmosu na 100 km wysokości i kolejny skok z 400 km , przybliżonej wysokości ISS. Oba skoki odbywają się z ustalonych pozycji względem powierzchni Ziemi ( nie z orbity, nie bez przyczyny). Wyobraź sobie, że ktoś wykonuje skok do bazy z gigantycznej wieży.

Intuicja podpowiada mi, że gwałtowne zwalnianie głęboko w atmosferze nie byłoby nawet problemem. Kłopot powinien wynikać z ciepła wywołanego tarciem i jego „utylizacji”, chociaż nie jestem tego pewien.

Trochę kontekstu nadając temu pytaniu, przede wszystkim był Projekt Excelsior, w którym Joseph Kittinger wykonał podobne skoki, w tym jeden z wysokości 31,33 km , w 1960 r. Kolejne skoki tego rodzaju miały miejsce w ramach projektów Red Bull Stratos, podczas których Felix Baumgartner skoczył z maksymalnej wysokości 38,97 km w 2012 r. Oba projekty obejmowały skoki z atmosfery ziemskiej z definicji, aby być bardziej precyzyjnym ze stratosfery. Chociaż obaj spadochroniarze doświadczyli dość długiej fazy wirtualnego swobodnego spadania, zanim „uderzyli” w „atmosferę”, jak ją opisali.

Jakiś czas temu miałem do czynienia z rakietami dźwiękowymi . Prosto do około 100 km w locie z napędem i natychmiast prosto w dół w „swobodnym” spadku . Pomiary temperatury na skorupie zewnętrznej wykazały maksimum około 250 ° C +/- 50K przy ponownym wejściu, chociaż temperatury już osiągnęły około 70 ° C w apogeum z powodu szybkiej jazdy w górę. Wykopałem przykład pod względem prędkości i opóźnienia w drodze w dół i sporządziłem wykres, oto on:

free fall from 87 km and (re-) entry

To jest tylko od 87 km, ale powinno załatwić sprawę. Przedmiotem był cylinder o długości około 2,5 mi średnicy 0,3 m, ważący mniej niż 100 kg (waga i wymiary są nieco podobne do ludzkiego ciała). Tak, spadł. Otwarcie spadochronu widać z około 6 km. Szczytowe spowolnienie podczas schodzenia w dół wynosiło około 5,5 G , czyli w granicach umożliwiających przetrwanie człowieka. Obejmuje jedno G, którego doświadczasz tutaj na powierzchni Ziemi. Uważaj na dane powyżej 60 km - to dane GPS, które są do bani na dużych wysokościach i przy dużych prędkościach pionowych. Jeśli ktoś jest zainteresowany, rakiety zostały ulepszone Oriony.

Świetne pytanie. Zawsze uważałem, że robienie tego z orbity jest szczególnie interesujące. Pewna minimalna ilość impulsu deorbitacyjnego zastosowana do osobistego kombinezonu ponownego wejścia. Starship Troopers Heinleina zrozumiał.
W rzeczywistości ciepło podczas ponownego wejścia nie jest spowodowane tarciem, lecz kompresją.
To okropne, jak ludzie po prostu c & p numery, takie jak „10 km” itp. Wykres oparty na rzeczywistych danych dodanych do pytania!
Na pokrewny temat jest [to pytanie dotyczące budowania świata] (http://worldbuilding.stackexchange.com/questions/27925/skydiving-from-a-space-station/27940#27940).
Rekord świata wynosi obecnie 128 km: https://www.youtube.com/watch?v=FHtvDA0W34I
@MagicOctopusUrn Felix Baumgartner skoczył z 128 tys. * Stóp *, czyli 39 km;) Również przez dwa lata był rekordzistą. Obecnym rekordzistą jest Alan Eustace. Skoczył z 136 tys. Stóp, nieco ponad 41 km.
@s-m-e, kto do diabła mierzy odległość w tysiącach stóp? Przepraszam za mój francuski. Ale tak, w porządku; Widziałem 128k i ZAKŁADANE km ...
Pięć odpowiedzi:
#1
+30
Rory Alsop
2013-07-20 03:45:43 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Z tego pytania na temat fizyki.SE:

Ale poza tym nie ma powodu, dla którego nie można by uderzyć człowieka zza Jowisza. zwalniająca pętla wokół Księżyca, a następnie spiralna w dół do Ziemi ... mając cudowny kombinezon, który wytrzyma wnikanie w atmosferę.

Z tego pytania na Felix Baumgartner:

Zauważ, że nawet gdyby skoczył z „nieskończoności”, osiągnąłby tylko prędkość ucieczki, która dla Ziemi wynosi 11 200 m / s, tak jak najwolniejsze meteoroidy. Wydaje mi się, że wystarczająco dobry (i chłodzony) kombinezon inspirowany rakietami NASA może być w stanie chronić człowieka przed takimi względnymi prędkościami, mimo że w przypadku typowych powierzchni prawie na pewno zaczęłyby palić się na powierzchni. Jednak zwolnienie z takich prędkości w atmosferze nie byłoby przyjemne. ;-) Widzisz, że jeśli równomiernie zwolnisz z 10 km / s do 0 km / s podczas przelotu przez 10 km atmosfery, penetracja przez atmosferę zajmie około 2 sekund. Jednak przyspieszenie z 10 km / s do 0 km / s w ciągu dwóch sekund oznacza, że ​​opóźnienie wynosi 5000 m / s / s lub 500 g. Myślę, że nawet on nie mógł tego przeżyć. ;-)

Tak więc interesującą informacją, jaką otrzymuję od tych dwóch, jest to, że twoja trajektoria będzie kluczowa. Nie można było wskoczyć prosto, więc podobnie jak prom kosmiczny, będziesz potrzebować długiej ścieżki schodzenia. Zapewni to mniejsze tarcie, co prowadzi do mniejszego obciążenia przeciążeniem i niższych temperatur. Oczywiście będziesz wtedy potrzebować więcej zmagazynowanego powietrza - może to zająć trochę czasu i prawdopodobnie grubszy materiał ablacyjny na twoim skafandrze (nie mam na ten temat liczb, ale chociaż temperatury mogą być nieco niższe, nadal będziesz mieć do ablacji, aby chronić zawartość skafandra)

Możesz potrzebować wingletów lub innych powierzchni kontrolnych, aby poradzić sobie z tym zboczem schodzenia.

W rzeczywistości - lepiej byłoby z kapsułą ...

Dziękuję za odpowiedź. No cóż, kapsuły są nudne, a Kirk nie ma wingletów :-) Pytam o „prosty” skok ze spadochronem w kombinezonie ze statycznej pozycji - prosto w dół.
@ernestopheles: W takim przypadku odpowiedź brzmi NIE. Rozpryskujesz się o grubsze warstwy powietrza. Musisz schodzić w dół, stopniowo zmniejszając swoją orbitę.
@SF. Jakiś czas temu dodałem wątek do pytania. Nie nazwałbym tego * splat *. Spowolnienie narasta raczej płynnie do poziomu możliwego do przeżycia. Jestem zajęty szukaniem danych z 400 km spadku. Powinien wyglądać podobnie, tylko z nieco większym opóźnieniem szczytowym.
@ernestopheles: 360 km swobodnego spadku nad atmosferą zapewniłoby około 2650 m / s. Następnie w ciągu następnych 25 km stracisz mniej więcej całą tę prędkość. To średnio około 14g * w tym okresie. Możesz być całkiem pewien, że szczytowe przyspieszenie byłoby znacznie wyższe, a AFAIR, 8 g jest przeżywalne „trwałe”, 12 g w krótkich impulsach, 14 g powoduje poważne obrażenia ... W twoim przypadku średnie opóźnienie na tym krytycznym 25 km wynosi 1,6 g, szczyt - 5,5 , tu można spodziewać się podobnych proporcji, przybliżony szacunek - 48g, co zdecydowanie spełnia definicję „splat”.
@SF. W porządku, to w zasadzie prawie wyklucza scenariusz 400 km. Jeśli chcesz skompilować to w poprawną, systematyczną odpowiedź ...
@Rory Nasz zespół medyczny wsparł RBS i opublikował artykuł na temat naszego podejścia do największego ryzyka; przedłużona ekspozycja na -Gz w spinie płaskim: Pattarini, James M., et al. „Płaski spin i ujemne Gz przy swobodnym spadku na dużej wysokości: patofizjologia, zapobieganie i leczenie”. Lotnictwo, kosmos i medycyna środowiskowa 84.9 (2013): 961-970.
#2
+17
PearsonArtPhoto
2013-07-20 04:50:44 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Chociaż odpowiedź Rory'ego jest bliska, pozwólcie mi podać kilka dodatkowych szczegółów.

  1. Prędkość orbitalna wynosi około 7,8 km / sw niskiej orbicie okołoziemskiej.
  2. Jeśli krążą na orbicie, nie spadniesz prosto w dół. To się po prostu nie stanie. W rzeczywistości maksymalna prędkość wynikałaby z minimalnego spalania, które prowadziłoby przez atmosferę dość wolno.
  3. Zaczniesz zwalniać do pewnego stopnia na wysokości około 50 km, czyli wtedy, gdy naprawdę się zaczyna.

Są więc dwa scenariusze, które należy omówić.

  1. Podejście na wprost - pomyśl o rekordzie spadania Felixa Baumgartnera wynoszącym 39 km ( 24 mile), ale około 500 km wysokości.
  2. Powolne podejście - bardziej przypominałoby to wahadłowiec kosmiczny.

Podejście na wprost - Jakoś jesteś na stacji kosmicznej i musisz przerwać. Masz tylko rakietę, a nie statek kosmiczny. Wystrzeliwujesz więc wystarczająco dużo, aby zatrzymać prędkość orbitalną i spadasz prosto w dół. Tak przy okazji, ta sekwencja wydarzeń jest raczej nieprawdopodobna.

Twoja maksymalna prędkość prawdopodobnie wynosiłaby około 2000 m / sekundę. Powiedzmy, że uderzyłeś w atmosferę na 10 km, co da ci 10 sekund na zwolnienie. To około 20 g przyspieszenia, za mało, żeby cię zabić, ale nie byłoby to przyjemne doświadczenie.

W drugim przypadku spadasz tylko nieznacznie w pionie. Twoja siła G nie byłaby niczym więcej niż siłą wahadłowca. Przypuszczalnie, gdybyś mógł zaprojektować odpowiedni kombinezon, zadziałałby, ale prawdopodobnie byłby wyjątkowo ciężki i ryzykowny.

Podsumowując, uważam, że można to zrobić w każdym przypadku, ale byłoby raczej niebezpieczne. Najtrudniejszą częścią byłoby rozpoczęcie manewru zejścia z orbity i zbudowanie odpowiedniego kombinezonu.

O wiele bardziej prawdopodobne jest przetrwanie przerwanego startu, takiego jak Challenger. Możesz jechać bardzo szybko lub wysoko, ale tego typu rzeczy częściej zdarzają się w atmosferze, co znacznie spowalnia.

Jeszcze raz dziękuję za odpowiedź. Właściwie nie pytam, jak można było zająć pozycję na taki skok ani prawdopodobieństwo, że to się stanie. Nie proszę o deorbitację. Mogę wprowadzić kilka liczb do mojego kalkulatora, zignorować opór atmosferyczny (powyżej „10 km”) i dojdę do około 2000 m / s. Ale to trochę nie odpowiada na moje pytanie. Intuicyjnie, skoki opisane w moim pytaniu mogą jakoś zadziałać, miejmy nadzieję, że możemy się z tym zgodzić - przynajmniej z „prawdziwej” krawędzi kosmosu. Więc ta odpowiedź jest zbyt łatwa.
@ernestopheles: Twierdziłbym, że odpowiadam na pytanie. Skakanie z LEO to najwyższy poziom, jaki kiedykolwiek wyobrażałem sobie skaczącego, więc powinno dać ci całkiem przyzwoite miejsce do rozpoczęcia.
#3
+13
Mark Adler
2013-08-26 11:45:45 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jasne. Dlaczego nie. Oczywiście będziesz potrzebować jakiejś osłony termicznej.

Skysurfing human weight-shift steered entry vehicle

Lub tego bardziej praktycznego projektu:

Paracone

Lub to wcześniejsza, mniej przekonująca koncepcja:

General Electric’s one-man, orbital escape pod from the 1960’s

Wygląda na to, że spadek z wieży 100 $ \, km $ jest do przetrwania w kategoriach G. Założyłem 100 $ \, kg $ osobę i 2 $ \, m $, 100 $ \, kg $ heatshield i inny sprzęt. Zakładając tępe ciało $ C_D $, otrzymuję współczynnik balistyczny około 40 $ {kg \ ponad m ^ 2} $. Łącząc ten spadek przez standardową atmosferę z grawitacją odpowiednio zmieniającą się wraz z wysokością, otrzymuję maksymalną prędkość 900 \, {m \ over s} $, i maksymalne przyspieszenie 2,8 $ \, G $.

upadek z 400 $ \, km $ tower jest problematyczny. Wtedy maksymalna prędkość wynosi 2400 $ \, {m \ over s} $, z maksymalnym przyspieszeniem 16 $ \, G $. W przypadku wpisu balistycznego naprawdę nie można go uzyskać znacznie poniżej 14 $ \, G $, przy optymalnym $ C_D $ około 7 $ {kg \ na m ^ 2} $ (znacznie większe pole grzewcze). Być może przy pomocy pewnego uniesienia można by złagodzić siły G, ale wtedy upadek nie byłby już prosty.

Dobra odpowiedź, dziękuję. Matematyka jest naprawdę interesująca. Twoje wyniki dla scenariusza 100 km są tego samego rzędu wielkości, co te, które widziałem dla sondujących rakiet. To sprawia, że ​​myślę, że twoje wyniki dla scenariusza 400 km są również poprawne, praktycznie uniemożliwiając ...
Zapomniałem wspomnieć, że trzeba dodać 1 $ \, G $ do rzeczywistego przyspieszenia, aby uzyskać to, co poczuje niefortunny pasażer. Tak więc przyspieszenia, które mają być tolerowane, wynoszą odpowiednio 3,8 $ \, G $ i 17 $ \, G $.
Wygląda na to, że drugi facet właśnie wchodzi do ziemniaka
#4
+10
aramis
2013-07-24 14:14:53 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Science fiction pokazało kilka interesujących możliwości przetrwania po ponownym wejściu, w szczególności albo kombinezon, który ma wysokie obciążenie termiczne, albo tarcza ablacyjna, którą się zjeżdża.

Naukowy fakt ma jeszcze więcej ciekawa możliwość: tryb wolantowy. Zainspirowany lotką do badmintona, Scaled Composites używa jej jako trybu ponownego wejścia do statku kosmicznego SS1 i SS2; SS1 wzrósł do poziomu, w którym atmosfera nie była już przydatna do wpływania na położenie statku.

System wysuwanych łopatek mógł być użyty do generowania zatrzymania lotki; pianka lub gaz o dużej rozszerzalności w zwiniętej rurce mogą generować ładny, duży efekt hamowania i zapobiegać poziomowi tarcia przed osiągnięciem zagrożenia termicznego dla odpowiedniego astro-spadochroniarza.

Problem polega na tym, że nie wchodzi się z wystarczającą prędkością aby uszkodzić hamującego i / lub astro-spadochroniarza.¹ I to jest problem z opuszczeniem orbity.

Podobnie, nadmuchiwana tarcza Aerobraking, przedstawiona na przykładzie 2010: Odyssey 2 A.C. Clarka, pochodzi z rzeczywistej propozycji dla NASA (autorstwa Clarka, jeśli dobrze pamiętam). NASA w końcu przystąpiła do testowania tego pomysłu w 2012 roku... IRVE-3 przeszedł wstępne testy około rok temu - lipiec 2012 roku.

Połączenie nadmuchiwanej tarczy dla część z dużą prędkością², a następnie lotka hamuje po zwolnieniu na tyle, aby sama atmosfera nie została zraniona, a na koniec spadochron do ostatecznego lądowania może przeżyć skok z LEO lub nawet GTO. To, czy platforma ma praktyczną wagę jako system ucieczki, jest jeszcze wątpliwe, ale technologia istnieje.


¹: Zauważmy, że prędkość w tym przypadku zależy wyłącznie od atmosfery. Prędkość orbity wynosi około 7,8 km / s dla niskiej orbity okołoziemskiej; prędkość powierzchniowa na równiku wynosi około 0,46 km / s. Więc to jest znaczna ilość prędkości do zrzucenia: około 7,3 km / s.
Zwróć też uwagę: Kittinger i Baumgartner mieli prawie zerową prędkość względną dzięki zastosowaniu lżejszego od powietrza pojazdu. Każda prędkość poniżej około 0,1 km / s nie stanowi problemu - 360 km / h nie stanowi większego problemu, a hamowanie może wytrzymać znacznie więcej.

²: O to chodzi, póki jeszcze powyżej prędkość powierzchniowa, ale poniżej prędkości orbitalnej.

#5
+10
Jeremy Kemball
2013-07-30 02:36:25 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jeśli dobrze czytam pytanie, to jest pytanie o to, jak trudne są wyzwania inżynierskie.

Biorąc pod uwagę dane zawarte w samym pytaniu (niezwykle pomocne), prawdziwym pytaniem jest uchronienie osoby, którą upuszczasz, przed zmiażdżeniem / zapaleniem się. Uważam, że gęstość powietrza i duch pytania uniemożliwiają skuteczne skakanie ze spadochronem na dużych wysokościach. Twój skoczek kosmiczny będzie przez jakiś czas spadał swobodnie, zwalniał, gdy uderzył w atmosferę, a następnie prawdopodobnie otworzył tradycyjny spadochron (z tradycyjną prędkością końcową) i bezpiecznie wylądował.

Uderzając w atmosferę po swobodnym spadaniu, jeśli czy rakieta sondująca lub osoba nie jest śmiertelna (przez zgniecenie), aczkolwiek nieprzyjemna. 5 g można całkowicie przeżyć, nawet bez środków zaradczych.

Pozostawia to problemy z oddychaniem (niezbyt trudnym, tylko trochę tlenu) i ogrzewaniem spowodowane kompresją powietrza. Projekt osłon termicznych ma w rzeczywistości zmaksymalizować współczynnik oporu powietrza i zminimalizować obciążenie cieplne, więc jeśli chcesz zabrać ze sobą jak tor saneczkowy wykonany z kompozytów ceramicznych, powietrze na pewno nie przeszkadza. (Może być przywiązany do twoich pleców. Wyobraź sobie żółwia ninja leżącego na plecach z nogami i rękami skierowanymi prosto do góry) Jeśli chcesz zanurkować na głowę w stylu Kapitana Kirka, będziesz musiał mieć coś więcej niż tylko okienko. Może to być możliwe, ale nie byłoby to bezpieczne.

Jeśli jednak chcesz poświęcić godność, leżenie na plecach z aerozolem może, moim zdaniem, być całkowicie praktycznym sposobem na wypadnięcie z geostacjonarnego orbita.

Twój pierwszy i drugi akapit gwóźdź, o co chodzi w pytaniu :-) Dziękuję za odpowiedź i witam w tym miejscu. Nie wykluczałbym całkowicie spadochronów na dużych wysokościach. Jest dobry sprzęt, który działa przy dużych prędkościach i w rzadkiej atmosferze - zobacz ostatnie lądowania na Marsie. Twoje stwierdzenie jest podobne do tego, co podpowiada mi intuicja. Cóż, o to chodzi w intuicji. Ale czy kiedykolwiek zostało to zbadane? Czy ktoś wprowadził jakieś rzeczywiste liczby do komputerów lub wykonał jakieś projektowanie lub testy?


To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...