Domanda:
Come sono possibili i "salti spaziali"?
s-m-e
2013-07-20 02:32:55 UTC
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Hai visto il primo dei due nuovi film di Star Trek? Kirk (Chris Pine), Sulu (John Cho) e una maglietta rossa si esibiscono in qualcosa di veramente fantastico in questo film: saltano dallo spazio fino a un pianeta, praticamente protetti solo da un vestito.

Le mie domande: È possibile un salto dallo spazio reale alla Terra? Se sì, come? Quali sono i problemi reali ad esso correlati? È mai stato studiato? In caso affermativo, qual è stato il risultato?

Assumiamo due scenari per la mia domanda. Un salto dal vero confine dello spazio a 100 km di altitudine e un altro da 400 km , l'altitudine approssimativa della ISS. Entrambi i salti avvengono da posizioni fisse rispetto alla superficie terrestre ( non da un'orbita, di causa). Immagina che qualcuno faccia un salto di base da una torre gigantesca.

L'intuizione mi dice che una rapida decelerazione una volta in profondità nell'atmosfera non sarebbe nemmeno il problema. I guai dovrebbero derivare dal calore causato dall'attrito e dal suo "smaltimento", anche se non ne sono sicuro.

Dando un contesto a questa domanda, prima di tutto c'era il Progetto Excelsior, in cui Joseph Kittinger ha fatto salti simili, tra cui uno da 31,33 km di altitudine , nel 1960. Ulteriori salti di questo tipo sono avvenuti all'interno dei progetti Red Bull Stratos, durante i quali Felix Baumgartner è saltato da un'altitudine massima di 38,97 km nel 2012. Entrambi i progetti prevedevano salti dall'atmosfera terrestre per definizione, a essere più precisi dalla stratosfera. Tuttavia, entrambi i paracadutisti hanno vissuto una fase piuttosto lunga di caduta libera virtuale prima di "colpire" l '"atmosfera", come l'hanno descritta.

Qualche tempo fa ho avuto a che fare con il suono dei razzi . Dritto fino a circa 100 km in volo a motore e subito in discesa di nuovo in caduta "libera" . Le misurazioni della temperatura sul guscio esterno indicavano un massimo di circa 250 ° C +/- 50K al rientro, sebbene le temperature avessero già raggiunto circa 70 ° C all'apogeo a causa della corsa ad alta velocità verso l'alto. Ho scavato per un esempio in termini di velocità e decelerazione durante la discesa e ho fatto un grafico, eccolo:

free fall from 87 km and (re-) entry

È solo da 87 km, ma dovrebbe fare il trucco. L'oggetto era un cilindro, di circa 2,5 m di lunghezza e 0,3 m di diametro, del peso di qualcosa meno di 100 kg (peso e dimensioni sono leggermente simili a un corpo umano). Sì, è caduto. È possibile vedere l'apertura del paracadute a circa 6 km. Il picco di decelerazione durante la discesa era di circa 5,5 G , entro i limiti per la sopravvivenza di un essere umano. Include l'unico G, che sperimentate qui sulla superficie terrestre. Fai attenzione ai dati sopra i 60 km: sono dati GPS, che fanno schifo ad alta quota e ad alte velocità verticali. Se qualcuno è interessato, i razzi sono stati migliorati Orion.

Ottima domanda. Ho sempre pensato che il caso di farlo da un'orbita fosse particolarmente interessante. Una quantità minima di impulso di deorbitazione applicato a una tuta di rientro personale Gli Starship Troopers di Heinlein se ne accorsero.
In realtà, il calore durante il rientro non è causato dall'attrito, ma dalla compressione.
È orribile come le persone si limitino a numeri c & p come "10km" ecc. Trama basata su dati effettivi aggiunti alla domanda!
Su un argomento correlato, c'è [questa domanda su worldbuilding] (http://worldbuilding.stackexchange.com/questions/27925/skydiving-from-a-space-station/27940#27940).
Il record mondiale di caduta libera è attualmente di 128 km: https://www.youtube.com/watch?v=FHtvDA0W34I
@MagicOctopusUrn Felix Baumgartner è saltato da 128k * piedi *, cioè 39 km;) Ha anche detenuto il record per soli due anni: l'attuale detentore del record è Alan Eustace. È saltato da 136k piedi, poco più di 41 km.
@s-m-e chi diavolo misura la distanza in migliaia di piedi? Scusa il mio francese. Ma sì, abbastanza giusto; Ho visto 128k e presunti km ...
Cinque risposte:
#1
+30
Rory Alsop
2013-07-20 03:45:43 UTC
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Da questa domanda su Physics.SE:

Ma a parte questo, non c'è motivo per cui un uomo non possa essere lanciato da dietro Giove, un ciclo di rallentamento attorno alla Luna, poi una spirale verso la Terra ... dato un vestito meraviglioso che resisterà all'ingresso atmosferico.

Da questa domanda su Felix Baumgartner:

Nota che anche se saltasse da "infinito", raggiungerebbe solo la velocità di fuga che è di 11.200 m / s per la Terra, proprio come i meteoroidi più lenti. Immagino che una tuta abbastanza buona (e raffreddata) ispirata ai razzi della NASA potrebbe essere in grado di proteggere un essere umano da tali velocità relative anche se per superfici generiche, quasi certamente inizierebbero a bruciare in superficie.

Tuttavia, non sarebbe piacevole rallentare da tali velocità nell'atmosfera. ;-) Si vede che se si rallenta uniformemente da 10 km / sa 0 km / s mentre si vola attraverso 10 km di atmosfera, la penetrazione nell'atmosfera richiede circa 2 secondi. Tuttavia, passare da 10 km / sa 0 km / s in due secondi significa che la decelerazione è di 5000 m / s / so 500 g. Immagino che nemmeno lui potrebbe sopravvivere. ;-)

Quindi l'informazione interessante che ricevo da questi due è che la tua traiettoria sarà fondamentale. Non potresti cadere direttamente, quindi come lo space shuttle, dovrai avere un lungo percorso di planata. Questo ti darà un attrito inferiore, portando a un carico g inferiore e temperature più basse. Ovviamente avrai bisogno di più aria immagazzinata - poiché ciò potrebbe richiedere del tempo, e forse materiale ablativo più spesso sulla tua tuta (non ho numeri su questo, ma mentre le temperature potrebbero essere un po 'più basse, avrai comunque per l'ablazione per proteggere il contenuto della tuta)

Potresti aver bisogno di alette o altre superfici di controllo per gestire questa pendenza di planata.

In effetti, staresti meglio con una capsula ...

Grazie per la risposta. Beh, le capsule sono noiose e Kirk non ha le ali :-) Chiedo di un "semplice" lancio con il paracadute in una tuta da una posizione statica - verso il basso.
@ernestopheles: In tal caso la risposta NON è. Vai a sbattere contro strati d'aria più spessi. Devi scendere a spirale, riducendo gradualmente la tua orbita.
@SF. Qualche tempo fa ho aggiunto una trama alla domanda. Non lo chiamerei * splat *. La decelerazione aumenta piuttosto dolcemente fino a un livello di sopravvivenza. Sono impegnato a cercare alcuni dati da un dislivello di 400 km. Dovrebbe essere simile, con solo una decelerazione di picco leggermente superiore.
@ernestopheles: 360 km di caduta libera sopra l'atmosfera ti porterebbero a circa 2650 m / s. Quindi entro i prossimi 25 km circa perderesti tutta questa velocità. Si tratta di circa 14 g * in media * durante quel periodo. Puoi essere abbastanza sicuro che l'accelerazione di picco sarebbe considerevolmente più alta, e AFAIR, 8 g è sopravvissuto "sostenuto", 12 g in impulsi brevi, 14 g causa lesioni significative ... Nel tuo caso la decelerazione media su quei 25 km critici è 1,6 g, picco - 5,5 , puoi aspettarti proporzioni simili qui, stima approssimativa - 48 g, che soddisfa sicuramente la definizione di "splat".
@SF. Abbastanza giusto, questo praticamente esclude quasi lo scenario dei 400 km. Se desideri compilarlo in una risposta corretta e sistematica ...
@Rory Il nostro team medico ha supportato RBS e ha pubblicato un documento sul nostro approccio al rischio maggiore; esposizione sostenuta -Gz in spin piatto: Pattarini, James M., et al. "Spin piatto e Gz negativo in caduta libera in alta quota: fisiopatologia, prevenzione e cura." Medicina aeronautica, spaziale e ambientale 84,9 (2013): 961-970.
#2
+17
PearsonArtPhoto
2013-07-20 04:50:44 UTC
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Anche se la risposta di Rory è vicina, lasciatemi fornire alcuni dettagli aggiuntivi.

  1. La velocità orbitale è di circa 7,8 km / s in orbita terrestre bassa.
  2. Se tu sono in orbita, non cadrai dritto. Semplicemente non succederà. In effetti, la velocità massima risulterebbe da un'ustione minima, che ti porterebbe attraverso l'atmosfera abbastanza lentamente.
  3. Inizierai a rallentare fino a un certo punto a circa 50 km di altezza, che è il punto di rientro inizia davvero.

Quindi, ci sono 2 scenari che dovrebbero essere discussi.

  1. L'approccio verso il basso - Pensa al record di caduta libera di Felix Baumgartner di 39 chilometri ( 24 miglia), ma a circa 500 km di altezza.
  2. L'approccio lento: sarebbe più simile alla navetta spaziale.

L'approccio verso il basso- In qualche modo sei su una stazione spaziale e devi abortire. Hai solo un razzo e nessuna astronave. Quindi spari abbastanza da fermare la tua velocità orbitale e cadere verso il basso. Questa sequenza di eventi è piuttosto improbabile, BTW.

La tua velocità massima sarebbe probabilmente di circa 2000 m / secondo. Supponiamo che tu colpisca l'atmosfera a 10 km, che ti darebbe un tempo di decelerazione di 10 secondi. Sono circa 20 g di accelerazione, non abbastanza per ucciderti, ma non sarebbe un'esperienza piacevole.

Nella seconda, stai cadendo solo leggermente in verticale. La tua forza G non sarebbe niente di più di quella della navetta spaziale. Presumibilmente, se potessi progettare la tuta nel modo giusto, funzionerebbe, ma probabilmente sarebbe estremamente pesante e rischioso.

In conclusione, credo che potrebbe essere fatto in entrambi i casi, ma lo sarebbe piuttosto pericoloso. La parte più difficile sarebbe iniziare la manovra di deorbita e costruire la tuta nel modo giusto.

Molto più probabile è la capacità di sopravvivere a un lancio interrotto, come il Challenger. Potresti andare molto veloce o in alto, ma è più probabile che questo tipo di cose accada all'interno dell'atmosfera, rallentandoti notevolmente.

Ancora una volta, grazie per la risposta. In realtà non sto chiedendo come si possa entrare in posizione per un simile salto o la probabilità che accada. Non sto chiedendo la deorbitazione. Posso inserire alcuni numeri nella mia calcolatrice, ignorare la resistenza atmosferica (superiore a "10 km") e arriverò a qualcosa come 2.000 m / s. Ma in qualche modo non risponde alla mia domanda. Intuitivamente, i salti descritti nella mia domanda possono funzionare in qualche modo, possiamo sperare di essere d'accordo su questo - almeno dal limite "vero" dello spazio. Quindi questa risposta è semplicemente troppo facile.
@ernestopheles: Direi che rispondo alla domanda. Saltare da LEO è il massimo che potrei mai immaginare che qualcuno salti, quindi dovrebbe darti un punto di partenza abbastanza decente.
#3
+13
Mark Adler
2013-08-26 11:45:45 UTC
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Certo. Perchè no. Ovviamente ti servirà una sorta di scudo termico.

Skysurfing human weight-shift steered entry vehicle

O questo design più pratico:

Paracone

O questo concetto precedente, meno convincente:

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

Sembra la caduta da una torre da $ 100 \, km $ è sopravvissuta in termini di G. Ho ipotizzato una persona da $ 100 \, kg $ e uno scudo termico da $ 2 \, m $, $ 100 \, kg $ e altre apparecchiature. Supponendo un corpo smussato $ C_D $, ottengo un coefficiente balistico di circa $ 40 {kg \ su m ^ 2} $. Integrando quella caduta attraverso un'atmosfera standard con gravità opportunamente variabile con l'altitudine, ottengo una velocità massima di $ 900 \, {m \ over s} $ e un'accelerazione massima di $ 2,8 \, G $.

cadere da una torre di $ 400 \, km $ è problematico. Quindi la velocità massima è $ 2400 \, {m \ over s} $, con un'accelerazione massima di $ 16 \, G $. Per una voce balistica, non puoi davvero ottenere molto al di sotto di $ 14 \, G $, a un $ C_D $ ottimale di circa $ 7 {kg \ su m ^ 2} $ (uno scudo termico molto più grande). Forse con un po 'di sollevamento potresti mitigare le forze G, ma poi la caduta non sarebbe più dritta.

Buona risposta, grazie. La matematica è davvero interessante. I tuoi risultati per lo scenario dei 100 km sono dello stesso ordine di grandezza di quello che ho visto con i razzi che suonano. Mi fa pensare che anche i tuoi risultati per lo scenario dei 400 km siano corretti, rendendolo virtualmente impossibile ...
Ho dimenticato di dire che devi aggiungere $ 1 \, G $ all'accelerazione effettiva per ottenere ciò che si sentirà lo sfortunato occupante. Quindi le accelerazioni da tollerare sono rispettivamente $ 3,8 \, G $ e $ 17 \, G $.
Sembra che il secondo ragazzo stia rientrando in una patata
#4
+10
aramis
2013-07-24 14:14:53 UTC
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La fantascienza ha mostrato diverse possibilità interessanti per sopravvivere al rientro, in particolare, una tuta che ha un elevato carico termico o uno scudo ablativo che si cavalca.

Il fatto scientifico ha ancora di più possibilità interessante: la modalità volano. Ispirato da un volano da badminton, Scaled Composites lo utilizza come modalità di rientro per le navicelle SS1 e SS2; SS1 è salito a un livello in cui l'atmosfera non era più utile per influenzare l'assetto del velivolo.

Un sistema di alette estensibili potrebbe essere utilizzato per generare un volano drogue; una schiuma o un gas ad alta espansione nel tubo arrotolato potrebbe generare un piacevole effetto drogue di grandi dimensioni e impedire ai livelli di attrito di raggiungere un pericolo termico per l'astro-paracadutista adatto.

Il problema è quello di non entrare a una velocità sufficiente danneggiare il drogue e / o l'astro-paracadutista.¹ E questo è un problema di de-orbita.

Allo stesso modo, lo scudo gonfiabile Aerobraking esemplificato in 2010: Odyssey 2 di A.C. Clark proviene da una proposta reale alla NASA (di Clark, se ricordo bene). La NASA è finalmente riuscita a testare l'idea nel 2012... IRVE-3 ha superato i test iniziali circa un anno fa - luglio 2012.

Una combinazione di uno scudo gonfiabile per il la porzione ad alta velocità², e poi il volano si droga dopo aver rallentato abbastanza da non essere ferito dall'atmosfera stessa, e infine un paracadute per l'atterraggio finale potrebbe rendere un salto da LEO o persino GTO sopravvissuto. Se l'attrezzatura abbia o meno un peso pratico come sistema di fuga è ancora dubbio, ma la tecnologia esiste.


¹: Notando che la velocità, in questo caso, è puramente relativa all'atmosfera. La velocità orbitale è di circa 7,8 km / sec per l'orbita terrestre bassa; la velocità di superficie all'equatore è di circa 0,46 km / sec. Quindi è una quantità considerevole di velocità da perdere: circa 7,3 km / sec.
Nota anche: Kittinger e Baumgartner avevano una velocità relativa prossima allo zero a causa dell'uso di un veicolo più leggero dell'aereo. Qualsiasi velocità inferiore a circa 0,1 km / s non è un problema: 360 km / h non sono un grosso problema e il drogue può sopportare ben più di questo.

²: Questo è il punto mentre sei ancora sopra velocità di superficie, ma inferiore alla velocità orbitale.

#5
+10
Jeremy Kemball
2013-07-30 02:36:25 UTC
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Se leggo correttamente la domanda, questa è una domanda su quanto siano difficili le sfide ingegneristiche.

Dati i dati nella domanda stessa (incredibilmente utili) la vera domanda è impedire che la persona che stai lasciando cadere venga schiacciata / prenda fuoco. Credo che la densità dell'aria e lo spirito della domanda impediscano un paracadutismo efficace in alta quota. Il tuo saltatore spaziale andrà in caduta libera per un po 'di tempo, decelererà mentre colpisce l'atmosfera, quindi presumibilmente aprirà un paracadute tradizionale (alla velocità terminale tradizionale) e atterrerà in sicurezza.

Colpire l'atmosfera dopo la caduta libera se tu sono un razzo che suona o una persona non è fatale (schiacciando), anche se sgradevole. 5 g è completamente sopravvissuto, anche senza contromisure.

In questo modo la respirazione (non troppo faticosa, solo un po 'di ossigeno) e problemi di riscaldamento per compressione dell'aria. Il design degli scudi termici è in realtà quello di massimizzare il coefficiente di resistenza e ridurre al minimo il carico di calore, quindi se sei disposto a portare come uno slittino fatto di compositi ceramici per spingere il aria fuori mano, certamente. (Potrebbe essere legato alla tua schiena. Immagina una tartaruga ninja sdraiata sulla schiena con le gambe e le braccia rivolte verso l'alto) Se vuoi tuffarti a capofitto nello stile del Capitano Kirk, dovrai avere più di un semplice visore. Potrebbe essere possibile, ma non sarebbe sicuro.

Tuttavia, se vuoi sacrificare la dignità, sdraiarti sulla schiena con un aeroshell potrebbe, secondo me, essere un modo del tutto pratico per cadere dal geostazionario orbita.

Il tuo primo e secondo paragrafo chiariscono di cosa tratta la domanda :-) Grazie per la risposta e benvenuto in questo posto. Non escluderei del tutto i paracadute d'alta quota. C'è roba buona, che funziona ad alta velocità e in atmosfere sottili - guarda gli ultimi atterraggi su Marte. La tua affermazione è simile a ciò che mi dice la mia intuizione. Bene, è l'intuizione, che è il punto. Ma è mai stato studiato? Qualcuno ha immesso dei numeri reali nei computer o ha progettato o testato?


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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