Vraag:
Hoe mogelijk zijn 'space jumps'?
s-m-e
2013-07-20 02:32:55 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Heb je de eerste van de twee nieuwe Star Trek-films gezien? Kirk (Chris Pine), Sulu (John Cho) en een rood shirt spelen iets geweldigs in deze film: ze springen vanuit de ruimte naar een planeet, in feite alleen beschermd door een pak.

Mijn vraag / vragen: Is een sprong van de werkelijke ruimte naar de aarde mogelijk? Zo ja, hoe? Wat zijn de werkelijke problemen die ermee verband houden? Is er ooit onderzoek naar gedaan? Zo ja, wat was het resultaat?

Laten we uitgaan van twee scenario's voor mijn vraag. Een sprong van de echte rand van de ruimte op 100 km hoogte en een andere sprong van 400 km , de geschatte hoogte van het ISS. Beide sprongen gebeuren vanaf vaste posities ten opzichte van het aardoppervlak ( niet vanuit een baan, natuurlijk). Stel je voor dat iemand een basissprong maakt vanaf een gigantische toren.

Intuïtie vertelt me ​​dat snelle vertraging eenmaal diep in de atmosfeer niet eens het probleem zou zijn. Het probleem zou moeten komen van hitte veroorzaakt door wrijving en de 'afvoer' ervan, hoewel ik daar niet zeker van ben.

Om wat context te geven aan deze vraag: allereerst was er Project Excelsior, waarin Joseph Kittinger soortgelijke sprongen maakte, waaronder een vanaf een hoogte van 31,33 km , in 1960. Verdere sprongen van dit soort vonden plaats in projecten Red Bull Stratos, waarin Felix Baumgartner in 2012 van een maximale hoogte van 38,97 km sprong. Beide projecten bevatten per definitie sprongen vanuit de atmosfeer van de aarde, naar wees nauwkeuriger vanuit de stratosfeer. Hoewel beide parachutisten een vrij lange fase van virtuele vrije val doormaakten voordat ze de 'atmosfeer' 'raakten', zoals ze die beschreven.

Een tijdje geleden kreeg ik te maken met sonderende raketten . Rechtstreeks tot ongeveer 100 km in motorvlucht en onmiddellijk weer recht naar beneden in 'vrije' val . Temperatuurmetingen op de buitenschaal gaven een maximum aan van ongeveer 250 ° C +/- 50K bij terugkeer, hoewel de temperaturen al op het hoogtepunt van ongeveer 70 ° C waren gekomen vanwege de snelle rit naar boven. Ik heb een voorbeeld gegraven in termen van snelheid en vertraging op de weg naar beneden en een plot gemaakt, hier is het:

free fall from 87 km and (re-) entry

Het is alleen vanaf 87 km, maar het moet lukken. Het object was een cilinder, ongeveer 2,5 m lang en 0,3 m in diameter, die iets minder dan 100 kg woog (gewicht en afmetingen lijken enigszins op een menselijk lichaam). Ja, het tuimelde. Je kunt de parachute openen op ongeveer 6 km afstand. De piekvertraging op de weg naar beneden was ongeveer 5,5 G , binnen de limieten voor een mens om te overleven. Het bevat de ene G, die je hier op het aardoppervlak ervaart. Wees voorzichtig met de gegevens boven 60 km - het zijn gps-gegevens, die op grote hoogte en hoge verticale snelheden zuigen. Als iemand geïnteresseerd is, zijn de raketten Verbeterd Orions.

Grote vraag. Ik heb altijd gedacht dat het bijzonder interessant was om dit vanuit een baan te doen. Er wordt een minimum aan deorbit-impuls toegepast op een persoonlijk re-entry-pak. Realiseerde Heinlein's Starship Troopers zich.
In feite wordt hitte tijdens terugkeer niet veroorzaakt door wrijving, maar door compressie.
Het is vreselijk hoe mensen gewoon getallen als "10km" enz. Plot op basis van feitelijke gegevens die aan de vraag zijn toegevoegd!
Over een gerelateerd onderwerp is er [deze vraag over worldbuilding] (http://worldbuilding.stackexchange.com/questions/27925/skydiving-from-a-space-station/27940#27940).
Het wereldrecord vrije val is momenteel 128 km: https://www.youtube.com/watch?v=FHtvDA0W34I
@MagicOctopusUrn Felix Baumgartner sprong van 128k * voet *, d.w.z. 39 km;) Hij hield het record ook slechts twee jaar vast: de huidige recordhouder is Alan Eustace. Hij sprong van 136k voet, iets meer dan 41 km.
@s-m-e wie meet in godsnaam de afstand in duizenden ft? Sorry voor mijn Frans. Maar ja, eerlijk genoeg; Ik zag 128k en AANGENOMEN km ...
Vijf antwoorden:
#1
+30
Rory Alsop
2013-07-20 03:45:43 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Uit deze vraag over Physics.SE:

Maar afgezien daarvan is er geen reden waarom een ​​man niet achter Jupiter vandaan zou kunnen worden gelobd, maak een langzame lus rond de maan en dan spiraalsgewijs naar de aarde ... gegeven een prachtig pak dat de atmosferische ingang zal weerstaan.

Van deze vraag over Felix Baumgartner:

Merk op dat zelfs als hij van "oneindig" zou springen, hij alleen de ontsnappingssnelheid zou bereiken die 11.200 m / s is voor de aarde, net als de langzaamste meteoroïden. Ik denk dat een goed genoeg (en gekoeld) pak geïnspireerd door NASA-raketten in staat zou zijn om een ​​mens te beschermen tegen dergelijke relatieve snelheden, ook al zouden ze voor generieke oppervlakken vrijwel zeker aan de oppervlakte beginnen te branden.

Het zou echter niet prettig zijn om vanaf dergelijke snelheden in de atmosfeer te vertragen. ;-) Je ziet dat als je gelijkmatig vertraagt ​​van 10 km / s naar 0 km / s terwijl je door 10 km van de atmosfeer vliegt, de penetratie door de atmosfeer ongeveer 2 seconden duurt. Als je echter in twee seconden van 10 km / s naar 0 km / s gaat, is de vertraging 5000 m / s / s of 500 g. Ik denk dat zelfs hij dat niet zou kunnen overleven. ;-)

Dus het interessante stukje informatie dat ik van die twee krijg, is dat jouw traject de sleutel zal zijn. Je kunt er niet recht in vallen, dus net als bij de spaceshuttle heb je een lang glijpad nodig. Dit geeft je minder wrijving, wat leidt tot een lagere g-belasting en lagere temperaturen. Het is duidelijk dat je dan meer opgeslagen lucht nodig hebt - aangezien dit enige tijd kan duren, en mogelijk dikker ablatief materiaal op je pak (ik heb hier geen cijfers over, maar hoewel de temperaturen misschien wat lager zijn, heb je nog steeds om de inhoud van het pak te beschermen)

Misschien heb je winglets of andere stuurvlakken nodig om deze glijhelling te beheersen.

In feite zou je beter af zijn met een capsule ...

Dankje voor het antwoord. Nou, capsules zijn saai en Kirk heeft geen winglets :-) Ik vraag naar een 'simpele' parachutesprong in een pak vanuit een statische positie - recht naar beneden.
@ernestopheles: In dat geval is het antwoord NIET. Je gaat spatten tegen dikkere luchtlagen. Je moet naar beneden spiralen en je baan geleidelijk verkleinen.
@SF. Ik heb een tijdje geleden een plot aan de vraag toegevoegd. Ik zou het geen * splat * noemen. De vertraging bouwt vrij soepel op tot een overlevingsniveau. Ik ben bezig met het zoeken naar gegevens van een val van 400 km. Het moet er ongeveer hetzelfde uitzien, met een iets hogere piekvertraging.
@ernestopheles: 360 km vrije val boven de atmosfeer zou je op ongeveer 2650 m / s brengen. Dan zou je binnen de volgende 25 km ongeveer al deze snelheid verliezen. Dat is gemiddeld ongeveer 14 g * in die periode. Je kunt er vrij zeker van zijn dat de piekversnelling aanzienlijk hoger zou zijn, en AFAIR, 8 g is overleefbaar "aanhoudend", 12 g in korte pulsen, 14 g veroorzaakt aanzienlijke verwondingen ... In jouw geval is de gemiddelde vertraging over die kritieke 25 km 1,6 g, piek - 5,5 , kunt u hier vergelijkbare verhoudingen verwachten, ruwe schatting - 48 g, die zeker voldoet aan de definitie van "splat".
@SF. Eerlijk genoeg, dit sluit in feite het 400km-scenario bijna uit. Als je dit zou willen compileren tot een correct, systematisch antwoord ...
@Rory Ons medisch team ondersteunde RBS en publiceerde een paper over onze benadering van het grootste risico; aanhoudende -Gz-blootstelling in vlakke spin: Pattarini, James M., et al. "Flat spin en negatieve Gz in vrije val op grote hoogte: pathofysiologie, preventie en behandeling." Luchtvaart-, ruimtevaart- en milieumedicatie 84,9 (2013): 961-970.
#2
+17
PearsonArtPhoto
2013-07-20 04:50:44 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Nu Rory's antwoord dichtbij is, wil ik nog een paar details geven.

  1. De baansnelheid is ongeveer 7,8 km / s in een lage baan om de aarde.
  2. Als je in een baan ronddraaien, zul je niet recht naar beneden vallen. Het zal gewoon niet gebeuren. In feite zou de maximale snelheid het gevolg zijn van een minimale verbranding, waardoor je vrij langzaam door de atmosfeer zou gaan.
  3. Je zult beginnen te vertragen tot op een hoogte van ongeveer 50 km, en dat is waar je weer binnenkomt begint echt.

Er zijn dus 2 scenario's die moeten worden besproken.

  1. De directe benadering - Denk aan het Felix Baumgartner-vrije valrecord van 39 kilometer ( 24 mijl), maar ongeveer 500 km hoog.
  2. De langzame nadering- Dit zou meer op de spaceshuttle lijken.

De rechte nadering- Op de een of andere manier ben je op een ruimtestation en moet je afbreken. Je hebt alleen een raket en geen ruimteschip. Dus je vuurt genoeg om je orbitale snelheid te stoppen en valt recht naar beneden. Deze opeenvolging van gebeurtenissen is trouwens nogal onwaarschijnlijk.

Je maximale snelheid is waarschijnlijk rond de 2000 m / seconde. Stel dat je de atmosfeer raakt op 10 km, dat zou je een tijd geven om te vertragen van 10 seconden. Dat is ongeveer 20 g versnelling, niet genoeg om je te doden, maar het zou geen prettige ervaring zijn.

In de tweede val je verticaal maar een klein beetje. Je G-kracht zou niet meer zijn dan die van de spaceshuttle. Als je het pak precies goed zou kunnen ontwerpen, zou het waarschijnlijk werken, maar het zou waarschijnlijk extreem zwaar en riskant zijn.

Kort gezegd, ik denk dat het in beide gevallen kan worden gedaan, maar het zou zijn nogal gevaarlijk. Het moeilijkste zou zijn om de de-orbit-manoeuvre te starten en het pak precies goed te bouwen.

Veel waarschijnlijker is het vermogen om een ​​afgebroken lancering, zoals de Challenger, te overleven. Je gaat misschien heel snel of hoog, maar dit soort dingen gebeuren vaker in de atmosfeer, waardoor je aanzienlijk langzamer gaat werken.

Nogmaals bedankt voor het antwoord. Ik vraag eigenlijk niet hoe iemand in positie zou kunnen komen voor een dergelijke sprong of hoe waarschijnlijk het is dat dit gebeurt. Ik vraag niet om de baan te verlaten. Ik kan wat getallen in mijn rekenmachine intoetsen, de atmosferische weerstand negeren (boven '10 km ') en zal zoiets als 2.000 m / s bereiken. Maar het beantwoordt mijn vraag eigenlijk niet. Intuïtief kunnen de sprongen die in mijn vraag worden beschreven op de een of andere manier werken, hopelijk kunnen we het daarover eens zijn - op zijn minst vanaf de 'echte' rand van de ruimte. Dus dit antwoord is gewoon te gemakkelijk.
@ernestopheles: Ik zou zeggen dat ik de vraag wel beantwoord. Springen van LEO is ongeveer het hoogste dat ik me ooit kan voorstellen dat iemand springt, dus het zou je een behoorlijk goede start moeten geven.
#3
+13
Mark Adler
2013-08-26 11:45:45 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zeker. Waarom niet. Je wilt natuurlijk een soort hitteschild.

Skysurfing human weight-shift steered entry vehicle

Of dit meer praktische ontwerp:

Paracone

Of dit eerdere, minder overtuigende concept:

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

Het lijkt erop de val van een $ 100 \, km $ toren is te overleven in termen van G's. Ik ging uit van een $ 100 \, kg $ persoon en $ 2 \, m $, $ 100 \, kg $ hitteschild en andere uitrusting. Uitgaande van een bot lichaam $ C_D $, krijg ik een ballistische coëfficiënt van ongeveer $ 40 {kg \ meer dan m ^ 2} $. Door die val door een standaardatmosfeer te integreren met de zwaartekracht die behoorlijk varieert met de hoogte, krijg ik een maximale snelheid van $ 900 \, {m \ over s} $, en een maximale versnelling van $ 2,8 \, G $.

De vallen van een $ 400 \, km $ toren is problematisch. Dan is de maximale snelheid $ 2400 \, {m \ over s} $, met een maximale versnelling van $ 16 \, G $. Voor een ballistische inzending kun je het niet veel lager krijgen dan $ 14 \, G $, met een optimale $ C_D $ van ongeveer $ 7 {kg \ over m ^ 2} $ (een veel groter hitteschild). Misschien zou je met een lift de G-krachten kunnen verzachten, maar dan zou de val niet meer recht naar beneden zijn.

Goed antwoord, dank je. De wiskunde is echt interessant. Je resultaten voor het 100km-scenario zijn in dezelfde orde van grootte als wat ik zag met sonderende raketten. Het doet me denken dat uw resultaten voor het 400km-scenario ook correct zijn, waardoor het vrijwel onmogelijk wordt ...
Ik vergat te vermelden dat je $ 1 \, G $ moet optellen bij de daadwerkelijke acceleratie om te krijgen wat de onfortuinlijke bewoner zal voelen. Dus de te tolereren versnellingen zijn respectievelijk $ 3,8 \, G $ en $ 17 \, G $.
Het lijkt erop dat de tweede man een aardappel binnenkomt
#4
+10
aramis
2013-07-24 14:14:53 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Sciencefiction heeft verschillende interessante mogelijkheden laten zien om de terugkeer te overleven, met name ofwel een pak met een hoge thermische belasting, ofwel een ablatief schild waar men naar beneden rijdt.

Wetenschappelijk feit heeft nog meer interessante mogelijkheid: de shuttle-modus. Geïnspireerd door een badmintonshuttle, gebruikt Scaled Composites het als de terugkeermodus voor de SS1 en SS2 ruimtevaartuigen; SS1 steeg naar een niveau waar de atmosfeer niet langer nuttig was om de houding van het vaartuig te beïnvloeden.

Een systeem van uitschuifbare schoepen zou kunnen worden gebruikt om een ​​shuttle-drogue te genereren; Een schuim of gas met hoge expansie in opgerolde buizen kan een mooi groot drogue-effect genereren en voorkomen dat wrijvingsniveaus thermisch gevaar bereiken voor de geschikte astro-parachutist.

Het probleem is er een van niet binnenkomen met een voldoende snelheid om de drogue en / of astro-parachutist te beschadigen. ”En dat is een probleem met de-orbit.

Evenzo is het opblaasbare schild van Aerobraking, geïllustreerd in 2010: Odyssey 2 van A.C. Clark, afkomstig van een actueel voorstel aan NASA (door Clark, als ik het me goed herinner). NASA is er eindelijk toe gekomen om het idee in 2012 te testen... IRVE-3 is ongeveer een jaar geleden - juli 2012 - geslaagd voor de eerste tests.

Een combinatie van een opblaasbaar schild voor de hoge snelheid gedeelte², en dan shuttle drogues nadat ze voldoende vertraagd waren om niet gewond te raken door de atmosfeer zelf, en tenslotte zou een parachute voor de laatste landing een sprong kunnen maken van LEO of zelfs GTO overleefd. Of het tuig al dan niet van praktisch gewicht is als vluchtsysteem is nog twijfelachtig, maar de technologie bestaat.


¹: Merk op dat snelheid in dit geval puur gerelateerd is aan de atmosfeer. De baansnelheid is ongeveer 7,8 km / sec voor een lage baan om de aarde; de oppervlaktesnelheid op de evenaar is ongeveer 0,46 km / sec. Dus dat is een behoorlijk grote hoeveelheid snelheid om af te werpen: ongeveer 7,3 km / sec.
Merk ook op: Kittinger en Baumgartner hadden een relatieve snelheid van bijna nul vanwege het gebruik van een lichter dan luchtvoertuig. Elke snelheid lager dan ongeveer 0,1 km / s is een non-issue - 360 km / u is niet zo'n groot probleem, en de drogue kan veel meer aan dan dat.

²: Dat is het punt terwijl je nog steeds boven oppervlaktesnelheid, maar toch onder de omloopsnelheid.

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

Als ik de vraag goed lees, is dit een vraag over hoe moeilijk de technische uitdagingen zijn.

Gezien de gegevens in de vraag zelf (verbazingwekkend nuttig) is de echte vraag: voorkomen dat de persoon die je laat vallen wordt verpletterd / vlam vat. Ik geloof dat de luchtdichtheid en de geest van de vraag effectief parachutespringen op grote hoogte verhinderen. Je ruimtespringer zal een tijdje een vrije val maken, vertragen als ze de atmosfeer raken, dan vermoedelijk een traditionele parachute openen (met traditionele eindsnelheid) en veilig landen.

De atmosfeer raken na een vrije val als je zijn een klinkende raket of een persoon is niet fataal (door verplettering), zij het onaangenaam. 5 g is volledig te overleven, zelfs zonder tegenmaatregelen.

Dus dat laat ademhalingsproblemen (niet te moeilijk, alleen wat zuurstof) en verwarmingsproblemen door luchtcompressie. Het ontwerp van hitteschilden is eigenlijk bedoeld om de luchtweerstandscoëfficiënt te maximaliseren en de warmtebelasting te minimaliseren, dus als je bereid bent om een ​​ glijbaan van keramische composieten mee te nemen om de lucht uit de weg, zeker. (Kan op je rug worden vastgebonden. Stel je een ninjaschildpad voor die op zijn rug ligt met de benen en armen recht omhoog gericht) Als je met je hoofd naar de stijl van Captain Kirk wilt duiken, heb je meer nodig dan alleen een kijkvenster. Het is misschien mogelijk, maar het zou niet veilig zijn.

Als je echter waardigheid wilt opofferen, kan het liggen op je rug met een aeroshell, naar mijn mening, een heel praktische manier zijn om van geostationair te vallen. baan.

Je eerste en tweede alinea laten zien waar de vraag over gaat :-) Bedankt voor het antwoord en welkom op deze plek. Ik zou parachutes op grote hoogte niet helemaal uitsluiten. Er is goed materiaal, dat werkt bij hoge snelheden en in dunne atmosferen - zie de laatste Mars-landingen. Uw verklaring is vergelijkbaar met wat mijn intuïtie mij vertelt. Welnu, het is intuïtie, dat is het punt. Maar is er ooit onderzoek naar gedaan? Heeft iemand een aantal echte cijfers in computers ingeslagen of wat ontworpen of getest?


Deze Q&A is automatisch vertaald vanuit de Engelse taal.De originele inhoud is beschikbaar op stackexchange, waarvoor we bedanken voor de cc by-sa 3.0-licentie waaronder het wordt gedistribueerd.
Loading...