Questão:
Quão possíveis são os 'saltos espaciais'?
s-m-e
2013-07-20 02:32:55 UTC
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Você viu o primeiro dos dois novos filmes de Star Trek? Kirk (Chris Pine), Sulu (John Cho) e uma camisa vermelha fazem algo realmente incrível neste filme: eles saltam do espaço para um planeta, basicamente protegidos apenas por algum traje.

Minhas perguntas: É possível saltar do espaço real para a Terra? Se sim, como? Quais são os problemas reais relacionados a ele? Já foi pesquisado? Em caso afirmativo, qual foi o resultado?

Vamos assumir dois cenários para minha pergunta. Um salto da verdadeira borda do espaço a 100 km de altitude e outro salto de 400 km , a altitude aproximada da ISS. Ambos os saltos acontecem de posições fixas em relação à superfície da Terra ( não de uma órbita, é claro). Imagine alguém fazendo um salto de base de uma torre gigantesca.

A intuição me diz que a desaceleração rápida, uma vez nas profundezas da atmosfera, nem seria o problema. O problema deve vir do calor causado pela fricção e sua 'eliminação', embora eu não tenha certeza disso.

Para contextualizar esta questão, em primeiro lugar, houve o Projeto Excelsior, no qual Joseph Kittinger fez saltos semelhantes, entre eles um de uma altitude de 31,33 km , em 1960. Outros saltos desse tipo aconteceram nos projetos Red Bull Stratos, durante os quais Felix Baumgartner saltou de uma altitude máxima de 38,97 km em 2012. Ambos os projetos apresentavam saltos de dentro da atmosfera da Terra, por definição, para ser mais preciso da estratosfera. Embora ambos os paraquedistas tenham passado por uma fase bastante longa de queda livre virtual antes de "atingirem" a "atmosfera", como eles descreveram.

Um tempo atrás, tive que lidar com foguetes de sondagem . A direito até cerca de 100 km em voo motorizado e imediatamente a direito novamente em 'queda livre' . As medições de temperatura na camada externa indicaram um máximo de cerca de 250 ° C +/- 50K na reentrada, embora as temperaturas já tivessem atingido cerca de 70 ° C no apogeu por causa da alta velocidade para cima. Eu cavei para um exemplo em termos de velocidade e desaceleração na descida e fiz um gráfico, aqui está:

free fall from 87 km and (re-) entry

É apenas a partir de 87 km, mas deve servir. O objeto era um cilindro, com cerca de 2,5 m de comprimento e 0,3 m de diâmetro, pesando algo menos que 100 kg (peso e dimensões são ligeiramente semelhantes a um corpo humano). Sim, caiu. Você pode ver a abertura do paraquedas a cerca de 6km. O pico de desaceleração no caminho para baixo foi de cerca de 5,5 G , dentro dos limites para um humano sobreviver. Inclui o um G, que você experimenta aqui na superfície da Terra. Tenha cuidado com os dados acima de 60 km - são dados de GPS, o que é péssimo em grandes altitudes e altas velocidades verticais. Se alguém estiver interessado em, os foguetes foram Melhorados Orions.

Ótima pergunta. Sempre achei particularmente interessante fazer isso de uma órbita. Alguma quantidade mínima de impulso de órbita aplicada a um traje de reentrada pessoal. Os soldados da nave estelar de Heinlein perceberam.
Na verdade, o calor durante a reentrada não é causado por atrito, é causado por compressão.
É horrível como as pessoas simplesmente copiam os números como "10km", etc. Plote com base nos dados reais adicionados à pergunta!
Em um tópico relacionado, há [esta questão sobre construção de mundos] (http://worldbuilding.stackexchange.com/questions/27925/skydiving-from-a-space-station/27940#27940).
Atualmente, o recorde mundial de queda livre é de 128 km: https://www.youtube.com/watch?v=FHtvDA0W34I
@MagicOctopusUrn Felix Baumgartner saltou de 128k * pés *, ou seja, 39 km;) Ele também deteve o recorde por apenas dois anos: O detentor do recorde atual é Alan Eustace. Ele saltou de 136k pés, um pouco mais de 41 km.
@s-m-e quem diabos mede a distância em milhares de pés? Desculpe meu francês. Mas sim, é justo; Eu vi 128k e ASSUMEI km ...
Cinco respostas:
#1
+30
Rory Alsop
2013-07-20 03:45:43 UTC
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De esta pergunta na Física.SE:

Mas, além disso, não há razão para que um homem não possa ser arremessado por trás de Júpiter, faça um ciclo lento em torno da Lua, depois espiralar para baixo até a Terra ... dado um traje maravilhoso que irá resistir à entrada atmosférica.

De esta pergunta em Felix Baumgartner:

Observe que mesmo se ele saltasse do "infinito", ele alcançaria apenas a velocidade de escape que é 11.200 m / s para a Terra, assim como os meteoróides mais lentos. Eu acho que um traje bom o suficiente (e resfriado) inspirado nos foguetes da NASA pode ser capaz de proteger um humano contra tais velocidades relativas, embora para superfícies genéricas, eles quase certamente começariam a queimar na superfície.

No entanto, não seria agradável diminuir a velocidade de tais velocidades na atmosfera. ;-) Você vê que se você desacelerar uniformemente de 10 km / s para 0 km / s enquanto voa por 10 km da atmosfera, a penetração na atmosfera leva cerca de 2 segundos. Entretanto, passar de 10 km / s para 0 km / s em dois segundos significa que a desaceleração é de 5000 m / s / s ou 500 g. Eu acho que nem mesmo ele poderia sobreviver a isso. ;-)

Portanto, a informação interessante que recebo desses dois é que sua trajetória será fundamental. Você não poderia cair direto, então, como o ônibus espacial, você precisará ter um longo planador. Isso proporcionará menor atrito, resultando em menor carga G e temperaturas mais baixas. Obviamente, você precisará de mais ar armazenado - pois isso pode levar algum tempo e, possivelmente, um material ablativo mais grosso em seu traje (não tenho números sobre isso, mas embora as temperaturas possam ser um pouco mais baixas, você ainda terá ablate para proteger o conteúdo do traje)

Você pode precisar de winglets ou outras superfícies de controle para gerenciar este declive.

Na verdade - você ficaria melhor com uma cápsula ...

Obrigado pela resposta. Bem, as cápsulas são enfadonhas e o Kirk não tem winglets :-) Estou perguntando sobre um salto de paraquedas 'simples' em um traje de uma posição estática - direto para baixo.
@ernestopheles: Nesse caso, a resposta é NÃO. Você vai se espatifar contra camadas mais espessas de ar. Você precisa descer em espiral, reduzindo sua órbita gradualmente.
@SF. Eu adicionei um enredo à pergunta há um tempo. Eu não o chamaria de * splat *. A desaceleração aumenta suavemente até um nível de sobrevivência. Estou ocupado procurando alguns dados de uma queda de 400 km. Deve ser semelhante, com apenas uma desaceleração de pico ligeiramente mais alta.
@ernestopheles: 360 km de queda livre acima da atmosfera levaria você a cerca de 2650 m / s. Então, nos próximos 25 km, você perderia quase toda essa velocidade. Isso é cerca de 14g * em média * durante esse período. Você pode ter certeza de que o pico de aceleração seria consideravelmente maior, e AFAIR, 8g é "sustentado", 12g em pulsos curtos, 14g causa lesões significativas ... No seu caso, a desaceleração média ao longo desses 25km críticos é 1,6g, pico - 5,5 , você pode esperar proporções semelhantes aqui, estimativa aproximada - 48g, que definitivamente atende à definição de "splat".
@SF. Muito justo, isso basicamente quase exclui o cenário de 400 km. Se você gostaria de compilar isso em uma resposta adequada e sistemática ...
@Rory Nossa equipe médica apoiou o RBS e publicou um artigo sobre nossa abordagem para o maior risco; exposição sustentada a -Gz em rotação plana: Pattarini, James M., et al. "Giro plano e Gz negativo em queda livre em alta altitude: fisiopatologia, prevenção e tratamento." Aviação, espaço e medicina ambiental 84,9 (2013): 961-970.
#2
+17
PearsonArtPhoto
2013-07-20 04:50:44 UTC
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Embora a resposta de Rory esteja próxima, deixe-me dar alguns detalhes adicionais.

  1. A velocidade orbital é de cerca de 7,8 km / s na órbita terrestre baixa.
  2. Se você estão orbitando, você não cairá diretamente. Isso simplesmente não vai acontecer. Na verdade, a velocidade máxima resultaria de uma queima mínima, o que o levaria pela atmosfera bem devagar.
  3. Você começará a diminuir a velocidade em cerca de 50 km de altura, que é onde a reentrada realmente começa.

Portanto, há 2 cenários que devem ser discutidos.

  1. A abordagem direta- Pense no registro de queda livre de Felix Baumgartner de 39 quilômetros ( 24 milhas), mas com cerca de 500 km de altura.
  2. A abordagem lenta - seria mais parecida com o ônibus espacial.

A abordagem direta - De alguma forma, você está em uma estação espacial e precisa abortar. Você só tem um foguete e nenhuma nave espacial. Então você atira o suficiente para parar sua velocidade orbital e cai direto. Esta sequência de eventos é bastante improvável, BTW.

Sua velocidade máxima provavelmente seria em torno de 2.000 m / segundo. Digamos que você atingiu a atmosfera a 10 km, o que lhe daria um tempo para desacelerar de 10 segundos. São cerca de 20g de aceleração, não o suficiente para matar você, mas não seria uma experiência agradável.

No segundo, você está apenas caindo ligeiramente na vertical. Sua força G não seria nada mais do que a do ônibus espacial. Presumivelmente, se você pudesse projetar o traje certo, funcionaria, mas provavelmente seria extremamente pesado e arriscado.

Resumindo, acredito que poderia ser feito em qualquer dos casos, mas seria bastante perigoso. A parte mais difícil seria iniciar a manobra de saída de órbita e construir o traje certo.

Muito mais provável é a capacidade de sobreviver a um lançamento abortado, como o Challenger. Você pode estar indo muito rápido ou alto, mas esse tipo de coisa tem mais probabilidade de acontecer dentro da atmosfera, deixando você consideravelmente mais lento.

Novamente, obrigado pela resposta. Na verdade, não estou perguntando como alguém poderia chegar a uma posição para tal salto ou a probabilidade de isso acontecer. Eu não estou pedindo para sair da órbita. Posso inserir alguns números em minha calculadora, ignorar o arrasto atmosférico (acima de '10 km ') e chegarei a algo como 2.000 m / s. Mas meio que não responde à minha pergunta. Intuitivamente, os saltos descritos na minha pergunta podem funcionar de alguma forma, podemos concordar nisso - pelo menos a partir da 'verdadeira' extremidade do espaço. Portanto, esta resposta é muito fácil.
@ernestopheles: Eu diria que respondo à pergunta. Pular do LEO é o mais alto que eu poderia imaginar alguém pulando, então deve ser um bom lugar para começar.
#3
+13
Mark Adler
2013-08-26 11:45:45 UTC
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Claro. Por que não. Você vai querer algum tipo de escudo térmico, é claro.

Skysurfing human weight-shift steered entry vehicle

Ou este design mais prático:

Paracone

Ou este conceito anterior, menos convincente:

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

Parece que a queda de uma torre de $ 100 \, km $ pode ser sobrevivida em termos de G's. Presumi um escudo térmico de $ 100 \, kg $ pessoa e $ 2 \, m $, $ 100 \, kg $ e outros equipamentos. Assumindo um corpo rombudo $ C_D $, obtenho um coeficiente balístico de cerca de $ 40 {kg \ sobre m ^ 2} $. Integrando essa queda através de uma atmosfera padrão com a gravidade variando adequadamente com a altitude, obtenho uma velocidade máxima de $ 900 \, {m \ over s} $ e uma aceleração máxima de $ 2,8 \, G $.

O queda de uma torre de $ 400 \, km $ é problemática. Então, a velocidade máxima é $ 2.400 \, {m \ over s} $, com uma aceleração máxima de $ 16 \, G $. Para uma entrada balística, você não pode obtê-lo muito abaixo de $ 14 \, G $, em um ótimo $ C_D $ de cerca de $ 7 {kg \ over m ^ 2} $ (um escudo térmico muito maior). Talvez com um pouco de sustentação você pudesse atenuar as forças G, mas a queda não seria mais direta.

Boa resposta, obrigado. A matemática é realmente interessante. Seus resultados para o cenário de 100 km estão na mesma ordem de magnitude do que os que vi com foguetes de sondagem. Isso me faz pensar que seus resultados para o cenário de 400km também estão corretos, tornando-o virtualmente impossível ...
Esqueci de mencionar que você precisa adicionar $ 1 \, G $ à aceleração real para obter o que o infeliz ocupante sentirá. Portanto, as acelerações a serem toleradas são $ 3,8 \, G $ e $ 17 \, G $ respectivamente.
Parece que o segundo cara está entrando novamente em uma batata
#4
+10
aramis
2013-07-24 14:14:53 UTC
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A ficção científica mostrou várias possibilidades interessantes para sobreviver à reentrada, principalmente, um traje que tem uma alta carga térmica ou um escudo ablativo que desce.

O fato científico tem ainda mais possibilidade interessante: o modo peteca. Inspirado por uma peteca de badminton, a Scaled Composites a usa como modo de reentrada para as espaçonaves SS1 e SS2; SS1 subiu para um nível onde a atmosfera não era mais útil para afetar a atitude da nave.

Um sistema de aletas extensíveis poderia ser usado para gerar um drogue peteca; uma espuma de alta expansão ou gás em um tubo enrolado pode gerar um grande efeito drogue e evitar que os níveis de atrito atinjam o perigo térmico para o astro-pára-quedista adequado.

O problema é não entrar a uma velocidade suficiente para danificar o drogue e / ou astro-para-quedista.¹ E isso é um problema de desorbita.

Da mesma forma, o escudo inflável do Aerobraking exemplificado em 2010: Odyssey 2 de A.C. Clark é de uma proposta real para a NASA (por Clark, se bem me lembro). A NASA finalmente começou a testar a ideia em 2012... IRVE-3 passou nos testes iniciais cerca de um ano atrás - julho de 2012.

Uma combinação de um escudo inflável para o porção de alta velocidade², e então a peteca drogues após desacelerar o suficiente para não ser ferido pela própria atmosfera e, finalmente, um pára-quedas para o pouso final poderia fazer um salto de LEO ou mesmo GTO sobreviver. Se o equipamento tem ou não peso prático como sistema de escape ainda é duvidoso, mas a tecnologia existe.


¹: Observando que a velocidade, neste caso, é puramente relativa à atmosfera. A velocidade orbital é de cerca de 7,8 km / s para órbita terrestre baixa; a velocidade da superfície no equador é de cerca de 0,46 km / s. Portanto, essa é uma quantidade considerável de velocidade a perder: cerca de 7,3 km / s.
Também observe: Kittinger e Baumgartner tiveram uma velocidade relativa próxima de zero devido ao uso de um veículo mais leve que o aéreo. Qualquer velocidade abaixo de 0,1 km / s não é um problema - 360 km / h não é um grande problema, e o drogue pode lidar bem com mais do que isso.

²: Esse é o ponto, enquanto ainda está acima velocidade da superfície, mas abaixo da velocidade orbital.

#5
+10
Jeremy Kemball
2013-07-30 02:36:25 UTC
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Se estou lendo a pergunta corretamente, esta é uma pergunta sobre como são difíceis os desafios da engenharia.

Dados os dados da própria pergunta (incrivelmente útil), a verdadeira questão é evitar que a pessoa que você está deixando cair seja esmagada / pegando fogo. Acredito que a densidade do ar e o espírito da questão impedem o paraquedismo eficaz em grandes altitudes. Seu saltador espacial vai cair em queda livre por algum tempo, desacelerar ao atingir a atmosfera, então, presumivelmente, abrirá um paraquedas tradicional (na velocidade terminal tradicional) e pousará com segurança.

Atingindo a atmosfera após queda livre se você são um foguete sonoro ou uma pessoa não é fatal (por esmagamento), embora desagradável. 5 g é completamente sobrevivente, mesmo sem contra-medidas.

Então, isso deixa a respiração (não muito difícil, apenas um pouco de oxigênio) e problemas de aquecimento por compressão de ar. O design dos escudos térmicos é na verdade para maximizar o coeficiente de arrasto e minimizar a carga de calor, então se você estiver disposto a trazer como um tobogã feito de compostos de cerâmica para empurrar o ar fora do caminho, certamente. (Pode ser amarrado às suas costas. Visualize uma tartaruga ninja deitada de costas com as pernas e os braços apontados para cima) Se você quiser mergulhar de cabeça no estilo Capitão Kirk, vai precisar de mais do que apenas um visor. Pode ser possível, mas não é seguro.

No entanto, se você quiser sacrificar a dignidade, deitar de costas com um aeroshell pode, em minha opinião, ser uma maneira inteiramente prática de cair do geoestacionário órbita.

Seu primeiro e segundo parágrafos definem qual é a questão :-) Obrigado pela resposta e bem-vindo a este lugar. Eu não descartaria totalmente os pára-quedas de alta altitude. Há coisas boas, que funcionam em altas velocidades e em atmosferas delgadas - veja os últimos pousos em Marte. Sua declaração é semelhante ao que minha intuição me diz. Bem, é a intuição, que é o ponto. Mas já foi pesquisado? Alguém digitou alguns números reais em computadores ou fez algum projeto ou teste?


Estas perguntas e respostas foram traduzidas automaticamente do idioma inglês.O conteúdo original está disponível em stackexchange, que agradecemos pela licença cc by-sa 3.0 sob a qual é distribuído.
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