Pregunta:
¿Qué tan posibles son los 'saltos espaciales'?
s-m-e
2013-07-20 02:32:55 UTC
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¿Has visto la primera de las dos nuevas películas de Star Trek? Kirk (Chris Pine), Sulu (John Cho) y una camisa roja realizan algo realmente asombroso en esta película: saltan del espacio a un planeta, básicamente solo protegidos por un traje.

Mi pregunta (s): ¿Es posible un salto desde el espacio real a la Tierra? Si es así, ¿cómo? ¿Cuáles son los problemas reales relacionados con él? ¿Se ha investigado alguna vez? En caso afirmativo, ¿cuál fue el resultado?

Asumamos dos escenarios para mi pregunta. Un salto desde el borde real del espacio a 100 km de altitud y otro salto desde 400 km , la altitud aproximada de la ISS. Ambos saltos ocurren desde posiciones fijas con respecto a la superficie de la Tierra ( no desde una órbita, de causa). Imagínese a alguien haciendo un salto base desde una torre gigantesca.

La intuición me dice que la desaceleración rápida una vez en lo profundo de la atmósfera ni siquiera sería el problema. El problema debería provenir del calor causado por la fricción y su "eliminación", aunque no estoy seguro de eso.

Dando un poco de contexto a esta cuestión, en primer lugar, estaba el Proyecto Excelsior, en el que Joseph Kittinger hizo saltos similares, entre ellos uno desde una altitud de 31,33 km. , en 1960. Se produjeron más saltos de este tipo en los proyectos Red Bull Stratos, durante los cuales Felix Baumgartner saltó desde una altitud máxima de 38,97 km en 2012. Ambos proyectos incluían saltos desde el interior de la atmósfera terrestre por definición, para ser más precisos desde la estratosfera. Aunque, ambos paracaidistas experimentaron una fase bastante larga de caída libre virtual antes de "golpear" la "atmósfera", como la describieron.

Hace un tiempo tuve que lidiar con cohetes sonoros . Directo hasta unos 100 km en vuelo motorizado e inmediatamente hacia abajo de nuevo en caída libre . Las mediciones de temperatura en la capa exterior indicaron un máximo de aproximadamente 250 ° C +/- 50K en el reingreso, aunque las temperaturas ya habían alcanzado aproximadamente 70 ° C en el apogeo debido al viaje a alta velocidad hacia arriba. Busqué un ejemplo en términos de velocidad y desaceleración en el camino hacia abajo e hice un diagrama, aquí está:

free fall from 87 km and (re-) entry

Es solo desde 87 km, pero debería funcionar. El objeto era un cilindro, de unos 2,5 m de longitud y 0,3 m de diámetro, que pesaba algo menos de 100 kg (el peso y las dimensiones son ligeramente similares a un cuerpo humano). Sí, cayó. Puede ver la apertura del paracaídas a unos 6 km. La desaceleración máxima en el camino hacia abajo fue de aproximadamente 5,5 G , dentro de los límites para que sobreviva un humano. Incluye el único G, que experimentas aquí en la superficie de la Tierra. Tenga cuidado con los datos por encima de los 60 km: son datos de GPS, que apestan a gran altitud y altas velocidades verticales. Si alguien está interesado, los cohetes fueron mejorados Oriones.

Gran pregunta. Siempre he pensado que el caso de hacer esto desde una órbita era particularmente interesante. Alguna cantidad mínima de impulso de desorbitación aplicada a un traje de reingreso personal. Los Starship Troopers de Heinlein se dieron cuenta.
En realidad, el calor durante la reentrada no es causado por fricción, es causado por compresión.
Es horrible cómo la gente simplemente c & p números como "10 km", etc. ¡Trace basado en datos reales agregados a la pregunta!
Sobre un tema relacionado, hay [esta pregunta sobre la construcción de mundos] (http://worldbuilding.stackexchange.com/questions/27925/skydiving-from-a-space-station/27940#27940).
La caída libre récord mundial es actualmente de 128 km: https://www.youtube.com/watch?v=FHtvDA0W34I
@MagicOctopusUrn Felix Baumgartner saltó desde 128k * pies *, es decir, 39 km;) También mantuvo el récord solo durante dos años: el poseedor del récord actual es Alan Eustace. Saltó desde 136k pies, un poco más de 41 km.
@s-m-e ¿quién diablos mide la distancia en miles de pies? Perdona mi francés. Pero sí, bastante justo; Vi 128k y supuse km ...
Cinco respuestas:
#1
+30
Rory Alsop
2013-07-20 03:45:43 UTC
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De esta pregunta sobre Física. SE:

Pero aparte de eso, no hay ninguna razón por la que un hombre no pueda ser lanzado desde detrás de Júpiter, haz un bucle de desaceleración alrededor de la Luna, luego en espiral hacia la Tierra ... dado un traje maravilloso que resistirá la entrada atmosférica.

De esta pregunta sobre Felix Baumgartner:

Tenga en cuenta que incluso si saltara desde el "infinito", solo alcanzaría la velocidad de escape que es de 11.200 m / s para la Tierra, al igual que los meteoroides más lentos. Supongo que un traje suficientemente bueno (y refrigerado) inspirado en los cohetes de la NASA podría ser capaz de proteger a un humano contra velocidades tan relativas, aunque para superficies genéricas, es casi seguro que comenzarían a arder en la superficie.

Sin embargo, no sería agradable reducir la velocidad de la atmósfera. ;-) Verá que si reduce la velocidad uniformemente de 10 km / sa 0 km / s mientras vuela a través de 10 km de la atmósfera, la penetración a través de la atmósfera tarda unos 2 segundos. Sin embargo, pasar de 10 km / sa 0 km / s en dos segundos significa que la deceleración es de 5000 m / s / so 500 g. Supongo que ni siquiera él podría sobrevivir a eso. ;-)

Entonces, la información interesante que obtengo de esos dos es que tu trayectoria será clave. No podía caer directamente, así que al igual que el transbordador espacial, necesitará tener una trayectoria de planeo larga. Esto le dará una menor fricción, lo que conducirá a una menor carga g y temperaturas más bajas. Obviamente, entonces necesitará más aire almacenado, ya que esto podría llevar algo de tiempo y posiblemente un material ablativo más grueso en su traje (no tengo números sobre esto, pero si bien las temperaturas pueden ser un poco más bajas, todavía tendrá extirpar para proteger el contenido del traje)

Es posible que necesite winglets u otras superficies de control para manejar esta pendiente de planeo.

De hecho, estaría mejor con una cápsula ...

Gracias por la respuesta. Bueno, las cápsulas son aburridas y Kirk no tiene winglets :-) Estoy preguntando acerca de un "simple" salto en paracaídas con un traje desde una posición estática, hacia abajo.
@ernestopheles: En ese caso, la respuesta es NO. Te golpeas contra capas de aire más gruesas. Necesitas bajar en espiral, reduciendo tu órbita gradualmente.
@SF. Agregué una trama a la pregunta hace un tiempo. No lo llamaría * splat *. La desaceleración se acumula con bastante suavidad hasta un nivel de supervivencia. Estoy ocupado buscando algunos datos de una caída de 400 km. Debería verse similar, con un pico de desaceleración ligeramente mayor.
@ernestopheles: 360 km de caída libre sobre la atmósfera te llevarían a unos 2650 m / s. Luego, en los próximos 25 km más o menos, perdería casi toda esta velocidad. Eso es alrededor de 14 g * en promedio * durante ese período. Puede estar bastante seguro de que la aceleración máxima sería considerablemente más alta, y AFAIR, 8g se puede sobrevivir "sostenido", 12g en pulsos cortos, 14g causa lesiones significativas ... En su caso, la desaceleración promedio en esos 25km críticos es 1.6g, pico - 5.5 , puede esperar proporciones similares aquí, estimación aproximada - 48 g, que definitivamente cumple con la definición de "splat".
@SF. Bastante justo, esto básicamente descarta el escenario de 400 km. Si desea compilar esto en una respuesta adecuada y sistemática ...
@Rory Nuestro equipo médico apoyó a RBS y publicó un artículo sobre nuestro enfoque del mayor riesgo; exposición sostenida a -Gz en giro plano: Pattarini, James M., et al. "Giro plano y Gz negativo en caída libre a gran altura: fisiopatología, prevención y tratamiento". Medicina de la aviación, el espacio y el medio ambiente 84.9 (2013): 961-970.
#2
+17
PearsonArtPhoto
2013-07-20 04:50:44 UTC
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Si bien la respuesta de Rory es cercana, permítame darle algunos detalles adicionales.

  1. La velocidad orbital es de aproximadamente 7.8 km / s en la órbita terrestre baja.
  2. Si usted están orbitando, no caerá hacia abajo. Simplemente no sucederá. De hecho, la velocidad máxima resultaría de una combustión mínima, que lo llevaría a través de la atmósfera con bastante lentitud.
  3. Comenzará a disminuir la velocidad hasta una extensión de alrededor de 50 km de altura, que es donde el reingreso realmente comienza.

Entonces, hay 2 escenarios que deben discutirse.

  1. El enfoque directo: piense en el récord de caída libre de Felix Baumgartner de 39 kilómetros ( 24 millas), pero a unos 500 km de altura.
  2. El acercamiento lento- Esto sería más como el transbordador espacial.

El acercamiento directo hacia abajo- De alguna manera estás en una estación espacial y necesitas abortar. Solo tienes un cohete y no una nave espacial. Entonces disparas lo suficiente para detener tu velocidad orbital y caes hacia abajo. Esta secuencia de eventos es bastante improbable, por cierto.

Es probable que su velocidad máxima sea de unos 2000 m / segundo. Digamos que golpea la atmósfera a 10 km, eso le daría un tiempo para desacelerar de 10 segundos. Eso es aproximadamente 20 g de aceleración, no lo suficiente para matarte, pero no sería una experiencia agradable.

En la segunda, solo estás cayendo ligeramente verticalmente. Tu fuerza G no sería más que la del transbordador espacial. Presumiblemente, si pudieras diseñar el traje correctamente, funcionaría, pero probablemente sería extremadamente pesado y arriesgado.

En resumen, creo que se podría hacer en cualquier caso, pero sería bastante peligroso. La parte más difícil sería iniciar la maniobra de desorbitación y construir el traje de la manera correcta.

Es mucho más probable la capacidad de sobrevivir a un lanzamiento abortado, como el Challenger. Puede que vayas muy rápido o muy alto, pero es más probable que este tipo de cosas sucedan dentro de la atmósfera, lo que te ralentiza considerablemente.

De nuevo, gracias por la respuesta. En realidad, no estoy preguntando cómo uno podría ponerse en posición para tal salto o la probabilidad de que ocurra. No estoy pidiendo desorbitar. Puedo introducir algunos números en mi calculadora, ignorar la resistencia atmosférica (por encima de '10 km') y llegaré a algo así como 2.000 m / s. Pero de alguna manera no responde a mi pregunta. Intuitivamente, los saltos descritos en mi pregunta pueden funcionar de alguna manera, con suerte podemos estar de acuerdo en eso, al menos desde el "verdadero" borde del espacio. Entonces esta respuesta es demasiado fácil.
@ernestopheles: Yo diría que sí respondo a la pregunta. Saltar desde LEO es lo más alto que podría imaginarme a alguien saltando, por lo que debería darte un lugar bastante decente para comenzar.
#3
+13
Mark Adler
2013-08-26 11:45:45 UTC
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Seguro. Por qué no. Por supuesto, querrás algún tipo de protección contra el calor.

Skysurfing human weight-shift steered entry vehicle

O este diseño más práctico:

Paracone

O este concepto anterior, menos convincente:

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

Parece la caída de una torre de $ 100 \, km $ se puede sobrevivir en términos de G. Supuse una persona de $ 100 \, kg $ y un escudo térmico de $ 2 \, m $, $ 100 \, kg $ y otros equipos. Suponiendo un cuerpo romo $ C_D $, obtengo un coeficiente balístico de aproximadamente $ 40 {kg \ sobre m ^ 2} $. Al integrar esa caída a través de una atmósfera estándar con la gravedad que varía adecuadamente con la altitud, obtengo una velocidad máxima de $ 900 \, {m \ over s} $, y una aceleración máxima de $ 2.8 \, G $.

El caer desde una torre de $ 400 \, km $ es problemático. Entonces, la velocidad máxima es $ 2400 \, {m \ over s} $, con una aceleración máxima de $ 16 \, G $. Para una entrada balística, realmente no se puede obtener muy por debajo de $ 14 \, G $, a un $ C_D $ óptimo de aproximadamente $ 7 {kg \ sobre m ^ 2} $ (un escudo térmico mucho más grande). Quizás con un poco de elevación podría mitigar las fuerzas G, pero entonces la caída ya no sería hacia abajo.

Buena respuesta, gracias. Las matemáticas son realmente interesantes. Sus resultados para el escenario de 100 km están en el mismo orden de magnitud que lo que vi con los cohetes sonando. Me hace pensar que sus resultados para el escenario de 400 km también son correctos, lo que lo hace prácticamente imposible ...
Olvidé mencionar que hay que agregar $ 1 \, G $ a la aceleración real para obtener lo que sentirá el desafortunado ocupante. Por tanto, las aceleraciones a tolerar son $ 3.8 \, G $ y $ 17 \, G $ respectivamente.
Parece que el segundo tipo está entrando en una papa.
#4
+10
aramis
2013-07-24 14:14:53 UTC
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La ciencia ficción ha mostrado varias posibilidades interesantes para sobrevivir a la reentrada, en particular, un traje que tiene una alta carga térmica o un escudo ablativo que uno baja.

El hecho de la ciencia tiene aún más posibilidad interesante: el modo volante. Inspirado en un volante de bádminton, Scaled Composites lo usa como modo de reentrada para las naves espaciales SS1 y SS2; SS1 se elevó a un nivel en el que la atmósfera ya no era útil para afectar la actitud de la nave.

Se podría usar un sistema de paletas extensibles para generar un volante volante; una espuma de alta expansión o gas en la tubería enrollada podría generar un efecto de caída grande y agradable y evitar que los niveles de fricción alcancen un peligro térmico para el astro-paracaidista adecuado.

El problema es que no ingresa a una velocidad suficiente para dañar el drogue y / o astro-paracaidista. Y eso es un problema de desorbita.

Del mismo modo, el escudo inflable Aerobraking ejemplificado en 2010: Odyssey 2 de A.C. Clark es de una propuesta real a la NASA (por Clark, si mal no recuerdo). La NASA finalmente pudo probar la idea en 2012... IRVE-3 pasó las pruebas iniciales hace aproximadamente un año - julio de 2012.

Una combinación de un escudo inflable para el la porción de alta velocidad², y luego el volante se lanza después de reducir la velocidad lo suficiente como para no ser herido por la atmósfera misma, y ​​finalmente un paracaídas para el aterrizaje final podría hacer que un salto de LEO o incluso GTO sea sobrevivible. Aún es dudoso que la plataforma tenga o no un peso práctico como sistema de escape, pero la tecnología existe.


¹: Teniendo en cuenta que la velocidad, en este caso, es puramente relativa a la atmósfera. La velocidad orbital es de aproximadamente 7,8 km / s para la órbita terrestre baja; la velocidad de la superficie en el ecuador es de aproximadamente 0,46 km / seg. Así que es una cantidad considerable de velocidad para perder: alrededor de 7,3 km / seg.
Nota también: Kittinger y Baumgartner tenían una velocidad relativa cercana a cero debido al uso de un vehículo más ligero que el aire. Cualquier velocidad por debajo de aproximadamente 0,1 km / s no es un problema: 360 km / h no es un gran problema, y ​​el drogue puede manejar más que eso.

²: Ese es el punto mientras aún está arriba velocidad de superficie, pero por debajo de la velocidad orbital.

#5
+10
Jeremy Kemball
2013-07-30 02:36:25 UTC
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Si leo la pregunta correctamente, esta es una pregunta sobre cuán difíciles son los desafíos de ingeniería.

Dados los datos de la pregunta en sí (increíblemente útil), la pregunta real es evitar que la persona a la que estás dejando sea aplastada / incendiada. Creo que la densidad del aire y el espíritu de la pregunta impiden un paracaidismo eficaz a gran altura. Tu saltador espacial caerá libremente durante algún tiempo, desacelerará cuando golpee la atmósfera, luego, presumiblemente, abrirá un paracaídas tradicional (a la velocidad terminal tradicional) y aterrizará de manera segura.

Golpear la atmósfera después de la caída libre si son un cohete o una persona que no es fatal (por aplastamiento), aunque desagradable. Con 5 g se puede sobrevivir por completo, incluso sin contramedidas.

Eso deja problemas de respiración (no muy difícil, solo algo de oxígeno) y de calentamiento por la compresión del aire. El diseño de los escudos térmicos es en realidad para maximizar el coeficiente de arrastre y minimizar la carga térmica, por lo que si está dispuesto a traer como un tobogán hecho de compuestos cerámicos para empujar el aire fuera del camino, ciertamente. (Podría atarse a la espalda. Imagine una tortuga ninja acostada de espaldas con las piernas y los brazos apuntando hacia arriba) Si quiere zambullirse de cabeza al estilo del Capitán Kirk, tendrá que tener algo más que un visor. Podría ser posible, pero no sería seguro.

Sin embargo, si desea sacrificar la dignidad, acostarse de espaldas con un aeroshell podría, en mi opinión, ser una forma completamente práctica de caer desde el geoestacionario órbita.

Su primer y segundo párrafo aclaran de qué se trata la pregunta :-) Gracias por la respuesta y bienvenidos a este lugar. No descartaría por completo los paracaídas de gran altura. Hay cosas buenas que funcionan a altas velocidades y en atmósferas delgadas; consulte los últimos aterrizajes en Marte. Tu declaración es similar a lo que me dice mi intuición. Bueno, es la intuición, que es el punto. Pero, ¿alguna vez se ha investigado? ¿Alguien ha introducido algunos números reales en computadoras o ha realizado algún diseño o prueba?


Esta pregunta y respuesta fue traducida automáticamente del idioma inglés.El contenido original está disponible en stackexchange, a quien agradecemos la licencia cc by-sa 3.0 bajo la que se distribuye.
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