Если бы какая-нибудь суперпродвинутая космическая раса смогла бы вырезать астероид правильной формы и запустить его под правильным углом и с нужной скоростью, можно ли было бы «выкинуть» астероид из атмосферы планеты, как если бы вы выкинули камень? поверхность пруда? Насколько большим или маленьким он должен быть, чтобы это работало? Каково было бы воздействие на поверхность планеты? Будет ли это катастрофой или последствия будут минимальными? Можно ли использовать это как оружие?
Чтобы упростить ситуацию, я сосредоточусь на том, что произойдет, если мы попробуем это на Земле, чтобы мне не пришлось беспокоиться о том, как все может измениться в зависимости от атмосферы, размеров планет, гравитации и так далее. При этом, если это не сработает на Земле, какие качества потребуются планете, чтобы это сработало?
Кроме того, ради семантики, мое определение «пропуска» — это астероид, который никогда на самом деле не соприкасается с поверхностью планеты, а не просто проносится сквозь атмосферу планеты по прямой линии, никоим образом не отклоняясь. Астероид должен быть отклонен самой атмосферой, а не планетой, и отскочить под заметным углом.
Это действительно возможно. Однако вам понадобится очень специфическая форма, и вам нужно будет попасть в атмосферу под правильным углом.
Краткое объяснение:
это будет очень похоже на плоский камень, брошенный на спокойную поверхность озера. Оно отскочит.
Длинное объяснение, связанное с физикой: (надеюсь, вы понимаете основы орбитальной механики)
Это сложнее, чем озеро. Когда тело входит в атмосферу, оно начинает создавать аэродинамические силы, в основном подъемную силу и сопротивление. При нормальных обстоятельствах сопротивления достаточно, чтобы замедлить объект настолько, что он не может летать сам по себе. Если он входит под небольшим углом и имеет хорошую форму, создаваемой им подъемной силы будет достаточно, чтобы поднять его вверх и постепенно вытолкнуть из атмосферы.
Однако на этом дело не заканчивается: сопротивление подействовало на объект, возможно, замедлив его. Это означает, что он больше не имеет орбитальной скорости и возвращается обратно на Землю. Пропуск затем повторяется до тех пор, пока он не летит достаточно быстро, чтобы создать достаточную подъемную силу.
Однако если вы бросите астероид достаточно сильно и попадете в атмосферу под небольшим углом (представьте себе сильно эксцентричную эллиптическую орбиту с перицентром прямо на краю атмосферы), он отскочит и изменит свою траекторию.
Однако изменения будут не слишком большими. Не то чтобы он отскакивал в открытый космос, скорее перицентр поднимался (или опускался, в зависимости от угла) на несколько километров.
Поскольку никто другой не упомянул об этом, это не только может произойти, но и произошло. 10 августа 1972 года. Поскольку интернета тогда не было, новостные статьи об этом не обязательно доступны, но вот несколько разумных ссылок:
TL;DR: Наконец-то мой многолетний опыт работы в космической программе Kerbal окупился. Это возможно сделать, но мало что даст по сравнению с просто пролетом сквозь атмосферу.
Как упоминает @TimB, вы не можете «пропустить» астероид из атмосферы точно так же, как вы бы пропустили что-то с поверхности пруда. Однако вы можете использовать атмосферу, чтобы изменить свою траекторию и произвести «отскок».
Чтобы получить представление о том, как этот эффект будет работать, давайте забудем о планетах и орбитах и на данный момент поработаем с бесконечной плоской плоскостью с однородным гравитационным полем. Даже если вы выстрелите из него с большой горизонтальной скоростью, он в конечном итоге просто упадет. Добавьте атмосферы, и к концу все немного замедлится.
Однако если вместо астероида вы используете планер, у вас есть варианты. Самый простой — подтянуться, что при благоприятных обстоятельствах снова выведет вас из атмосферы, но с меньшей скоростью. Вы можете повторить этот процесс, но в конце концов вы просто соскользнете вниз. Мы можем сделать что-то подобное с астероидом соответствующей формы.
К планетам сейчас. Мы не будем делать никаких «рогаток» или «гравитационных ассистентов», так как они на самом деле не требуют атмосферы и в любом случае не работают в системах с двумя телами.
Что происходит, когда сферический астероид проходит достаточно близко к планете, чтобы погрузиться в атмосферу (но не настолько близко, чтобы столкнуться с планетой), так это то, что он немного замедляется, теряя скорость (и, следовательно, энергию) из-за аэродинамического сопротивления. Это меняет свою орбиту; выполнение этого намеренно называется «аэроторможением», а если орбита переходит от гиперболической (т. Е. Ускорения обратно в космос) к эллиптической, это называется «аэрозахват». Строго говоря, это не "спрыгивание", поскольку вас отбрасывает не атмосфера, а уносит вас орбитальная механика.
Теперь нужно понять, что ваша орбита в любой заданной точке полностью определяется вашим положением относительно тела, вокруг которого вы вращаетесь, и вашей скоростью относительно того же тела. Аэродинамическое торможение изменяет вашу скорость, как правило, просто за счет торможения, что приводит к укорочению вашей большой полуоси (переводя вас на «более низкую орбиту») и некоторому снижению периапсиса, поскольку как горизонтальная скорость, так и вертикальная скорость затронуты в равной степени.
На этом этапе, используя крылья (а золотое правило проектирования самолетов говорит нам, что при таких скоростях все является крылом), вы можете сделать сопротивление асимметричным, получив то, что мы называем «подъемной силой». Обратите внимание, что вы не можете получить энергию таким образом, единственное, что происходит, это то, что вы обмениваете часть своей скорости, чтобы изменить направление остальной ее части. Вы можете воспользоваться этим, чтобы изменить высоту вашего периапсида (и, следовательно, эксцентриситет вашей орбиты) или изменить плоскость, но при этом вы потеряете энергию.
Если у вас есть управляемая аэродинамическая форма, вы можете воспользоваться атмосферой планеты, чтобы изменить свою траекторию без затрат топлива. Капсулы Apollo (IIRC) воспользовались этим; Имея центр масс, слегка смещенный в сторону от геометрического центра капсулы, они будут немного унесены в сторону в атмосфере и смогут вращать капсулу вдоль, чтобы получить некоторые ограниченные полномочия управления.
Я воспользовался этим трюком, чтобы удерживать периапсис лунного посадочного модуля в верхних слоях атмосферы во время нескольких пролетов с аэродинамическим торможением при возвращении с Луны, что позволило мне плавно замедлить скорость и встретиться с космической станцией на орбите Кербина с минимальными затратами. в пропелленте.
Можно ли использовать это как оружие? Может быть. Энергия, затрачиваемая на эти маневры, проявляется в виде ударного нагрева и обычно поглощается находящимся на орбите телом, поэтому воздействие на планету ограничено. Но что, если этого было достаточно?
Возникает вопрос, сколько энергии потребляет этот маневр. Мы можем получить ответ из уравнения энергии vis-viva . Беря начальную орбиту и вычисляя энергию (умноженную на массу астероида), мы получаем максимальную энергию, которую мы можем выделить, сходя с орбиты (читай: врезавшись в планету). Разница между энергией этой орбиты и новой орбиты заключается в том, сколько энергии было затрачено/выделено.
Для планет земного типа простое достижение космической скорости по сравнению с сидением на поверхности дает вам энергию что о энергия тротила. На первый взгляд впечатляет, но по большому счету не очень, особенно если учесть, что вы тратите лишь крошечную часть этой энергии (скольким бы вы ни были готовы пожертвовать, чтобы не упасть), большая часть ее будет поглощена. по астероиду.
Возможно, лучшим использованием этой возможности было бы просто сбросить несколько кинетических ударников (таких как вольфрамовые стержни), чтобы нанести некоторый урон, а затем использовать планетарную атмосферу для точной настройки траектории к следующей цели.
Да, и, поскольку вы спрашивали о форме астероида: он, вероятно, в конечном итоге будет отдаленно напоминать космический шаттл, если вы захотите оптимизировать, но если вы не погрузитесь слишком глубоко, подойдет любая форма с асимметричным сопротивлением или поверхностями управления, хотя и с меньшей эффективностью.
Хотя межгород не ошибается, я скептически отношусь к тому, что вы могли бы заставить его работать в реальности. Есть большая разница между атмосферой и озером. В частности, озеро имеет твердую переходную поверхность, на которой вы можете использовать поверхностные эффекты, чтобы пропустить камень.
Атмосфера не имеет таких эффектов, и очень трудно представить себе ситуацию, в которой вы могли бы создать достаточную подъемную силу, чтобы противодействовать сопротивлению прохождения через атмосферу. Погружение в атмосферу — отличный способ сбросить скорость и называется аэродинамическим торможением, но при этом он вас замедлит.
Единственная похожая вещь называется гравитационная поддержка , которая, по сути, пропускает планету, но использует для этого гравитацию, а не атмосферу.
Не только возможно, это происходит постоянно. Вот твит, показывающий это в действии, от сентября 2020 года:
https://twitter.com/meteordoc/status/1308553949255999489
В space.se есть аналогичный вопрос: как работает пропуск атмосферы?
И лучший ответ содержит этот интересный лакомый кусочек:
Однако для «выпрыгивания» из атмосферы не требуется подъемной силы, поскольку, в отличие от видимой поверхности пруда, атмосфера искривлена. Все, что на самом деле имелось в виду в случае входа с пропуском, это то, что угол траектории входа был недостаточно крутым, чтобы предотвратить повторный выход объекта за пределы атмосферы. Траектория полета баллистического скипа не изгибается, как у прыгающего камня. Он все еще изгибается вниз. Однако радиус кривизны больше, чем радиус кривизны атмосферы, поэтому она уходит обратно в космос.
(...)
Пропускные входы также можно использовать для распределения общей тепловой нагрузки входа на несколько проходов, обеспечивая охлаждение между проходами. Подход с аэродинамическим торможением, используемый несколькими орбитальными аппаратами Марса , является крайним примером многих пропусков на большой высоте.
Обязательно проверьте последнюю ссылку, так как она показывает, как мы, люди, использовали этот эффект в инженерном подвиге.
храповик урод
Фростфайр
Сайрус
Анафема
храповик урод
возможноСерьезный
Таймир