Что нужно для того, чтобы корабль совершил полет, имитирующий невесомость, без необходимости летать по крутой параболе/эллипсу?

С какой скоростью должен лететь корабль относительно поверхности Земли, чтобы быть невесомым внутри?

Около 15000 узлов.

Астронавты на МКС чувствуют себя невесомыми по отношению к своему кораблю, потому что они «летят» с орбитальной скоростью для своей высоты, которая, как всем известно, составляет «ровно 17500 миль в час».

STS110-353-012 (8-19 апреля 2002 г.) --- Астронавт Эллен Очоа , специалист миссии STS-110, позирует у знаков ограничения скорости в узле Unity на Международной космической станции (МКС ) .

Больше фотографий в этом ответе на вопрос Когда изначально был размещен знак МКС «ОГРАНИЧЕНИЕ СКОРОСТИ 17500 миль в час»?

Круговая орбитальная скорость на расстоянии$a$от Геоцентра приблизительно$\sqrt{GM/a}$где стандартный гравитационный параметр Земли равен 3,986E+14 м ³ /с ² и можно принять$a$быть 6378137 метров плюс высота корабля. Будет небольшая поправка примерно на тысячную долю из-за сжатия Земли (J2), но мы можем это игнорировать.

Таким образом, ваш корабль должен был бы "лететь" на скоростях 7669 и 7844 м/с на высотах 400 и 100 км (на высоте МКС и на линии Кармана ) и 7887 м/с на высоте 100 000 футов, которые варьируются примерно от 14900 до 15300 метров. узлы.

Чтобы получить это относительно поверхности Земли, требуется небольшая поправка менее 10%, потому что скорость вращения Земли на экваторе составляет около 900 узлов, а направление орбиты не указано. Я предполагаю, что под «относительно поверхности Земли» вы имеете в виду фиксированную систему координат Земли с центром на Земле .

Таким образом, хотя ни один из этих вышеперечисленных полетов не достиг космического пространства в соответствии с любым из двух определений, мне интересно, были ли они достаточно быстрыми и высокими, чтобы пилоты могли стать невесомыми на своих самолетах.

Нет. Летать на этих самолетах со скоростью 15 000 узлов в воздухе невозможно , аэродинамический нагрев сожжет их. Возможно, в будущем реактивный самолет сможет достичь такой скорости (см. несколько хороших ответов на вопрос: как будет выглядеть «самолет Кармана», птица или самолет? ), и мы знаем, что настоящие самолеты могут ненадолго подняться на высоту линии Кармана ( Как X-15 контролировал положение над линией Кармана? ), но в настоящее время нет кораблей, которые могут развивать скорость 15 000 узлов или 22,5 Маха и все еще называться самолетами .

Для того, чтобы достичь «невесомости», не нужно достигать определенной скорости, нужно добиться определенного ускорения . Земля притягивается со скоростью примерно 9,8 м/с^2, что означает, что скорость любого падающего объекта увеличивается на 9,8 м/с за каждую секунду падения. Например, мяч, который падает с башни (без учета сопротивления воздуха) и которому требуется три секунды, чтобы коснуться земли, будет двигаться со скоростью около 29,4 м/с, когда он ударится, потому что у него было три секунды, чтобы разогнаться.

Итак, мы, люди, всегда чувствуем гравитационное притяжение Земли и ускорение, которое она «хочет» вызвать. Например, если я нахожусь в лифте, и он ускоряется вверх, я чувствую себя тяжелее. Если лифт ускоряется вверх со скоростью 1 м/с^2, пока не достигнет своей крейсерской скорости, я чувствую гравитацию Земли (9,8 м/с^2) плюс дополнительное ускорение лифта (1,0 м/с^2), поэтому в сумме я я чувствую ~ 11 м / с ^ 2 или 1,1 «G» «гравитации».

Это означает, что для того, чтобы почувствовать себя «невесомым», нужно ускориться в направлении центра Земли со скоростью 9,8 м/с^2, чтобы «уравновесить» обычный гравитационный эффект, который мы ощущаем. Это достигается на любой параболической траектории, так что она включает практически каждый брошенный объект (опять же без учета воздуха). Любой объект, будь то мяч, кирпич или человек, следует траектории полета по параболе, когда его бросают или роняют в области с гравитацией. Например, если я бросаю мяч, как только он покидает мою руку, он больше не препятствует ускорению вниз (из-за силы тяжести) и начинает находиться в свободном падении. Теперь он «невесомый».

Причина, по которой самолеты, имитирующие искусственную гравитацию, поднимаются так высоко, заключается в том, что для постоянного ускорения вниз требуется много вертикального пространства. Вы можете легко подсчитать, если я становлюсь на 9,8 м/с быстрее каждую секунду, скорость быстро начинает увеличиваться. Да, вы можете построить лифт, который на короткое время сделает пассажиров невесомыми, но это будет очень короткая поездка на лифте даже в самом высоком здании.

Дело не столько в скорости, сколько в высоте: там, где атмосферное давление достаточно низкое, чтобы не было сопротивления воздуха, можно дольше оставаться в невесомости без каких-либо ограничений воздуха. По сути, высота, на которой сопротивление воздуха достаточно низкое, поэтому ваша парабола может быть любого размера и где вам не обязательно сразу же падать на Землю.

Это неправильно. Сопротивление воздуха — это только одна из причин, по которой параболы самолетов имеют ограничения. Основная причина в том, что вертикальное ускорение в параболе почти фиксировано (даже на очень больших высотах гравитационное ускорение почти идентично ускорению на поверхности).

Таким образом, чтобы лететь по длинной параболе с этим ограничением, у вас есть только два варианта:

• растянуть параболу очень высоко
• сделайте параболу достаточно широкой, чтобы она не касалась земли (на самом деле это уже не парабола).

Первое невозможно с самолетами, потому что они полагаются на давление воздуха. Когда вы поднимаетесь выше, двигатели не производят достаточной мощности, а крылья не создают достаточной подъемной силы. Почти невозможно летать на высоте 100 км без ракет. А из-за вертикального ускорения удвоение высоты не удваивает время.

Второе невозможно без горизонтальной скорости, упомянутой в других ответах. Это позволяет траектории полета не пересекать земную поверхность.

Мой вопрос: какая скорость / высота / внешнее давление воздуха необходимы для того, чтобы стать невесомым без необходимости летать по крутой параболе?

Скорость 2 м/с, высота 1 м и внешнее атмосферное давление примерно 1 атмосфера прекрасно справятся с этой задачей.

Как ты это делаешь? Найдите ручей, разбегитесь и перепрыгните через него. Это заставит вас почувствовать себя невесомым, хотя и на очень короткое время.

Вы можете подумать: «Я не это имел в виду!» Собственно, это вы и имели в виду. Ощущение невесомости возникает из-за того, что вы находитесь в состоянии свободного падения, то есть из-за того, что на вас не действуют никакие значительные негравитационные силы. Нет абсолютно никакой качественной разницы между прыжком через ручей и нахождением на борту суборбитального космического полета. В обоих случаях вы чувствуете себя невесомыми по одной и той же причине.

Хорошо, но я предполагаю, что вас действительно интересует побыть в невесомости в течение значительного времени и с пологой траекторией полета.

Что ж, добавление высоты увеличит продолжительность невесомости, но сделает траекторию полета более крутой. Добавление скорости приведет к тому, что траектория полета будет казаться более мелкой, и, если скорость составляет значительную часть орбитальной скорости, это также увеличит продолжительность невесомости.

Итак, какая именно скорость и высота вам нужны, чтобы находиться в невесомости в течение значительного времени и чтобы траектория вашего полета была пологой? Ответ полностью зависит от того, что вы считаете «значительным количеством времени» и «неглубокой траекторией полета». Невозможно дать более точный ответ, не имея более точного вопроса.

Это просто дополнение к другим ответам, цель которых - дать фактические формулы, необходимые для решения подобных задач.

Упрощение предположений: я предполагаю, что Земля сферическая, ее плотность зависит только от радиуса и игнорирую ее вращение. Это хорошие допущения первого порядка, но, вероятно, не используйте их, если вы хотите запустить космический корабль на Луну и ожидаете, что он туда доберется.

Отработка ускорения

Итак, предположим, что Земля имеет радиус$R \approx 6371\,\mathrm{km}$и масса$M\approx 5.97\times 10^{24}\,\mathrm{kg}$. И мы предположим, что вещь, которую мы хотим сделать невесомой, имеет массу.$m\ll M$(так, это будет неправильно для Луны).$G$универсальная гравитационная постоянная,$G \approx 6.674\times 10^{-11}\,\mathrm{m^2 N kg^{-2}}$

Итак, объект невесом, если он свободно падает в гравитационном поле Земли. Таким образом, используя Ньютон 2, закон тяготения Ньютона и теорему о оболочках (также благодаря Ньютону!), если объект является высотой$h$над поверхностью получаем

Так это говорит вам, что для того, чтобы чувствовать себя невесомым, на высоте$h$над поверхностью, то вы должны разогнаться к центру Земли с$a = GM/(R + h)^2$. Мы можем посмотреть, как это зависит от высоты. Вот для достаточно малых значений$h$:

А вот для гораздо больших

Таким образом, вы можете видеть, что для значений$h$которые совместимы либо с пребыванием в атмосфере, либо с нахождением на НОО,$a \approx 9.8\,\mathrm{ms^{-1}}$.

Как вы достигаете этого$a$зависит от тебя. Прыжки в воздух — легкое начало.

Круговое движение

Один особенно интересный способ сделать это — попытаться очень быстро двигаться по кругу вокруг Земли. Это интересно, потому что это, в хорошем приближении, то, что делают орбитальные космические аппараты.

Итак, ускорение тела, движущегося с равномерной угловой скоростью$\omega$в радиусе$r$является$a = \omega^2 r$. Его линейная скорость$v = \omega r$& так$a = v^2/r$. Таким образом, для того, чтобы этот объект был невесомым ( т. е. находился на круговой орбите вокруг Земли), мы должны

Так вот с какой скоростью нужно двигаться по круговой орбите на высоте$h$. Опять же, мы можем построить это:

Обратите внимание, что при$h = 200\,\mathrm{km}$,$v \approx 7789\,\mathrm{ms^{-1}} \approx 17,420\,\mathrm{mph}$.

Вот как быстро вы должны двигаться по кругу вокруг Земли, чтобы стать невесомым.

Если у меня будет время позже, я добавлю более общие случаи орбиты.

Вопрос в том, какой минимальной высоты, скорости и внешнего давления/сопротивления воздуха необходимо достичь, чтобы стать невесомым без необходимости толкать штурвал для опускания носа космического самолета.

Сообщается, что люди начинают «правильно» воспринимать линейную гравитацию при 0,007 g. Итак, давайте определим значительную невесомость как менее 0,007 г (и выше минус 0,007 г). 0,007 г — это 0,069 м/с².

Из всех моих атмосферных и космических полетов на Orbiter2016 я могу сделать вывод, что вы должны подняться выше 200 000 футов (61 км) , чтобы на холостом ходу двигателя стать невесомым, не толкая штурвал, а удерживая космоплан в свободном полете, не управляя им. . Акселерометр моего космического корабля показывает гравитацию по осям x, y и z. На высоте более 200 000 футов сила тяжести может упасть ниже 0,069 м/с² (и оставаться выше минус 0,069 м/с²) по всем трем осям при работе двигателя на холостом ходу. Это не обязательно происходит сразукогда вы работаете на холостом ходу, но когда космический самолет достигает определенной скорости нейтрализации, замедления / ускорения или угла. Это также не означает, что вы должны глушить двигатель вашего самолета на высоте 200 000 футов или выше, вы можете глушить его на меньших высотах и ​​позволить самолету свободно парить, преодолев высоту 200 000 футов.

Скорость над этой высотой обычно составляет около 5-5,5 Маха (в 5-5,5 раз больше скорости звука), что на этой высоте составляет путевую скорость около 1-1,1 мили/с или около 1,5-1,8 км/с . Атмосферное давление выше 200 000 футов падает ниже 0,003 фунтов на квадратный дюйм .

Абсолютная невесомость (чтобы все три оси показывали 0,000 м/с²) может быть достигнута на высоте более 54 миль (86,9 км) , а ваша скорость будет составлять около 6,5–7,0 Маха .

Таким образом, согласно очень реалистичному Orbiter 2016, это кажутся минимальными требованиями для достижения невесомости без ручного опускания носа самолета. Для сравнения, космическая граница, определенная США, находится на высоте 264 000 футов (50 миль, 80,47 км), а определенная FAI космическая граница - на высоте 100 км (330 000 футов, 62,14 мили).

Из пяти примеров, приведенных в вопросе, Майк Мелвилл в полете SS1 рейса 14P мог стать невесомым.

Подойдет и просто вертикальное движение, очень частный случай параболического полета. Вам нужно только правильное ускорение, чтобы получить невесомость на короткое время. Подойдет падающая башня с вакуумной трубой, как у Fallturm Bremen .

Падение с высоты 110 м обеспечивает 4,74 секунды невесомости. Использование катапульты с земли удвоит время. Для эксперимента по свободному падению без атмосферного сопротивления вакуумную трубку откачивают.