Насколько возможны «космические прыжки»?

Из этого вопроса на Physics.SE:

Но кроме этого, нет никакой причины, по которой человек не мог бы броситься из-за Юпитера, сделать петлю с замедлением вокруг Луны, а затем по спирали спуститься к Земле... при наличии какого-нибудь чудесного костюма, который выдержит вход в атмосферу.

Из этого вопроса о Феликсе Баумгартнере :

Обратите внимание, что даже если бы он прыгнул из «бесконечности», он достиг бы только скорости убегания, которая для Земли составляет 11 200 м / с, как и самые медленные метеороиды. Я предполагаю, что достаточно хороший (и охлаждаемый) костюм, вдохновленный ракетами НАСА, мог бы защитить человека от таких относительных скоростей, хотя для обычных поверхностей они почти наверняка начали бы гореть на поверхности.

Однако тормозить с таких скоростей в атмосфере было бы не очень приятно. ;-) Вы видите, что если равномерно замедлиться с 10 км/с до 0 км/с при полете через 10 км атмосферы, проникновение через атмосферу занимает около 2 секунд. Однако разгон с 10 км/с до 0 км/с за две секунды означает, что замедление составляет 5000 м/с/с или 500 g. Я думаю, что даже он не смог бы пережить это. ;-)

Итак, интересная информация, которую я получил от этих двоих, заключается в том, что ваша траектория будет ключевой. Вы не можете зайти прямо, поэтому, как и в случае с космическим шаттлом, вам понадобится длинная глиссада. Это уменьшит трение, что приведет к более низкой перегрузке и более низким температурам. Очевидно, вам понадобится больше хранимого воздуха, так как это может занять некоторое время, и, возможно, более толстый абляционный материал на вашем костюме (у меня нет цифр по этому вопросу, но, хотя температура может быть немного ниже, у вас все равно будет удалить, чтобы защитить содержимое костюма)

Вам могут понадобиться винглеты или другие управляющие поверхности, чтобы управлять этим глиссадным уклоном.

На самом деле - лучше бы с капсулой...

Хотя ответ Рори близок, позвольте мне дать несколько дополнительных деталей.

1. Орбитальная скорость около 7,8 км/с на низкой околоземной орбите.
2. Если вы находитесь на орбите, вы не упадете прямо вниз. Этого просто не будет. На самом деле, максимальная скорость будет результатом минимального горения, которое пронесет вас через атмосферу довольно медленно.
3. Вы начнете замедляться примерно на высоте около 50 км, где действительно начинается повторный вход.

Итак, есть 2 сценария, которые следует обсудить.

1. Прямой подход вниз. Вспомните рекорд свободного падения Феликса Баумгартнера: 39 километров (24 мили) , но около 500 км в высоту.
2. Медленный подход. Это больше похоже на космический шаттл.

Подход прямо вниз. Каким-то образом вы оказались на космической станции, и вам нужно прерваться. У вас есть только ракета, а не космический корабль. Таким образом, вы стреляете достаточно, чтобы остановить свою орбитальную скорость и падать прямо вниз. Такая последовательность событий довольно маловероятна, кстати.

Ваша максимальная скорость, вероятно, будет около 2000 м/сек. Допустим, вы попали в атмосферу на расстоянии 10 км, что дало бы вам время для замедления 10 секунд. Это около 20 g ускорения, недостаточно, чтобы убить вас, но это не будет приятным опытом.

Во втором вы лишь слегка падаете вертикально. Твоя сила тяжести будет не больше, чем у космического челнока. Предположительно, если бы вы могли правильно спроектировать костюм, он бы работал, но, вероятно, был бы чрезвычайно тяжелым и рискованным.

В итоге, я считаю, что это можно было бы сделать в любом случае, но это было бы довольно опасно. Самым трудным было бы начать маневр по сходу с орбиты и правильно собрать скафандр.

Гораздо более вероятно, что удастся пережить прерванный запуск, как, например, у «Челленджера». Вы можете двигаться очень быстро или высоко, но такие вещи чаще всего происходят внутри атмосферы, значительно замедляя вас.

Конечно. Почему бы и нет. Конечно, вам понадобится какой-нибудь теплозащитный экран .

Или этот более практичный дизайн :

Или эта более ранняя, менее убедительная концепция :

Похоже на падение с$100\,km$башня живучая с точки зрения перегрузок. я предположил$100\,kg$человек и$2\,m$,$100\,kg$теплозащита и другое оборудование. Предполагая тупое тело$C_D$, я получаю баллистический коэффициент около$40{kg\over m^2}$. Интегрируя это падение в стандартной атмосфере с гравитацией, правильно меняющейся с высотой, я получаю максимальную скорость$900\,{m\over s}$, а максимальное ускорение$2.8\,G$.

Падение с$400\,km$башня проблемная. Тогда максимальная скорость$2400\,{m\over s}$, с максимальным ускорением$16\,G$. Для баллистического входа вы не можете получить его намного ниже$14\,G$, в оптимум$C_D$около$7{kg\over m^2}$(значительно больший теплозащитный экран). Возможно, с некоторым подъемом вы могли бы смягчить силу перегрузки, но тогда падение больше не было бы прямо вниз.

Если я правильно понимаю вопрос, это вопрос о том, насколько сложны инженерные задачи.

Учитывая данные в самом вопросе (удивительно полезные), реальный вопрос заключается в том, чтобы уберечь человека, которого вы бросаете, от раздавливания / возгорания. Я считаю, что плотность воздуха и дух вопроса мешают эффективному прыжку с парашютом на большой высоте. Ваш космический прыгун будет какое-то время свободно падать, замедляться при столкновении с атмосферой, затем, предположительно, открывать традиционный парашют (с традиционной предельной скоростью) и благополучно приземляться.

Попадание в атмосферу после свободного падения, если вы звучащая ракета или человек, несмертельно (раздавливанием), хотя и неприятно. 5 г вполне живуче, даже без мер противодействия.

Так что остаются проблемы с дыханием (не слишком тяжелым, просто немного кислорода) и проблемами с нагревом от сжатия воздуха. Конструкция теплозащитных экранов на самом деле направлена ​​на максимизацию коэффициента аэродинамического сопротивления и минимизацию тепловой нагрузки , поэтому, если вы готовы принести тобогган из керамических композитов, чтобы отталкивать воздух с дороги, конечно. (Можно привязать к спине. Представьте себе черепашку-ниндзя, лежащую на спине с поднятыми вверх ногами и руками). Возможно, это было бы возможно, но небезопасно.

Однако, если вы хотите пожертвовать достоинством, лежание на спине с аэростатом может, по моему мнению, быть вполне практичным способом упасть с геостационарной орбиты.

Научная фантастика показала несколько интересных возможностей для выживания при входе в атмосферу, в первую очередь, либо скафандр с высокой тепловой нагрузкой, либо абляционный щит, который спускается вниз.

У научного факта есть еще более интересная возможность: режим волана. Вдохновленная воланом для бадминтона, Scaled Composites использует его в качестве режима входа в атмосферу для космических кораблей SS1 и SS2; SS1 поднялся до уровня, когда атмосфера больше не могла влиять на положение корабля.

Систему выдвижных лопастей можно было использовать для создания тормозного воланчика; пена или газ с высокой кратностью в скрученных трубах могут создать хороший тормозной эффект и не допустить, чтобы уровни трения достигли термической опасности для астро-парашютиста в костюме.

Проблема заключается в том, чтобы не войти на скорости, достаточной, чтобы повредить тормозной двигатель и/или астропарашютиста.¹ И это проблема схода с орбиты.

Точно так же надувной щит Aerobraking, представленный в фильме AC Clark 2010: Odyssey 2 , взят из реального предложения НАСА (если я правильно помню, Кларка). НАСА наконец-то дошло до проверки идеи в 2012 году... Первичные испытания ИРВЭ-3 прошел примерно год назад - июль 2012 года.

Комбинация надувного щита для высокоскоростной части², а затем тормозов-воланов после достаточного замедления, чтобы не быть травмированным самой атмосферой, и, наконец, парашюта для окончательной посадки могут сделать прыжок с LEO или даже GTO выживаемым. Пока еще сомнительно, имеет ли буровая установка практическое значение в качестве спасательной системы, но технология существует.

¹: Обратите внимание, что скорость в данном случае зависит исключительно от атмосферы. Орбитальная скорость около 7,8 км/сек для низкой околоземной орбиты; поверхностная скорость на экваторе около 0,46 км/сек. Так что это довольно большая потеря скорости: около 7,3 км/сек.
Также обратите внимание: Киттингер и Баумгартнер имели почти нулевую относительную скорость из-за использования транспортного средства легче воздуха. Любая скорость ниже 0,1 км/с не является проблемой — 360 км/ч не представляют большой проблемы, тормозной тормоз может выдержать и больше.

²: Это точка, хотя скорость выше поверхности, но ниже орбитальной скорости.