Wenn eine hochentwickelte Raumfahrtrasse einen Asteroiden in die richtige Form hauen und ihn im richtigen Winkel und mit der richtigen Geschwindigkeit starten könnte, wäre es dann möglich, den Asteroiden aus der Atmosphäre eines Planeten zu „überspringen“, als würde man einen Stein überspringen die Oberfläche eines Teiches? Wie groß oder klein müsste es sein, damit das funktioniert? Was würde die Wirkung auf die Oberfläche des Planeten sein? Wäre es katastrophal oder wären die Auswirkungen minimal? Könnte dies als Waffe verwendet werden?
Um die Dinge zu vereinfachen, werde ich mich darauf konzentrieren, was passieren würde, wenn wir dies auf der Erde versuchen würden, damit ich mir keine Gedanken darüber machen muss, wie sich die Dinge mit unterschiedlichen Atmosphären, Planetengrößen, Schwerkraft usw. ändern könnten. Abgesehen davon, wenn es auf der Erde nicht funktionieren würde, welche Eigenschaften würde ein Planet brauchen, damit es funktioniert?
Aus Gründen der Semantik ist meine Definition von „Hüpfen“ auch so, dass der Asteroid nie wirklich Kontakt mit der Oberfläche des Planeten hat und nicht nur in einer geraden Linie durch die Atmosphäre des Planeten brennt, ohne in irgendeiner Weise abgelenkt zu werden. Der Asteroid muss von der Atmosphäre selbst abgelenkt werden, nicht vom Planeten, und in einem merklichen Winkel abspringen.
Es ist tatsächlich möglich. Sie benötigen jedoch eine ganz bestimmte Form, und Sie müssen die Atmosphäre genau im richtigen Winkel treffen.
Kurze Erklärung:
Es würde ähnlich aussehen wie ein flacher Stein, der auf eine ruhige Seeoberfläche geworfen wird. Es wird abprallen.
Lange Erklärung zur Physik: (Ich hoffe, Sie verstehen die grundlegende Orbitalmechanik)
Es ist komplizierter als ein See. Wenn der Körper in die Atmosphäre eintritt, beginnt er, aerodynamische Kräfte zu erzeugen – hauptsächlich Auftrieb und Luftwiderstand. Unter normalen Umständen reicht der Widerstand aus, um das Objekt so stark zu verlangsamen, dass es nicht auf sich selbst fliegen kann. Wenn es in einem flachen Winkel eintritt und eine gute Form hat, reicht der von ihm erzeugte Auftrieb aus, um es aufzurichten und allmählich aus der Atmosphäre zu drücken.
Es endet jedoch nicht dort: Der Widerstand hat auf das Objekt eingewirkt und es möglicherweise verlangsamt. Das bedeutet, dass es nicht länger eine Umlaufgeschwindigkeit hat und zur Erde zurückkehrt. Das Überspringen wiederholt sich dann, bis es nicht schnell genug fliegt, um genügend Auftrieb zu erzeugen.
Wenn Sie den Asteroiden jedoch hart genug werfen und in einem flachen Winkel auf die Atmosphäre treffen (denken Sie an eine stark exzentrische elliptische Umlaufbahn mit seiner Periapsis direkt am Rand der Atmosphäre), würde er abprallen und seine Flugbahn ändern.
Die Änderung wird jedoch nicht allzu groß sein. Es ist nicht so, als würde es in den Weltraum abprallen, es ist eher so, als ob die Periapsis um mehrere Kilometer ansteigt (oder abfällt, je nach Winkel).
Da es sonst niemand erwähnt hat, kann es nicht nur passieren, es ist passiert. 10. August 1972. Da es damals noch keine Inter-Webs gab, sind die Nachrichtenartikel darüber nicht unbedingt verfügbar, aber hier sind ein paar vernünftige Hinweise:
TL;DR: Schließlich zahlt sich meine jahrelange Erfahrung im Kerbal Space Program aus. Es ist möglich, aber nicht viel im Vergleich dazu, einfach durch die Atmosphäre zu schießen.
Wie @TimB erwähnt, können Sie einen Asteroiden nicht auf die gleiche Weise aus der Atmosphäre "überspringen", wie Sie etwas von der Oberfläche eines Teichs überspringen würden. Sie können jedoch die Atmosphäre nutzen, um Ihre Flugbahn zu ändern und einen "Abpraller" zu bewirken.
Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie dieser Effekt funktionieren würde, vergessen wir Planeten und Umlaufbahnen und arbeiten für den Moment mit einer unendlichen flachen Ebene mit einem homogenen Gravitationsfeld. Selbst wenn Sie es mit viel horizontaler Geschwindigkeit abfeuern, wird es schließlich einfach fallen. Fügen Sie Atmosphäre hinzu und es wird gegen Ende nur leicht verlangsamt.
Wenn Sie jedoch anstelle eines Asteroiden ein Segelflugzeug verwenden, haben Sie Optionen. Am einfachsten ist es, nach oben zu ziehen, was Sie unter günstigen Umständen wieder aus der Atmosphäre herausholt, jedoch mit geringerer Geschwindigkeit. Möglicherweise können Sie diesen Vorgang wiederholen, aber schließlich werden Sie einfach nach unten gleiten. Wir können etwas Ähnliches mit einem entsprechend geformten Asteroiden machen.
Jetzt zu den Planeten. Wir werden keine „Schleudern“ oder „Gravitationshilfen“ machen, da diese eigentlich keine Atmosphäre benötigen und in Zwei-Körper-Systemen sowieso nicht funktionieren.
Was passiert, wenn ein kugelförmiger Asteroid nahe genug an einem Planeten vorbeifliegt, um in die Atmosphäre einzutauchen (aber nicht so nahe, dass er den Planeten trifft), ist, dass er etwas langsamer wird und an Geschwindigkeit (und damit Energie) durch Luftwiderstand verliert. Dadurch ändert sich seine Umlaufbahn; es absichtlich zu tun wird "Aerobraking" genannt und wenn die Umlaufbahn von hyperbolisch (dh zurück in den Weltraum) zu elliptisch wird, wird es "Aerocapture" genannt. Genau genommen ist es kein "Abspringen", da es nicht die Atmosphäre ist, die Sie abprallt, sondern die Orbitalmechanik, die Sie davonträgt.
Nun müssen Sie verstehen, dass Ihre Umlaufbahn an jedem beliebigen Punkt vollständig durch Ihre Position relativ zu dem Körper, den Sie umkreisen, und Ihre Geschwindigkeit relativ zu demselben Körper bestimmt wird. Das Aerobraking ändert Ihre Geschwindigkeit, im Allgemeinen nur durch Bremsen, was zur Folge hat, dass Ihre große Halbachse verkürzt wird (was Sie in eine „untere Umlaufbahn“ bringt) und Ihre Periapse etwas nach unten bringt, da sowohl die horizontale als auch die vertikale Geschwindigkeit gleichermaßen betroffen sind.
An diesem Punkt können Sie durch die Verwendung von Flügeln (und die goldene Regel des Flugzeugdesigns sagt uns, dass bei diesen Geschwindigkeiten alles ein Flügel ist) den Luftwiderstand asymmetrisch machen und das erreichen, was wir "Auftrieb" nennen. Beachten Sie, dass es für Sie unmöglich ist, auf diese Weise Energie zu gewinnen. Das einzige, was passiert, ist, dass Sie einen Teil Ihrer Geschwindigkeit tauschen, um die Richtung des Rests zu ändern. Sie können dies ausnutzen, um die Höhe Ihrer Periapse (und damit die Exzentrizität Ihrer Umlaufbahn) zu ändern oder einen Ebenenwechsel zu bewirken, aber Sie verlieren dabei Energie.
Wenn Sie eine kontrollierbare aerodynamische Form haben, können Sie die Atmosphäre eines Planeten nutzen, um Ihre Flugbahn ohne Kosten für Treibmittel zu ändern. Apollo-Kapseln (IIRC) nutzten dies aus; Durch einen vom geometrischen Zentrum der Kapsel leicht zur Seite versetzten Massenschwerpunkt würden sie in einer Atmosphäre leicht zur Seite weggetragen und könnten die Kapsel in Längsrichtung drehen, um eine begrenzte Kontrollbefugnis zu erlangen.
Ich habe mir diesen Trick zunutze gemacht, um die Periapse eines Mondlanders während mehrerer Aerobraking-Passagen bei der Rückkehr von einem Mond in der hohen Atmosphäre zu halten, was es mir ermöglicht, sanft langsamer zu werden und mich mit minimalen Kosten mit einer Raumstation im Orbit von Kerbin zu treffen im Treibmittel.
Könntest du das als Waffe benutzen? Vielleicht. Die bei diesen Manövern aufgewendete Energie manifestiert sich als Stoßerwärmung und wird normalerweise vom umkreisenden Körper absorbiert, sodass die Wirkung auf den Planeten begrenzt ist. Aber was wäre, wenn es genug davon gäbe?
Es stellt sich die Frage, wie viel Energie dieses Manöver verbraucht. Wir können die Antwort aus der Vis-Viva-Energiegleichung erhalten . Wenn wir die anfängliche Umlaufbahn nehmen und die Energie berechnen (multipliziert mit der Masse des Asteroiden), erhalten wir die maximale Energie, die wir durch Deorbiting abgeben können (sprich: Aufprall auf den Planeten). Die Differenz zwischen der Energie dieser Umlaufbahn und der neuen Umlaufbahn ist, wie viel Energie aufgewendet/deponiert wurde.
Bei erdähnlichen Planeten gibt Ihnen das Erreichen der Fluchtgeschwindigkeit im Vergleich zum Sitzen auf der Oberfläche Energie worum es geht die Energie von TNT. Auf den ersten Blick beeindruckend, aber nicht viel im Großen und Ganzen, besonders wenn Sie bedenken, dass Sie nur einen winzigen Teil dieser Energie aufwenden (wie viel Sie auch bereit sind zu opfern, ohne zu fallen), ein Großteil davon wird absorbiert durch den Asteroiden.
Vielleicht wäre es eine bessere Nutzung dieser Fähigkeit, einfach einige kinetische Impaktoren (wie Wolframstangen) fallen zu lassen, um etwas Schaden anzurichten, und dann die Planetenatmosphäre zu nutzen, um Ihre Flugbahn zu Ihrem nächsten Ziel feinabzustimmen.
Oh, und da Sie nach der Form des Asteroiden gefragt haben: Er würde wahrscheinlich vage an ein Space Shuttle erinnern, wenn Sie ihn optimieren wollten, aber wenn Sie nicht zu tief eintauchen, würde jede Form mit asymmetrischem Luftwiderstand oder Steuerflächen ausreichen. wenn auch mit geringerer Effizienz.
Obwohl Intercity nicht falsch ist, bin ich skeptisch, ob Sie es in der Realität zum Laufen bringen könnten. Es gibt einen großen Unterschied zwischen der Atmosphäre und einem See. Insbesondere der See hat eine harte Übergangsfläche, auf der Sie Oberflächeneffekte verwenden können, um einen Stein zu überspringen.
Die Atmosphäre hat keine solchen Auswirkungen, und es ist sehr schwer, sich eine Situation vorzustellen, in der Sie genug Auftrieb erzeugen würden, um dem Luftwiderstand beim Durchqueren der Atmosphäre entgegenzuwirken. Das Eintauchen in die Atmosphäre ist eine großartige Möglichkeit, um Geschwindigkeit zu verlieren, und wird Aerobraking genannt, aber es wird Sie dadurch verlangsamen.
Das einzige, was ähnlich ist, heißt Gravitationsunterstützung, die im Wesentlichen einen Planeten überspringt, aber die Schwerkraft gut nutzt, nicht die Atmosphäre, um dies zu tun.
Es ist nicht nur möglich, es passiert ständig. Hier ist ein Tweet, der es ab September 2020 in Aktion zeigt:
https://twitter.com/meteordoc/status/1308553949255999489
Bei space.se gibt es eine ähnliche Frage: Wie funktioniert das Überspringen der Atmosphäre?
Und die beste Antwort hat diesen interessanten Leckerbissen:
Für das „Hüpfen“ aus der Atmosphäre ist jedoch kein Auftrieb erforderlich, da die Atmosphäre im Gegensatz zur scheinbaren Oberfläche eines Teichs gekrümmt ist. Bei einem Sprungeintritt ist eigentlich nur gemeint, dass der Einflugbahnwinkel nicht steil genug war, um zu verhindern, dass das Objekt die Atmosphäre wieder verlässt. Die Flugbahn des ballistischen Sprungfluges krümmt sich nicht wie bei einem Sprungstein. Es krümmt sich immer noch nach unten. Der Krümmungsradius ist jedoch größer als der Krümmungsradius der Atmosphäre, sodass sie in den Weltraum zurückkehrt.
(...)
Überspringende Einträge können auch verwendet werden, um die gesamte Wärmelast eines Eintrags auf mehrere Durchgänge zu verteilen, wodurch eine Kühlung zwischen den Durchgängen ermöglicht wird. Der Aerobraking-Ansatz, der von mehreren Mars-Orbitern verwendet wird, ist ein extremes Beispiel für viele Skip-Entries in großer Höhe.
Überprüfen Sie den letzten Link, da er zeigt, wie wir Menschen den Effekt in einer technischen Meisterleistung genutzt haben.
Ratschenfreak
Frostfeuer
Cyrus
Das Anathema
Ratschenfreak
möglicherweise Ernst
Taemyr