Warum verbrennen Menschen beim Fallschirmspringen nicht, Raketen hingegen beim Wiedereintritt?

Wiedereintrittsgeschwindigkeit von LEO ist$~7,800 \frac m s$, aus dem Mondraum ist es so hoch wie$~11,000 \frac m s$[1].

Verschiedene Bücher geben die Endgeschwindigkeit eines Fallschirmspringers in etwa an$56 \frac m s$oder$75 \frac m s$[2, 3]. Der genaue Wert ist nicht wesentlich, aber die Tatsache, dass er zwei Zehnerpotenzen kleiner ist als die Wiedereintrittsgeschwindigkeit, ist es.

Der Unterschied zwischen Fallschirmspringen und Wiedereintritt besteht darin, dass Sie, um in die Umlaufbahn zu gelangen, sehr schnell seitwärts fliegen müssen. Sie fallen im Wesentlichen so schnell seitwärts, dass Sie den Boden verfehlen, wenn Sie darauf fallen ( siehe verwandtes xkcd ). Ein Fallschirmspringer, egal ob er aus einem Flugzeug oder einem Ballon springt, hat zu Beginn nur eine geringe horizontale Geschwindigkeit und fast keine vertikale Geschwindigkeit. Der Fallschirmspringer beschleunigt dann auf die Endgeschwindigkeit, die im Vergleich zur Wiedereintrittsgeschwindigkeit ziemlich langsam ist (siehe oben).

Im Vergleich dazu hatte die Apollo-Kapsel eine Endgeschwindigkeit von$150 \frac m s$bei$7,300 \ m$Höhe. Von diesem Moment an verhält sich Apollo wie ein Fallschirmspringer. Bremsrutschen werden gezogen, die das Fahrzeug verlangsamen$80 \frac m s$, und dann schließlich die Hauptrutschen, die das Fahrzeug verlangsamen$8.5\frac m s$[4].

Aber das ist nur die allerletzte Phase des Fluges. Du musst irgendwie abbremsen$7,800 \frac m s$zu$150 \frac m s$zuerst und Abstieg aus dem Weltraum tief in die Atmosphäre. Das Erstellen von Rutschen, die sowohl dem standhalten als auch groß genug sind, um das Fahrzeug so hoch in der Atmosphäre ausreichend zu verlangsamen, ist aus technischer Sicht einfach nicht machbar, und selbst wenn dies der Fall wäre, wäre es wahrscheinlich unerschwinglich aus einem Gewicht/Delta- v Standpunkt.

Die erste Stufe von Falcon 9 hat keine Probleme mit der Wiedereintrittsheizung, obwohl sie auch den Weltraum erreicht. Aber diese Stufe erreicht keine Umlaufgeschwindigkeit. Es geht nur um$2,000\frac m s$bei der Trennung, was langsam genug ist, dass die Erwärmung beim Herunterfahren kein Problem darstellt (siehe diese Frage zu Space StackExchange ).

1: Atmosphärischer Eintritt. Wikipedia, die freie Enzyklopädie.
2: Tipler, Paul A. College-Physik. New York: Worth, 1987: 105.
3: Bueche, Fredrick. Prinzipien der Physik. New York: McGraw Hill, 1977: 64.
4: W. David Woods. Wie Apollo zum Mond flog. Springer, 2008: 371.

Die beteiligten Entfernungen und Geschwindigkeiten sind wesentlich unterschiedlich. Auf der Skala eines Fallschirmsprungs ändert sich die atmosphärische Dichte nicht viel (und ist relativ hoch). Ein Fallschirmspringer erreicht schnell eine Endgeschwindigkeit, bei der der Luftwiderstand der Schwerkraft entspricht.

Bei einem Wiedereintritt nähern Sie sich in einer viel weniger dichten Atmosphäre und bewegen sich viel schneller. Bei diesen Geschwindigkeiten wärmt dich der Luftwiderstand viel schneller auf. Außerdem pflügst du in die Atmosphäre, und das bedeutet, dass du den Luftwiderstand erhöhst. Zwischen diesen Effekten sehen Sie eine wesentlich stärkere Erwärmung. Ein Fallschirmspringer, der aus dem Orbit fällt, hätte die gleichen Probleme mit dem Verbrennen.

Es gibt einige interessante Dinge, die in Bezug auf Wiedereintrittsmanöver getan werden. Die Chinesen hatten einen Mondorbiter , der die Atmosphäre ausschaltete. Die Idee war einfach. Würde der Orbiter direkt wieder in unsere Atmosphäre eintreten, würde er zu stark aufgeheizt. Stattdessen durfte es einfach in die dünnen oberen Ränder unserer Atmosphäre eintreten, einen Teil seiner Geschwindigkeit (in Wärme) abgeben, bevor es die Atmosphäre ähnlich wie ein Stein auf einem Teich übersprang. Dies gab ihm Zeit, etwas von dieser Hitze loszuwerden, bevor ein zweiter Wiedereintritt sie sicher zu Fall brachte.

Ein Mensch, der mit dem Fallschirm abspringt$h=4000\,\mathrm m$(vgl. http://adventure.howstuffworks.com/skydiving1.htm ) ihre potenzielle Energie loswerden muss$mgh$. Wenn wir davon ausgehen, dass all diese Energie verwendet wird, um den Fallschirmspringer, der im Wesentlichen aus Wasser mit seiner bekannten spezifischen Wärmekapazität besteht, gleichmäßig zu erwärmen$c_{H_2O}=4182\frac{\mathrm J}{\mathrm{kg}\cdot \mathrm{K}}$, die Temperatur steigt um

Beachten Sie, dass die Masse des Fallschirmspringers nicht in die obige einfache Schätzung einging, sondern nur die Starthöhe und die spezifische Wärme.

Ein wieder eintretendes Raumschiff hingegen startet nicht nur aus größerer Höhe (mehr als 100 Kilometer), sondern muss zusätzlich noch seine erhebliche kinetische Energie abgeben. Wenn wir die Zahlen für die Umlaufgeschwindigkeit nicht nachschlagen wollen, versuchen wir es aus dem Gedächtnis. Man hört immer, dass eine Umrundung etwa 90 Minuten dauert, also muss die Geschwindigkeit mindestens (bei etwas kleinerem Erdumfang) betragen$v\ge \frac{40000\,\mathrm{km}}{5400\,\mathrm s}\approx 7400\,\frac{\mathrm m}{\mathrm s}$, also die Energie pro Kilogramm Masse$\frac12v^2\approx 55\,\frac{\mathrm{MJ}}{\mathrm{kg}}$. Wir sehen, dass dies viel, viel mehr ist als das bloße$40\,\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg}}$unseres Fallschirmspringers.

Einen Großteil der kinetischen Energie könnte das Raumschiff durch den Einsatz seines Raketentriebwerks wieder loswerden, aber das wäre unklug: Es brauchte eine ganze Menge Treibstoff, um die Rakete überhaupt in den Orbit (oder besser gesagt: immerhin auf Orbitalgeschwindigkeit ) zu bringen die potentielle Energie ist klein im Vergleich zur kinetischen Energie im erdnahen Orbit); daher braucht es (fast) so viel Kraftstoff, um dasselbe zu erreichen$\Delta v$beim Wiedereinstieg. Aber um so viel Treibstoff im Orbit zur Verfügung zu haben, muss er überhaupt erst dorthin transportiert worden sein. Dies ist aufgrund des Kraftstoff-Nutzlast-Verhältnisses nicht machbar.

Wie andere erklärten, ist die Höchstgeschwindigkeit eines Fallschirmspringers viel geringer als die von Orbitalfahrzeugen. Das liegt aber daran, dass Fallschirmspringer aus relativ geringer Höhe springen: die Rekordsprünge von Eustace ( https://en.wikipedia.org/wiki/Alan_Eustace ) und Baumgartner ( https://en.wikipedia.org/wiki/Felix_Baumgartner) wurden aus einer Höhe von etwa 40 km durchgeführt, und die Höchstgeschwindigkeit betrug etwa 1,3 km/s, während die Orbitalgeschwindigkeit etwa 7,9 km/s beträgt. @Cort Ammon sagte: "Ein Fallschirmspringer, der aus dem Orbit fällt, hätte die gleichen Probleme mit dem Verbrennen." Das ist richtig, vorausgesetzt, der Fallschirmspringer, der aus der Umlaufbahn fällt, hat eine Umlaufgeschwindigkeit. Die geringe Umlaufbahnhöhe (z. B. 150-200 km) ist jedoch vergleichbar mit der Rekordhöhe von Fallschirmsprüngen. Wenn ein Fallschirmspringer aus einer solchen Orbitalhöhe mit einer Anfangsgeschwindigkeit von Null abgeworfen würde, wäre seine Höchstgeschwindigkeit viel kleiner als die Orbitalgeschwindigkeit. Um eine mit der Umlaufgeschwindigkeit vergleichbare Geschwindigkeit zu erreichen, müsste ein Fallschirmspringer aus einer Höhe abgeworfen werden, die mit dem Erdradius vergleichbar ist (etwa 6000 km).