Was braucht ein Flugzeug, um einen Flug durchzuführen, der Schwerelosigkeit simuliert, ohne eine steile Parabel/Ellipse fliegen zu müssen?

Wie schnell muss ein Fahrzeug relativ zur Erdoberfläche fliegen, um im Inneren schwerelos zu sein?

Ungefähr 15.000 Knoten.

Astronauten in der ISS fühlen sich in Bezug auf ihr Fahrzeug schwerelos, weil sie mit der Orbitalgeschwindigkeit für ihre Höhe „fliegen“, die, wie jeder weiß, „genau 17500 MPH“ beträgt.

STS110-353-012 (8.-19. April 2002) --- Astronautin Ellen Ochoa , STS-110-Missionsspezialistin, posiert neben den Geschwindigkeitsbegrenzungsschildern im Unity-Knoten auf der Internationalen Raumstation (ISS)." von hier aus .

Weitere Fotos in dieser Antwort auf Wann wurde das „SPEED LIMIT 17500 MPH“-Schild der ISS ursprünglich angebracht?

Kreisbahngeschwindigkeit in der Ferne$a$vom Geocenter ist ungefähr$\sqrt{GM/a}$wobei der Standardgravitationsparameter der Erde 3,986E+14 m ³ /s ² ist und wir nehmen können$a$6378137 Meter plus die Höhe des Fahrzeugs betragen . Aufgrund der Abflachung der Erde (J2) wird es eine kleine Korrektur von etwa Tausendstel geben , aber wir können das ignorieren.

Ihr Fahrzeug müsste also mit 7669 und 7844 m/s in Höhen von 400 und 100 km (auf der Höhe der ISS und auf der Karman-Linie ) und 7887 m/s bei 100.000 Fuß "fliegen", was von etwa 14900 bis 15300 reicht Knoten.

Um dies relativ zur Erdoberfläche zu erhalten, ist eine kleine Korrektur von weniger als 10% erforderlich, da die Rotationsgeschwindigkeit der Erde am Äquator etwa 900 Knoten beträgt und die Richtung der Umlaufbahn nicht angegeben ist. Mit "relativ zur Erdoberfläche meinen Sie vermutlich ein erdzentriertes erdfestes Koordinatensystem.

Obwohl keiner dieser oben genannten Flüge gemäß einer der beiden Definitionen den Weltraum erreichte, frage ich mich, ob sie schnell und hoch genug waren, damit die Piloten in ihren Flugzeugen schwerelos wurden.

Nein. Es ist nicht möglich, diese Flugzeuge mit 15.000 Knoten in der Luft zu fliegen , aerodynamische Erwärmung würde sie verbrennen. Es könnte möglich sein, dass ein Raketenflugzeug in Zukunft diese Art von Geschwindigkeit erreicht (siehe die mehreren guten Antworten auf Wie würde ein „Kármán-Flugzeug“ aussehen, ein Vogel oder ein Flugzeug? ) Und wir wissen kurz, dass echte Flugzeuge dies können auf die Höhe der Karman-Linie steigen ( Wie steuerte die X-15 die Lage über der Kármán-Linie? ), aber derzeit gibt es kein Fahrzeug, das 15.000 Knoten oder Mach 22,5 erreichen kann und noch als Flugzeug bezeichnet wird .

Um „Schwerelosigkeit“ zu erreichen, braucht man keine bestimmte Geschwindigkeit, sondern eine bestimmte Beschleunigung . Die Erde zieht sich mit etwa 9,8 m/s^2 nach unten, was bedeutet, dass jedes fallende Objekt mit jeder Sekunde, in der es fällt, um 9,8 m/s schneller wird. Zum Beispiel bewegt sich ein Ball, der von einem Turm fällt (ohne Berücksichtigung des Luftwiderstands) und drei Sekunden braucht, um auf den Boden zu treffen, beim Aufprall mit etwa 29,4 m/s, weil er drei Sekunden zum Beschleunigen hatte.

Nun, wir Menschen spüren immer, wie die Schwerkraft der Erde an uns zieht und die Beschleunigung, die sie verursachen "will". Wenn ich zum Beispiel in einem Fahrstuhl sitze und er nach oben beschleunigt, fühle ich mich schwerer. Wenn der Aufzug mit 1 m/s^2 nach oben beschleunigt, bis er seine Reisegeschwindigkeit erreicht, spüre ich die Erdanziehung (9,8 m/s^2) plus die zusätzliche Beschleunigung durch den Aufzug (1,0 m/s^2), also insgesamt I fühle mich ~ 11 m / s ^ 2 oder 1,1 "G" der "Schwerkraft".

Das heißt, um sich „schwerelos“ zu fühlen, muss man mit 9,8 m/s^2 in Richtung Erdmittelpunkt beschleunigen, um den normalen Gravitationseffekt, den wir spüren, „aufzuheben“. Dies wird auf jeder parabelförmigen Flugbahn erreicht, was im Grunde jeden geworfenen Gegenstand einschließt (wiederum die Luft außer Acht lassen). Jedes Objekt, sei es ein Ball, ein Ziegelstein oder eine Person, folgt einer parabolischen Flugbahn, wenn es in einen Bereich mit Schwerkraft geworfen oder fallen gelassen wird. Wenn ich zum Beispiel einen Ball werfe, wird er, sobald er meine Hand verlässt, nicht mehr daran gehindert, nach unten zu beschleunigen (aufgrund der Schwerkraft), und beginnt im freien Fall zu sein. Es ist jetzt „schwerelos“.

Der Grund, warum Flugzeuge, die künstliche Schwerkraft simulieren, so hoch fliegen, liegt darin, dass die ständige Beschleunigung nach unten viel vertikalen Raum erfordert. Sie können leicht berechnen, wenn ich mit jeder Sekunde, die vergeht, um 9,8 m/s schneller werde, beginnt die Geschwindigkeit schnell zu steigen. Ja, Sie könnten einen Aufzug bauen, der die Bewohner kurzzeitig schwerelos macht, aber es wäre selbst im höchsten Gebäude eine sehr kurze Aufzugsfahrt.

Es geht nicht so sehr um die Geschwindigkeit, sondern um die Höhe: Wo der atmosphärische Druck niedrig genug ist, dass es keinen Luftwiderstand gibt, kann man ohne Luftbegrenzung länger schwerelos sein. Grundsätzlich die Höhe, in der der Luftwiderstand gering genug ist, sodass Ihre Parabel beliebig groß sein kann und in der Sie nicht unbedingt sofort auf die Erde fallen müssen.

Das ist nicht richtig. Der Luftwiderstand ist nur ein Grund, warum die Flugzeugparabeln ihre Grenzen haben. Der Hauptgrund ist, dass die vertikale Beschleunigung in der Parabel nahezu fest ist (selbst in sehr großen Höhen ist die Erdbeschleunigung fast identisch mit der Beschleunigung an der Oberfläche).

Um also mit dieser Einschränkung eine lange Parabel zu fliegen, haben Sie nur zwei Möglichkeiten:

• Erweitern Sie die Parabel sehr hoch
• Machen Sie die Parabel breit genug, um die Erde nicht zu berühren (keine wirkliche Parabel mehr).

Ersteres ist bei Flugzeugen nicht möglich, da sie auf Luftdruck angewiesen sind, um zu funktionieren. Wenn Sie höher werden, erzeugen die Motoren nicht genug Leistung und die Flügel erzeugen nicht genug Auftrieb. Es gibt fast keine Möglichkeit, ohne Raketen in 100.000 Fuß Höhe zu fliegen. Und wegen der vertikalen Beschleunigung verdoppelt die Verdoppelung der Höhe nicht die Zeit.

Die zweite ist ohne die in den anderen Antworten erwähnte horizontale Geschwindigkeit nicht möglich. Es ermöglicht, dass die Flugbahn die Erdoberfläche nicht schneidet.

Meine Frage ist: Welche Geschwindigkeit / Höhe / äußerer Luftdruck sind notwendig, um schwerelos zu werden, ohne eine steile Parabel fliegen zu müssen?

Eine Geschwindigkeit von 2 m/s, eine Höhe von 1 m und ein Außenluftdruck von etwa 1 Atmosphäre reichen vollkommen aus.

Wie machst du das? Suchen Sie einen Bach, starten Sie mit Anlauf und springen Sie darüber. Dadurch fühlen Sie sich schwerelos, wenn auch nur für sehr kurze Zeit.

Du denkst vielleicht: „Das habe ich nicht gemeint!“ Eigentlich hast du das gemeint . Das Gefühl der Schwerelosigkeit wird dadurch verursacht, dass man sich im freien Fall befindet – das heißt, dass keine nennenswerten nicht-gravitativen Kräfte auf einen einwirken. Es gibt absolut keinen qualitativen Unterschied zwischen dem Sprung über einen Bach und einem suborbitalen Raumflug. In beiden Fällen fühlen Sie sich aus genau dem gleichen Grund schwerelos.

Okay, aber ich vermute, dass Sie wirklich daran interessiert sind , für eine beträchtliche Zeit schwerelos zu sein und eine flache Flugbahn zu haben.

Nun, das Hinzufügen von Höhe verlängert die Dauer der Schwerelosigkeit, lässt aber Ihre Flugbahn steiler erscheinen. Durch das Hinzufügen von Geschwindigkeit wird die Flugbahn flacher erscheinen, und wenn die Geschwindigkeit einen erheblichen Bruchteil der Umlaufgeschwindigkeit beträgt, wird auch die Dauer der Schwerelosigkeit verlängert.

Welche Geschwindigkeit und Höhe brauchen Sie also genau, um für eine beträchtliche Zeit schwerelos zu sein und Ihre Flugbahn flach zu halten? Die Antwort hängt ganz davon ab, was Sie als "erhebliche Zeit" und "flache Flugbahn" betrachten. Es ist unmöglich, eine genauere Antwort zu geben, ohne eine genauere Frage zu haben.

Dies ist nur eine Ergänzung zu den anderen Antworten, deren Ziel es ist, die tatsächlichen Formeln anzugeben, die Sie benötigen, um so etwas zu erarbeiten.

Vereinfachende Annahmen: Ich nehme an, die Erde ist kugelförmig, ihre Dichte hängt nur vom Radius ab und ignoriere ihre Rotation. Dies sind gute Annahmen erster Ordnung, aber verwenden Sie sie wahrscheinlich nicht, wenn Sie Raumschiffe zum Mond starten möchten und erwarten, dass sie dort ankommen.

Beschleunigung trainieren

Nehmen wir also an, die Erde hat einen Radius$R \approx 6371\,\mathrm{km}$, und Masse$M\approx 5.97\times 10^{24}\,\mathrm{kg}$. Und wir gehen davon aus, dass das Ding, das wir schwerelos haben wollen, Masse hat$m\ll M$(Also wird dies für den Mond falsch sein).$G$ist die universelle Gravitationskonstante,$G \approx 6.674\times 10^{-11}\,\mathrm{m^2 N kg^{-2}}$

Ein Objekt ist also schwerelos, wenn es frei im Gravitationsfeld der Erde fällt. Also mit Newton 2, Newtons Gravitationsgesetz und dem Schalensatz (auch wegen Newton!), wenn das Objekt eine Höhe ist$h$über der Oberfläche erhalten wir

Das sagt Ihnen also, um sich in der Höhe schwerelos zu fühlen$h$über der Oberfläche, dann muss man in Richtung Erdmittelpunkt mit beschleunigen$a = GM/(R + h)^2$. Wir können uns ansehen, wie dies mit der Höhe variiert. Hier ist es für ziemlich kleine Werte von$h$:

Und hier für viel größere

Sie können das also sehen, für Werte von$h$die entweder mit der Atmosphäre des Seins in LEO vereinbar sind,$a \approx 9.8\,\mathrm{ms^{-1}}$.

Wie Sie das erreichen$a$liegt an Ihnen. In die Luft zu springen ist ein einfacher Anfang.

Kreisbewegung

Eine besonders interessante Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, zu versuchen, sich sehr schnell in einem Kreis um die Erde zu bewegen. Das ist interessant, weil es in guter Näherung das ist, was umlaufende Raumfahrzeuge tun.

Also die Beschleunigung eines Objekts, das sich mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit bewegt$\omega$in einem Radius$r$Ist$a = \omega^2 r$. Seine lineare Geschwindigkeit ist$v = \omega r$& So$a = v^2/r$. Damit dieses Objekt also schwerelos ist ( auch bekannt als in einer kreisförmigen Umlaufbahn um die Erde), haben wir

So schnell müssen Sie sich also auf einer kreisförmigen Umlaufbahn in der Höhe bewegen$h$. Auch hier können wir Folgendes zeichnen:

Beachten Sie, dass bei$h = 200\,\mathrm{km}$,$v \approx 7789\,\mathrm{ms^{-1}} \approx 17,420\,\mathrm{mph}$.

So schnell muss man um die Erde kreisen, um schwerelos zu sein.

Wenn ich später Zeit habe, werde ich die allgemeineren Orbit-Fälle hinzufügen.

Die Frage ist, welche Mindesthöhe, Geschwindigkeit und äußerer Luftdruck/Widerstand erreicht werden müssen, um schwerelos zu werden, ohne das Joch zum Absenken der Nase eines Raumflugzeugs drücken zu müssen.

Berichten zufolge beginnen Menschen bei 0,007 g die lineare Schwerkraft "richtig" wahrzunehmen. Definieren wir also beträchtliche Schwerelosigkeit als unter 0,007 g (und über minus 0,007 g). 0,007 g sind 0,069 m/s².

Aus all meinen atmosphärischen und Weltraumflügen in Orbiter2016 kann ich schließen, dass man über 61 km (200.000 ft) kommen muss , um im Leerlauf des Motors schwerelos zu werden, ohne das Joch drücken zu müssen, aber indem man das Raumflugzeug frei schwebend hält, ohne es zu kontrollieren . Der Beschleunigungsmesser meines Raumfahrzeugs zeigt die Schwerkraft auf der x-, y- und z-Achse an. Oberhalb von 200.000 Fuß kann die Schwerkraft auf allen drei Achsen im Leerlauf unter 0,069 m/s² fallen (und über minus 0,069 m/s² bleiben). Dies muss nicht unbedingt sofort erfolgenwenn Sie den Motor im Leerlauf laufen lassen, aber wenn das Raumflugzeug eine bestimmte Auslöschgeschwindigkeit, Verzögerung/Beschleunigung oder einen bestimmten Winkel erreicht. Es bedeutet auch nicht, dass Sie den Motor Ihres Flugzeugs auf oder über 200.000 Fuß im Leerlauf laufen lassen müssen, Sie können ihn in niedrigeren Höhen im Leerlauf laufen lassen und das Flugzeug frei schweben lassen und 200.000 Fuß überschreiten.

Die Geschwindigkeit oberhalb dieser Höhe beträgt normalerweise etwa Mach 5-5,5 (5-5,5-fache Schallgeschwindigkeit), was in dieser Höhe einer Geschwindigkeit über Grund von etwa 1-1,1 mi/s oder etwa 1,5-1,8 km/s entspricht . Der atmosphärische Druck über 200.000 Fuß fällt unter 0,003 psi .

Absolute Schwerelosigkeit (sodass alle drei Achsen 0,000 m/s² anzeigen) kann oberhalb von 54 mi (86,9 km) erreicht werden und Ihre Geschwindigkeit würde etwa Mach 6,5-7,0 betragen .

Laut dem sehr realistischen Orbiter2016 scheinen dies die Mindestanforderungen zu sein, um Schwerelosigkeit zu erreichen, ohne die Nase eines Flugzeugs manuell abzusenken. Zum Vergleich: Die von den USA definierte Weltraumgrenze liegt bei 264.000 Fuß (50 Meilen, 80,47 km) und die von der FAI definierte Weltraumgrenze bei 100 km (330.000 Fuß, 62,14 Meilen).

Von den fünf in der Frage angegebenen Beispielen ist Mike Melvill in SS1-Flug 14P möglicherweise schwerelos geworden.

Nur eine vertikale Bewegung kann ausreichen, ein ganz besonderer Fall eines Parabelfluges. Sie brauchen nur die richtige Beschleunigung, um für kurze Zeit die Schwerelosigkeit zu erreichen. Ein Fallturm mit Vakuumröhre wie der Fallturm Bremen reicht aus.

Ein Fall aus 110 m Höhe liefert 4,74 Sekunden Schwerelosigkeit. Die Verwendung eines Katapults vom Boden aus verdoppelt die Zeit. Für ein Freifallexperiment ohne atmosphärischen Widerstand wird die Vakuumröhre evakuiert.